基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的迅速發(fā)展，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）憑借其低功耗、廣覆蓋和大連接等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各類物聯(lián)網(wǎng)場景。本文探討了基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，分析了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括網(wǎng)絡(luò)層與協(xié)議設(shè)計(jì)，并提出對(duì)NB-IoT系統(tǒng)進(jìn)行功耗管理與優(yōu)化的策略，詳細(xì)討論了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)功耗管理的策略、網(wǎng)絡(luò)部署與調(diào)試方法，以確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；通信系統(tǒng)

引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）已逐漸成為全球科技革新的重要驅(qū)動(dòng)力之一。物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)是支撐萬物互聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，涵蓋了多種通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)直接影響數(shù)據(jù)傳輸效率、網(wǎng)絡(luò)可靠性及系統(tǒng)可擴(kuò)展性。傳統(tǒng)的通信技術(shù)存在帶寬不足、連接設(shè)備數(shù)量有限、功耗高等瓶頸問題，在此背景下，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)憑借其優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能、低功耗特性以及大規(guī)模設(shè)備連接能力，成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中備受關(guān)注的無線通信技術(shù)。NB-IoT能夠有效地解決傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在廣域覆蓋和設(shè)備密度方面的挑戰(zhàn)，還具備顯著的節(jié)能優(yōu)勢，適用于智能城市、智能農(nóng)業(yè)、智能物流等多種場景。

1. 基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是確保網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行與穩(wěn)定性的關(guān)鍵。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)主要涉及通信協(xié)議層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)處理層及其相互協(xié)同工作的方式。在此架構(gòu)中，傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、核心網(wǎng)絡(luò)、云平臺(tái)等多個(gè)組件需要有效地協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫傳輸與處理。NB-IoT通信系統(tǒng)的架構(gòu)通常采用分層設(shè)計(jì)，保證了模塊間的獨(dú)立性及靈活性。在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測是核心功能之一，在該系統(tǒng)架構(gòu)下，傳感器節(jié)點(diǎn)通過周期性數(shù)據(jù)采集與無線信號(hào)傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至核心網(wǎng)或云平臺(tái)。在該過程中，采用以下公式優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與功耗控制，即

（1）

式中，P為功率消耗，V為信號(hào)傳輸?shù)碾妷?，R為電阻。該公式用于評(píng)估傳感器節(jié)點(diǎn)在信號(hào)傳輸過程中的能耗，降低功耗是提高NB-IoT設(shè)備壽命的關(guān)鍵。此外，傳感器節(jié)點(diǎn)的采樣頻率與傳輸頻率的調(diào)整也是實(shí)時(shí)監(jiān)測中不可忽視的參數(shù)，采樣頻率越高，數(shù)據(jù)傳輸頻率也應(yīng)相應(yīng)增加，但這將導(dǎo)致更高的功耗，為此，通過以下算法控制功耗，即

（2）

式中，fs為采樣頻率，Ts為采樣時(shí)間間隔。通過合理的采樣頻率調(diào)節(jié)策略，可以在保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，有效控制系統(tǒng)的整體功耗[1]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層與協(xié)議設(shè)計(jì)

在基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)層與協(xié)議設(shè)計(jì)是決定系統(tǒng)性能的核心因素之一。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸、路由選擇、地址分配和流量控制，其關(guān)鍵任務(wù)是確保在大規(guī)模設(shè)備接入的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠性和高效的資源利用。NB-IoT采用了改進(jìn)的頻分多址（frequency division multiple access，F(xiàn)DMA）技術(shù)與窄帶傳輸方案，極大地提高了高密度終端環(huán)境下頻譜利用率，同時(shí)降低了通信時(shí)延和功耗。在協(xié)議設(shè)計(jì)方面，NB-IoT支持基于IP的數(shù)據(jù)傳輸，且通過簡化的控制協(xié)議（如RLC層和MAC層）優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托省?duì)于接入設(shè)備，采用了自適應(yīng)性調(diào)制與編碼（adaptive modulation and coding，AMC）方案，根據(jù)信號(hào)質(zhì)量動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩蕴岣呦到y(tǒng)的吞吐量和連接的穩(wěn)定性。

此外，網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)還考慮了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詥栴}，通過加密協(xié)議與身份驗(yàn)證機(jī)制確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中免受篡改和攻擊，保障網(wǎng)絡(luò)通信的保密性與完整性。通過精細(xì)化的協(xié)議棧設(shè)計(jì)與資源管理策略，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)能夠在不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下提供高效的支持，包括智能抄表、智能城市、車聯(lián)網(wǎng)等。

1.3 功耗管理與優(yōu)化

在基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，功耗管理與優(yōu)化是保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要在電池供電的條件下運(yùn)行，因此功耗管理直接影響設(shè)備的生命周期，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體性能與可擴(kuò)展性有著重要作用。NB-IoT技術(shù)通過采取一系列低功耗優(yōu)化措施，有效延長了設(shè)備的工作時(shí)間。在具體設(shè)計(jì)中，NB-IoT節(jié)點(diǎn)通過，不連續(xù)接收模式（DRX）模式大幅降低了空閑時(shí)段的能耗，節(jié)點(diǎn)在未發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，只有在特定的時(shí)間窗口內(nèi)激活通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，從而大大減少了功耗。功耗管理不僅僅依賴于硬件設(shè)計(jì)，還需要在協(xié)議層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行精細(xì)化的優(yōu)化，譬如在無線信號(hào)傳輸過程中，動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸功率與調(diào)制方式，根據(jù)不同的通信距離和信號(hào)質(zhì)量選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方案（如QPSK、16QAM等），實(shí)現(xiàn)低功耗高效通信。同時(shí)，基于NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)支持高效的設(shè)備尋址與連接管理機(jī)制，能夠根據(jù)設(shè)備狀態(tài)智能調(diào)度其通信時(shí)段與休眠周期，進(jìn)一步提高了能效。

2. 基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)

在基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是確保數(shù)據(jù)高效、可靠傳輸?shù)暮诵沫h(huán)節(jié)。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)采用了基于IP的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，其中包括適用于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（low-power wide-area network，LPWAN）的多種協(xié)議，如消息隊(duì)列遙測傳輸（message queuing telemetry transport，MQTT）協(xié)議與約束應(yīng)用協(xié)議（constrained application protocol，CoAP），這些協(xié)議通過優(yōu)化帶寬使用和降低功耗，有效提升了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸效率。MQTT協(xié)議在NB-IoT通信中得到了廣泛應(yīng)用，通過客戶端和服務(wù)器之間的發(fā)布/訂閱模式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的異步傳輸，并通過較小的數(shù)據(jù)包與較低的網(wǎng)絡(luò)開銷適應(yīng)了低帶寬、高延遲環(huán)境下的數(shù)據(jù)交換需求。CoAP是另一種輕量級(jí)協(xié)議，在NB-IoT中用于支持RESTful接口和客戶端-服務(wù)器通信，其低開銷特性使得其在終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)傳輸中表現(xiàn)出色，尤其適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中對(duì)快速響應(yīng)和低延遲的需求。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)不僅限于協(xié)議層的選擇，還包括了協(xié)議棧的優(yōu)化與封裝，特別是在考慮到NB-IoT的低功耗特性時(shí)，需要對(duì)協(xié)議的傳輸機(jī)制進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，通過合適的重傳機(jī)制和擁塞控制算法，確保數(shù)據(jù)能夠在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定傳輸[2]。

2.2 節(jié)點(diǎn)功耗管理策略

在基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)功耗管理策略是優(yōu)化系統(tǒng)性能、延長設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵組成部分。為了實(shí)現(xiàn)低功耗，NB-IoT節(jié)點(diǎn)通常采用多種低功耗模式，其中最常見的是不連續(xù)接收模式（DRX），使設(shè)備在沒有數(shù)據(jù)交換時(shí)保持低功耗狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)的功耗與傳輸模式、信號(hào)強(qiáng)度和通信頻率相關(guān)，還受到工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響。為了精確優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的功耗管理，通常會(huì)采用基于實(shí)際通信狀況的動(dòng)態(tài)功耗控制算法[3-4]。

該算法通過實(shí)時(shí)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨?，調(diào)整功耗參數(shù)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的功耗Pnode在傳輸過程中可以表示為

（3）

式中，Pidle為節(jié)點(diǎn)處于空閑時(shí)的功耗，Ptransmit為節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的功耗，Psleep為節(jié)點(diǎn)在休眠模式下的功耗，Ttransmit和Tsleep分別為傳輸和休眠的時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)功耗控制，需要通過實(shí)時(shí)監(jiān)測信道狀態(tài)與節(jié)點(diǎn)活動(dòng)周期，動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的工作模式。假設(shè)節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的總功耗為Ptotal，則

（4）

式中，T（i）為每個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間，n為周期總數(shù)。通過最小化總功耗，節(jié)點(diǎn)能夠在保持通信質(zhì)量的同時(shí)，顯著降低能源消耗。在該算法的應(yīng)用中，通過實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸頻率與休眠周期，能夠有效地延長節(jié)點(diǎn)的工作壽命，特別是在低信號(hào)環(huán)境下，通過自動(dòng)切換至低功耗狀態(tài)進(jìn)一步優(yōu)化功耗[5-6]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)部署與調(diào)試方法

在基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署與調(diào)試過程中，關(guān)鍵任務(wù)是確保設(shè)備之間的高效通信與穩(wěn)定連接。網(wǎng)絡(luò)部署的第一步是根據(jù)實(shí)際環(huán)境和使用需求進(jìn)行基站位置的合理規(guī)劃，通過對(duì)覆蓋區(qū)域的RF信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)容量、頻段選擇等因素的綜合評(píng)估，確定基站布局，并進(jìn)行頻率資源的合理分配。在調(diào)試過程中，結(jié)合模擬測試和實(shí)地測試，驗(yàn)證各類設(shè)備在不同通信模式下的功耗表現(xiàn)，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率[7-8]。在調(diào)試完成后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，進(jìn)行持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與優(yōu)化，確保設(shè)備在不同環(huán)境下的長期穩(wěn)定性與低功耗運(yùn)行。如表1所示。

通過對(duì)上述表格的分析可以看出，基站信號(hào)強(qiáng)度在優(yōu)化后有所提升，網(wǎng)絡(luò)延遲顯著減少，數(shù)據(jù)傳輸吞吐量提高，而丟包率也得到了有效控制。設(shè)備功耗的優(yōu)化策略確保了在不同負(fù)載下，系統(tǒng)能夠保持低功耗運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了長期穩(wěn)定的性能[9-10]。

3. 技術(shù)應(yīng)用測試

在本實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)的使用方式主要體現(xiàn)在對(duì)NB-IoT通信系統(tǒng)的功能性進(jìn)行多輪測試，通過不同的環(huán)境配置和參數(shù)調(diào)整來全面評(píng)估系統(tǒng)性能。整個(gè)測試共進(jìn)行了三輪，分別針對(duì)不同的環(huán)境條件和測試場景進(jìn)行分析。每一輪測試都按照環(huán)境變量的不同進(jìn)行了分組，分組依據(jù)主要基于信號(hào)強(qiáng)度、終端設(shè)備數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況。具體而言，第一組測試是在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定，設(shè)備數(shù)量較少；第二組測試是在低信號(hào)強(qiáng)度環(huán)境下進(jìn)行，模擬可能的通信衰減和干擾；第三組測試則是在高設(shè)備密度和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的條件下進(jìn)行，以評(píng)估系統(tǒng)在高并發(fā)設(shè)備接入情況下的表現(xiàn)。數(shù)據(jù)分組的目的是全面覆蓋不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用場景的性能表現(xiàn)，確保測試結(jié)果的廣泛性和代表性。

測試指標(biāo)主要包括吞吐量、時(shí)延、功耗、連接成功率等核心性能指標(biāo)。吞吐量指的是設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)完成的數(shù)據(jù)傳輸量，反映了系統(tǒng)在不同負(fù)載下的數(shù)據(jù)處理能力；時(shí)延是指從數(shù)據(jù)發(fā)送到接收的總時(shí)間，代表了數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻憫?yīng)速度；功耗指標(biāo)則用來評(píng)估終端設(shè)備在不同工作模式下的能量消耗，包括待機(jī)功耗和傳輸功耗；連接成功率則指的是在一定時(shí)間內(nèi)成功接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備比例，反映了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。這些測試指標(biāo)有助于全面評(píng)估NB-IoT系統(tǒng)在不同環(huán)境下的性能，判斷其適用性和優(yōu)化方向。測試結(jié)果如表2所示。

根據(jù)測試結(jié)果，可以觀察到隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件的變化，吞吐量、時(shí)延、功耗以及連接成功率都表現(xiàn)出了不同的規(guī)律。在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（組1）下，吞吐量最高，時(shí)延最小，功耗適中，連接成功率也較高，這表明系統(tǒng)在理想環(huán)境下的性能表現(xiàn)最佳。而在低信號(hào)強(qiáng)度環(huán)境下（組2），吞吐量有所下降，時(shí)延和功耗有所增加，連接成功率略有下降，這說明信號(hào)衰減和干擾對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。在高設(shè)備密度和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的環(huán)境下（組3），吞吐量再次下降，時(shí)延和功耗進(jìn)一步上升，連接成功率也有所下降，這表明在高并發(fā)情況下，NB-IoT系統(tǒng)的性能表現(xiàn)較差，可能受到帶寬限制和資源競爭的影響。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，NB-IoT通信系統(tǒng)的性能變化規(guī)律，為優(yōu)化系統(tǒng)的資源調(diào)度、功耗管理及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了依據(jù)。

結(jié)語

本文旨在探討基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，深入分析其架構(gòu)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)層優(yōu)化、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)等方面的技術(shù)細(xì)節(jié)，并提出功耗管理、網(wǎng)絡(luò)部署與調(diào)試等環(huán)節(jié)的優(yōu)化方案。通過對(duì)NB-IoT技術(shù)的深入研究，能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的高效實(shí)現(xiàn)提供理論支撐與技術(shù)參考，推動(dòng)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中的進(jìn)一步普及與應(yīng)用，進(jìn)而促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]周桂珍，葉超，馬越，等.基于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的新型電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信優(yōu)化策略分析[J].電子技術(shù)，2024， 53（10）：58-59.

[2]鄭芬.5G移動(dòng)通信技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].信息記錄材料，2024，25（11）：237-239.

[3]羅靜.基于NB-IoT通信技術(shù)的智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息記錄材料，2022， 23（8）：78-81.

[4]李洋.基于NB-IOT無線通信技術(shù)的智慧城市照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作，2023，31（12）：73-75，109.

[5]李唐.基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的電力系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測研究[J].中國高新科技，2024（20）：12-14.

[6]沈國平，付銳，吳響容，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能全并聯(lián)直流基站疊光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].今日科技，2023（12）：54-56.

[7]李兆非，張華濤，丁雷.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2023，52（12）：96-97.

[8]王柯竣，胡乃瑞，李露.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能體重秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2023，52（11）：18-19.

[9]陳勇，寧磊.基于理論實(shí)踐與項(xiàng)目創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（11）：159-162.

[10]朱政宇，寧夢(mèng)珂，孫鋼燦，等.智能超表面輔助通信感知一體化系統(tǒng)研究綜述[J].移動(dòng)通信，2023，47（11）：51-58.

作者簡介：徐西漢，碩士研究生，助教，973820853@qq.com，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、5G通信；徐承鑫，碩士研究生，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。