基于智慧城市建設的NB—IoT應用研究

王明浩++吳韶波

摘 要：城市的快速化發展帶來了交通堵塞、環境污染等一系列嚴峻的挑戰，其中智慧城市作為傳統數字城市進化形成的高級形態，為解決城市發展問題，創造良好的生活環境提供了更好的機遇，將成為城市治理模式創新的重點。智慧城市的發展離不開物聯網。NB-IoT作為即將到來的5G時代的三大標準之一，主要面向物聯網場景，以其容量低、覆蓋廣、成本低和功耗低等優點在智慧城市建設中扮演著重要角色。文中簡要介紹了NB-IoT技術，并詳細探討了其在智慧城市建設過程中的實際應用。

關鍵詞：智慧城市；物聯網技術；NB-IoT；5G

中圖分類號：TP391；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-04

0 引 言

智慧城市是以最新一代物聯網科技為基石打造的高度現代化的城市狀態。在互聯網媒體、AIP、Living Lab等途徑的輔助下，城市將具備無時不有的互聯、無處不在的感知，高度智慧型的應用以及全面協調可持續的創新等特征。其實質是將萬物互聯的思想理念通過現代信息技術在城市建設中予以實現，以期達到對城市的智能化管理，提高城市居民的生活品質，便利人們的日常生活。

物聯網即物與物相連的網絡，以傳統互聯網為框架，將網絡定義延伸至任意物品之間的通信和互聯。從技術手段層面上說，物聯網主要分為網絡層、應用層和感知層。感知層如同人類神經系統中的神經末梢，遍布低功耗傳感器，用于采集原始信息和起到對物體進行認知的作用。網絡層就好比人類的神經元，由四通八達的通信網絡組成，負責對“神經末梢”收集的信息進行傳遞和加工。應用層為用戶和物聯網之間搭建了一個橋梁，通過對市場需求的精確分析，為用戶提供智能化的應用。

物聯網技術是實現城市信息化、智能化的必要工具和手段，而智慧城市也是物聯網行業發展的重要目標之一。二者相輔相成，相互促進。

1 NB-IoT技術

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）即基于蜂窩的窄帶物聯網，作為傳統蜂窩網絡的升級，它可由電信運營商直接部署在傳統LTE網絡上，升級較為方便且只占用大約180 kHz的頻帶。即將到來的5G時代要求我們實現高可靠低時延的數據通信、移動寬帶的極大增強和萬物之間的信息互聯，而萬物互聯網的一個重點發展方向便是NB-IoT。

NB-IoT的誕生是為了迎合現階段物聯網部署對支持大系統容量大規模連接的強烈需求，它要求我們在盡可能降低信令開銷的同時，保證低成本低功耗設備在廣域網中實現高質量的蜂窩互聯。

物聯網組網技術分為有線和無線兩種類型，基于蜂窩網絡的NB-IoT屬于低功耗廣域網，即無線組網中的長距離無線通信技術。

NB-IoT上行鏈路采用了具有單載波特性的SC-FDMA多址方式，使用BPSK或QPSK進行調制。為了使NB-IoT終端功耗盡可能降低以延長設備待機時間，上行鏈路引入了單頻傳輸模式，單頻傳輸模式共占用48個子載波，除了原來LTE網絡中規范的15 kHz子載波間隔，還重新加入了3.75 kHz的子載波間隔以求達到更大的系統容量。上行鏈路傳輸理論速率約在160～200 kb/s之間。與單頻模式對應的多頻模式子載波間隔為15 kHz，傳輸速率在160～250 kb/s之間。相比而言，多頻方式能達到更高的峰值速率，而單頻方式能有效降低終端功耗，實現更大的容量和更廣的覆蓋。

NB-IoT下行鏈路為了盡可能與現有LTE下行鏈路保持一致以便平滑升級，采用了間隔為15 kHz的OFDMA子載波，調制方式為QPSK，傳輸速率在160～250 kb/s間，最多有AP0和AP1兩個天線端口可以支持。

NB-IoT和傳統網絡相比具有更低的設備功耗、更廣的信號覆蓋、更低的硬件成本、更大的系統容量。

1.1 大容量

隨著物聯網設備數量的不斷增多，現有的TD-LTE和FDD-LTE網絡顯然無法繼續承擔連接這些設備的艱巨任務，網絡容量的增加刻不容緩。NB-IoT技術的引進使得網絡容量比現有的蜂窩網絡容量理論上增加了50～100倍，而將近十萬個設備可以在NB-IoT的一個基站覆蓋下使用。

1.2 廣覆蓋

NB-IoT室內覆蓋能力極強，測試結果顯示，NB-IoT在采用獨立部署模式的情況下，能達到約160 dB的覆蓋強度。在180 kHz傳輸帶寬下比傳統網絡增強了100倍的覆蓋能力，與WiFi等現有短距離傳輸技術相比更具有十分突出的優勢。可對廣大農村地區，工廠廠房，水庫河流，下水道等地域偏遠、信號不易覆蓋的地方進行深度覆蓋。

1.3 低功耗

NB-IoT設備功耗極低，由于網絡的覆蓋能力強，上行鏈路又加入了單頻模式，其極限發送功率比GPRS極限發送功率降低了約90%。同時芯片模塊在制造工藝的發展下進一步優化升級，實現了低功耗低電流運作，進一步延長了設備的待機時間，使位于高山荒漠等偏遠地區的傳感器設備在惡劣的自然環境下也能擁有數年之久的續航。

1.4 低成本

NB-IoT由于不僅具有速率低，功耗低，信令簡化等特點，其硬件成本也比傳統通信模塊低廉，芯片價格預計均為五美元，目前市場上3G通信模塊均為十幾美元，4G通信模塊則需二十多美元，因此低成本的NB-IoT設備將在市場上更具有價格競爭力。

2 NB-IoT網絡架構

NB-IoT網絡由NB-IoT終端，NB-IoT基站，NB-IoT核心網，NB-IoT云平臺和垂直行業中心組成，其網絡結構如圖1所示。

圖1 NB-IoT網絡結構

（1）NB-IoT終端

NB-IoT終端主要由各種物聯網通信設備組成，包含各種傳感器和嵌入式芯片，可以方便快捷地接入NB-IoT網絡中為用戶服務。

（2）NB-IoT基站

NB-IoT基站支持獨立部署、保護帶部署、帶內部署三種部署方式。獨立部署即NB-IoT網絡利用與LTE頻帶不相重疊的獨立頻帶進行部署，可以利用帶寬為200 kHz的GSM頻段進行NB-IoT網絡部署。保護帶部署指使用目前還沒有被開發的LTE網絡邊緣頻段中的180 kHz帶寬來部署網絡。帶內部署即直接使用LTE頻帶中的任意資源塊對網絡進行部署。基站的建設要充分考慮區域特點，在降低建設成本的同時提高資源利用率。

（3）NB-IoT 核心網

NB-IoT核心網負責NB-IoT基站和云之間的連接，它在移動性和安全性等方面的表現要大大優于傳統網絡，并且能夠高效進行流量調度和擁塞控制。

（4）NB-IoT 云平臺

NB-IoT云平臺負責對各種業務進行處理和調度，比如應用層協議棧的適配及對大數據的分析等。處理后的信息將會被傳遞給NB-IoT終端設備或垂直行業中心。

（5）垂直行業中心

垂直行業中心可對NB-IoT終端進行控制并監測業務數據。

3 基于NB-IoT的智慧城市應用

NB-IoT技術的業務適用范圍主要包括設備待機時間較久，信號覆蓋領域較廣，對時延敏感程度較弱，系統容量較大的低速率應用，相對而言更加適合靜態環境業務或需要實時傳輸數據的業務場景。

GSM聯盟識別了共7大類24小類的低功耗廣域網應用類型。

3.1 城市基礎設施

城市基礎設施包括智慧停車場、智能垃圾桶、智能公交車站、智能路燈管控等。以智慧停車系統為例，作為智慧城市的重要基石，智慧停車場雖然十分基礎但卻不可或缺。我國汽車制造業的蒸蒸日上與汽車市場的一片紅火密不可分。快速增長的汽車數量與有限的停車資源之間的矛盾愈演愈烈，停車難、停車貴成為了困擾萬千車主的心病。在不久的將來，智慧停車系統必然遍布大街小巷。

傳統智慧停車場可借助停車場安裝的智能感應裝置，與進入停車場的用戶智能手機進行數據通訊，用戶通過手機App將請求參數發送至停車場管理后臺，由后臺管理系統進行實時調度，將車位信息和導航信息傳回用戶手機，同時對停車場內所有行駛車輛進行跟蹤定位，合理疏導車流，以防發生事故。

由于停車場多處于商場負一層，網絡信號覆蓋較差，對于車主而言，需要實時接收到后臺系統的導航信息以保證行車安全，因此傳統網絡可能無法滿足用戶需求。

NB-IoT的一個突出優勢就是比傳統LTE網絡覆蓋深度更深，基于NB-IoT技術的智慧停車系統通過對現有蜂窩網絡進行優化升級，無需重新部署，其信號覆蓋強度是GPRS網絡的100倍，是現有LTE網絡的10倍，接入能力更大大強于其他技術，即使在地下車庫也可以使車主實時不間斷地接收后臺信息。

車檢器采用NB-IoT硬件設備，具有超強的抗干擾能力，同時大大降低了設備成本，NB-IoT設備功耗較低，壽命長達數年之久。電池電量如果低于閾值，便會由數據中心及時發出預警，維修人員快速進行電池更換，平均一人僅半天就可更換100個電池。

3.2 工業物聯網應用

工業物聯網應用包括煤炭與石油的開采監控、設備的工作狀態監控、工廠作業安全監控等。城市的建設離不開工業的發展，而工業廠房的信息互聯既是安全作業的必然要求也是城市信息化的重要體現。工業互聯網是集高級分析，精確計算和傳感技術于一體的特殊互聯網。眾多密切關聯的工業系統之間需要時刻保持通訊，并對數據的收集和轉發進行統一管理。為了刺激工人的積極性以保證工廠的生產效率，需要對工廠進行實時監控，因此工業物聯網對網絡的可靠性有很高的要求。

目前以西門子為典型的工業控制系統均使用有線網絡，工廠會逐步在生產線上嘗試使用無線連接技術以優化制造流程，可是目前像WiFi這樣的無線連接技術的可靠性較低，存在嚴重的安全隱患。

NB-IoT的誕生為工業互聯網應用帶來了強有力的技術支持。由于NB-IoT網絡是由原LTE網絡升級而來，因此保留了4G網絡的安全性能。為保證使用者數據的安全，NB-IoT網絡還支持空口嚴格加密和雙向鑒權技術。基于NB-IoT窄帶集群的無線工廠解決方案使用了操作簡單易于管理的先進工業級設計，廠房內各類業務的不同需求都能得到完美的技術支持，以達到工業園區的智能互聯，機器運轉的安全監控及工人工作的效率監督。NB-IoT網絡可以為各類型的企業建立持續性強、可靠性高、安全性好、實時通訊的無線通信網絡，為工廠信息化打下堅實的基礎。

3.3 醫療行業的應用

醫療行業的應用包括智能穿戴設備、智能血壓計、智慧醫院、智能臨床監控等。在可以預見的未來，醫療行業也將成為物聯網技術大放異彩的舞臺。人工智能將把醫療服務業推上一個新高度。

醫療行業以智能血壓計為例，智能終端將測量數據通過無線網絡自動上傳至數據中心進行整理和分析，同時生成便于老人讀懂的健康分析和圖表報告并給出相關建議，分析結果被發送至用戶的手機App，使用戶可在任何時間任何地點獲取自己及家人的身體健康狀況。

傳統智能血壓計基于GPRS網絡進行數據傳輸，在許多信號覆蓋不好的地方，用戶數據不易發送至云端，嚴重影響用戶的使用體驗。

NB-IoT技術具有硬件價格低廉，功耗低的優勢，且其室內覆蓋性極好，遠遠強于GPRS網絡，能夠提供電信級的可靠接入。使用了NB-IoT技術的智能血壓計具有極強的抗干擾能力，即使在惡劣環境下也能及時將用戶的健康信息上傳。

3.4 城市公共事業

城市公共事業包括智能水表、氣表、電表等。在智能電、水、氣表等領域相關的公司和部門要求在延遲較低的情況下進行高頻次、高速率的通信。供電公司和供水公司等需要計算用戶的使用量并計費，同時對用戶線網進行實時監控以便發現安全問題，如漏水、漏電、漏氣可以及時應對處理。

以智能氣表系統為例，該系統由數據中心、數據采集器和戶機終端組成。數據中心負責對采集到的數據進行保存和分析，同時將分析結果返回給用戶。

數據采集器用于對用戶信息進行實時采樣、故障判斷，并將采集到的數據傳遞給數據中心。數據采集器與戶機終端之間采用多芯電纜完成消息傳輸。戶機有直讀遠傳戶表和燃氣泄漏報警器等。直讀遠傳戶表可將用戶使用量等數據直接反饋給用戶，當系統檢測到室內可燃氣體濃度超標時，報警器會鳴笛示警，閥門自動關閉，系統生成錯誤報告在屏幕上顯示。

由于這些智能氣表由電源供電，所以并沒有超低功耗和長電池使用壽命的需求，但傳統網絡的可靠性和容量則遠遠遜色于NB-IoT網絡。對于小區里的一幢公寓樓來說，少則有上百個智能氣表需要接入網絡，而隨著智能家居的普及，越來越多的設備都將接入網絡，傳統網絡資源將越發吃緊，為了服務更多用戶，NB-IoT網絡無疑是更好的選擇。另外從智能表需要進行高速傳輸和頻繁通信這兩個角度來說，NB-IoT也更加符合智能表的需求。

3.5 后勤保障

后勤保障包括智慧物流追蹤、智慧物流車輛調度等。伴隨著工業4.0發展理念的形成和“互聯網+”的新常態經濟模式的提出，我國現代化物流服務體系也在逐漸健全，低功耗傳感器等各種技術應用如雨后春筍般出現，智能化物流產業逐步取代了古老的物流模式。物流企業可以根據定位需要在運輸車、物流分揀站、物流倉庫安裝低功耗傳感器，將收集到的信息數據匯集成一個全新的物流信息云，形成連接人、貨、車及數據管理中心的全過程可視化物聯網追蹤體系。

由于智慧物流系統的數據采集和跟蹤大約只需100 Kb傳輸量，因此更適宜采用數據傳輸量較小的NB-IoT技術。基于NB-IoT技術的傳感器結構簡單，安裝便利，無需布線就可接入網絡。NB-IoT與GPS技術相結合，能夠實現精度小于10m的定位，并且能夠在物流運送周期內進行實時監控。由于NB-IoT網絡由電信運營商經營，無需集中器或網關，對于廠商和業主來說，僅關心自己的核心業務即可，無需關心網絡維護，用戶可以更加靈活地獲取自己想要的數據。

3.6 智慧建筑

智慧建筑包括報警系統、采暖通風與空調系統等。建筑的智能化要求我們在建筑中加入溫濕度、安全、有害氣體等傳感器并定時將監測到的數據上傳，用戶可使用手機App遙控建筑內的各項環境參數使其達到適宜人居住的范圍。

以智慧建筑中的智慧空調系統為例，空調應當包含溫度控制，濕度控制，氣流速度控制，空氣潔凈度控制等幾個主要功能。對于居民住宅，空調系統需要時刻保持房間內的空氣濕度、環境溫度在一個合適的范圍內變化，而對于養殖場、農場等特殊場所，由于生產需要，必須讓環境內的各項參數按照一定的函數規律變化以增加產量，因此要支持人工設置變化函數的功能。

空調作為南方家庭夏天消暑降溫的必備電器，其價格的高低是決定其能否進入普通百姓家庭的關鍵因素，如果一臺智能空調的價格高達數萬元，那么就失去了普及和便民的意義。現如今，市場上的普通空調動輒要四五千元，更不必說加入了3G、4G模塊和各種傳感器的智能化空調了。NB-IoT芯片價格低于2G主芯片，在大規模使用情況下，單塊成本可降至1美元，其模塊價格也僅需2美元，遠遠低于GPRS和3G、4G模塊。運營商維護成本較傳統網絡低許多，且政府會出臺相關政策提供一定的補貼，大大降低了智能空調的市場價格。

3.7 環境監控

環境監控包括污染、噪音、雨、風、河流流速、健康危害、數據搜集與實時監控等。我國幅員遼闊、河流、湖泊、地下水分布廣泛，需要對工業用水，農業用水以及飲用水等水質進行監控，且檢測標準不一，具有監測點多，監測面廣，監測量大等特點。

以水庫的水質檢測系統為例，水庫作為城市飲用水的大水缸，其水質關系著千萬群眾的身體健康。傳統的水質監測系統通過在水庫中投放很多嵌入水質監測傳感器的浮標來獲取該片水域的水質參數數據，并通過GPRS將數據傳回數據中心以供分析，以便及時監測水庫的水質情況。

分布于水庫中的傳感器數量多，分布面積廣，且水庫常常遠離居民區，運營商不可能大面積布網，信號的強度和覆蓋也是問題。

NB-IoT硬件的超低功耗和超長待機可以滿足傳感器在河流湖泊中長達數年的使用。NB-IoT創造性地引入了PSM （Power Saving Mode，PSM）模式，雖然終端設備依舊注冊在線，但信令卻不可達，從而使設備較長時間停留在一個深度睡眠的狀態以達到節省功耗的目的。同時NB-IoT在野外的超強覆蓋能力也決定了它是水庫水質監測系統的不二選擇。

4 結 語

隨著城市信息基礎設施建設的日漸成熟，人們對城市智慧化的需求也越來越迫切。對物聯網這一智慧城市的關鍵技術的研究更是箭在弦上。NB-IoT將改變物聯網M2M行業標準不統一的現狀，刺激物聯網產業迎來爆炸式發展。可以預見，在不久的將來，NB-IoT在智慧城市建設中扮演的作用會越來越重要，并就此開啟萬物互聯的新領域、新時代。

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