NB-IoT在地震救援中的應用前景研究

吳 飛 王博韜 毛晨曦 謝興紅 鐘曉玲

成都理工大學信息科學與技術學院 四川 610059

引言

地震，由于其強大的破壞性已經成為嚴重危害人類生命安全、社會經濟發展的自然災害之一。我國近50%的城市、67%的大城市位于烈度VII度區域內，并且隨著經濟的快速發展，城市特別是大城市人口數量和密度大幅度增加，城市地震災害發生的頻率越來越高，造成的經濟損失和人員的傷亡數都在逐年上升；一旦遭受破壞性地震，損失不可估量。地震中的人員傷亡，絕大部分都是由于房屋倒塌、地面凹陷使得被困人員被掩埋而無法及時得到救治導致的，因此地震后的救援工作對于減少人員傷亡有著重大意義。

目前的地震搜救主要有人工搜索、儀器搜索、犬搜索。其中儀器搜索目前使用的是紅外生命探測和雷達生命探測儀，紅外生命探測儀的原理是利用溫度差來檢測有無人員幸存，但是無法大面積快速地探測，也無法準確定位[1-2]。在2015年提出的物聯網通信技術NBIoT(Narrowband Internet of Things，窄帶物聯網)，具有非常強的覆蓋能力、接入容量巨大和低功耗的特點，有效地克服了大部分傳統地震搜救設備的缺點，而且較低的成本也使得NB-IoT技術在實際投入使用中有較好的應用前景，利用NB-IoT獨有的特點實現在地震中對被困人員的定位也將大大提高對被困人員搜救的效率。

1 NB-IoT的產生背景以及標準化進展

1.1 NB-IoT的產生背景

物聯網通信技術可以從通信的距離上分為兩類，一種是短距離的通信技術，例如Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，這些已經比較廣泛地應用于我們的智能家居行業。另一種就是低功耗廣域網通信技術LPWAN(Low-Power Wide-Area Network)，主要應用于智能抄表以及智能停車等業務。其中LPWAN又分為兩類，一類是需要自行組網、使用頻譜范圍非授權的LPWAN技術，主要為LoRa、Sigfox這兩種技術[3]。而另一類就是可疊加在現有的2G/3G/LTE的蜂窩網絡上的、基于3GPP標準的NB-IoT技術。

近些年來物聯網發展迅速，M2M的發展前景被業內廣泛看好，萬物互聯的概念也逐步深入人心。其中對于物聯網技術的應用可以分為高速率的業務和低速率的業務，據統計低速率業務占據主要地位，而且目前低速率業務還沒有與現有的蜂窩網絡相結合，因此低速率的廣域物聯網通信技術有著非常大的發展空間[3]。NB-IoT正是在這種需求背景下產生的一種全新接入技術。

1.2 NB-IoT的標準化進展

2014年5 月以沃達豐、華為為首的CIoT(Cellular IoT)在3GPP GERAN工作組立項。在2015年5月，CIoT陣營與高通的NB-OFDMA方案融合，最終形成了NBCIOT，2015年9月，NB-CIOT再次和愛立信的NB-LTE方案融合。最終由沃達豐、華為、高通、愛立信組成的工作組，在2015年12月提出了NB-IoT的技術方案[4-5]，在2016年6月獲得3GPP RAN批準，并在2016年巴塞羅那世界移動通信大會(MWC2016)上亮相，如圖1所示。

圖1 3GPP Rel-13中IoT項目關系

NB-IoT的3GPP核心標準部分也在2016年6月凍結，并在同年的9月份完成性能部分的標準制定，最后的標準制定也在2016年12月份完成。

2 NB-IoT的主要特性

3GPP NB-IoT工作項目總體上定義了一種有較大變動的、對于E-UTRAN非后向兼容的物聯網接入新技術，以解決室內信號覆蓋增強、支持巨量低速設備接入、低延時敏感、超低設備成本、低功耗等問題。下面介紹NB-IoT的主要特性。

2.1 部署靈活

根據NB-IoT立項中RP-151621的規定，NB-IoT支持三種部署場景[6]，如圖2所示。

1)單獨部署(Stand-alone)，利用單獨的頻帶與LTE中的頻帶不重疊。

2)保護帶部署(Guard-band)，部署在LTE的保護頻帶之內。

3)帶內部署(In-band)，部署在LTE頻帶之內。

圖2 NB-IoT的三種部署方式

2.2 高容量、高覆蓋率

NB-IoT可以直接部署于2G/3G/LTE網絡中，與現有的射頻天線也可以復用。根據TR45.820的仿真數據，可以確定在獨立部署方式下，NB-IoT的覆蓋能力可達到148dB。對于小流量時延不敏感的情況下，NBIoT單個扇區可以支持5到10萬個終端的接入[7]。

2.3 低成本、低延時敏感

NB-IoT的成本預估可控制在5美金之內或者更少，因此要達到目前移動通信網絡的規模，運營商只需很低的建設成本。在耦合損耗為164dB的環境下，由于大量的數據重傳將導致時延增加，目前3GPP IoT希望允許時延為10s，但實際可以支持更低到6s左右[8]。

2.4 低功耗、可移動性弱

NB-IoT設計最初就是為了適用于移動性不強的應用場景，在NB-IoT REL-13標準中不支持連接狀態的移動性管理，包括相關測量、測量報告、切換等，達到了節省終端設備功耗的目的[9]，同時NB-IoT的設計也可以大大簡化終端設備的復雜度，進一步降低終端設備的功耗，而且由于維持接入的開銷減少和終端工作方式上的低功耗和芯片與模塊工藝上的低電流、低功耗，使得NB-IoT在具體應用中有低功耗優勢，對于戶外應用的位置跟蹤電池可用2～5年。

3 NB-IoT在國內的發展現狀

GSMA的預測顯示，NB-IoT的出現將極大地促進蜂窩物聯網產業的發展，在2020年將有30億物聯網連接承載在運營商網絡上，相比現在有7倍的增長。在NB-IoT方面，我國三大運營商的商用進展和規模已走在世界前列。

由于NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術的潛在應用價值大，因此我國在這方面也制定了相應的技術標準，在3GPP的支持下，已在無線接入網技術規范組會議上順利通過，為該技術的高效利用提供了科學依據。

在國內，三大運營商已經開始搶占NB-IoT的潛在市場，中國移動公司構建了物聯網開放實驗室來發展芯片和模組，并計劃在今年年底構建一張基于NB-IoT的公共物聯網；中國聯通在廣州開通了首個標準化NB-IoT的商用網絡，并積極爭取頻分復用的牌照和頻段的重耕；中國電信也在深圳完成了水務的NB-IoT業務試點。

就中國電信NB-IoT的網絡架構而言，該架構通過重復利用站點的基礎設施，減少了部署的成本，而且基于CloudEdge平臺優化的IoT專用核心網，降低了連接的成本，如圖3所示。在基站的部署方面：NB-IoT與L800共站部署，在現有的L800設備的基礎上開啟了NB-IoT licence，大大降低了基站的建設成本。無線網絡覆蓋性能方面：考慮到室外基站復雜的連片規模組網，需要在密集城市、郊區、農村有著不同的覆蓋能力；室內補盲方面：通過大數據分析綜合考慮室內補盲，采用L800小基站等多種手段綜合評估投資效益最大化。在無線網絡配置能力上功率配置2×5W基本滿足，2×10W可進一步加深覆蓋[10]。

圖3 中國電信NB-IoT的網絡部署架構示意圖

隨著我國社會生產力的不斷提高及科學技術的快速發展，NB-IoT低速率窄帶物聯網技術的水平逐漸提升，相關器件性能得到優化，并且全球蜂窩M2M模塊在智能電表、移動支付等領域廣泛使用，為NB-IoT低速率窄帶物聯網的發展提供了非常好的發展空間，我國也會在經濟快速發展中重視該技術的發展，并進行科學評估，以便增強其適用性。

4 NB-IoT用于地震搜救中的優勢

通過以上分析我們可以知道NB-IoT是可以建立在原有的蜂窩網絡之上的，這就為NB-IoT在地震搜救中的應用提供了條件。一方面隨著智能手機普及率的大大提高，一旦發生地震我們可以通過手機快速定位基本的受災地點；另一方面，建筑物的突然倒塌讓被困人員極大可能與手機同時掩埋在一個有限的空間內，由于倒塌的房屋不容易直接造成手機的破壞而無法接收信號，這就使得利用手機對被困人員的搜救成為了可能。同時采用NB-IoT在地震救援時具有以下的優勢。

4.1 能夠實現較精確的定位

在使用比如利用較高頻段的設備或系統定位時，例如Wi-Fi，由于Wi-Fi的頻段屬于2.4G頻段，對鋼筋混凝土的穿透能力很弱，衰減非常大，即使通過Wi-Fi中繼也不能實現準確的定位。而NB-IoT由于其低延時、低敏感度和優化的網絡架構，以及采用北斗定位模塊，具有精密授時功能，可以向用戶提供20ns～100ns的時間同步精度，具有極高的定位精度。

4.2 可接入的容量巨大、網絡覆蓋能力強

設備系統如果使用非授權的頻段自行組網，這種設備或系統的設計往往比較復雜，不適用于地震搜救的場景。在發生地震時，被困人員的數量往往是非常大的，普通的搜救定位設備往往不能滿足這一數量要求。NBIoT的接入容量大于目前的移動通信網絡，NB-IoT的一個扇區能夠支持10萬個連接，并且其上行傳輸采用3.75kHz子載波，具備更高的功率譜密度。另外還可以通過編碼的方式進一步提高增益。和GPRS相比，NBIoT的覆蓋率可以達到20dB。其覆蓋范圍更廣、更深，并且NB-IoT直接部署于LTE網絡，不占用現有網絡的數據帶寬，保證了傳統業務和物聯網業務同時穩定、可靠地進行。

4.3 成本、功耗低

地震搜救通常是持續多天，而且在環境比較復雜的室外，一般針對手機或者其他媒介等搜救設備的功耗和成本比較高，而智能手機的電池最多堅持1到2天，依靠這些來救援，對救援人員的時間和精力都有極大的限制[10]。如果設備或系統功耗大也不適用于長時間的搜救過程。由于NB-IoT使維持接入的開銷減少，包括空中接口的信令簡化，終端發送位置信息的頻次減少，以及終端工作方式上的低功耗，廠家預期的單個連接模塊的成本不超過5美元，NB-IoT終端模塊的待機時間長達十年，可以非常方便地應用于室外的位置跟蹤以及靜態定位數據的采集與監測。

5 NB-IoT在地震救援中實現定位的方法

將NB-IoT技術應用于地震救援中，就是利用NBIoT實現對被困人員的定位。NB-IoT構建于通信蜂窩網絡，將先于5G其它技術進行大規模應用，本身只消耗大約180kHz的帶寬，成本低，容量大，不占用正常的通信信道，同時NB-IoT基站可以提供全面的室內蜂窩數據連接覆蓋，方便海量智能手機、智能家居、設備標簽等設備接入，為各類終端提供了室內外全天候無縫覆蓋的精準位置服務，如表1所示。

利用NB-IoT基站獲得智能手機或者智能設備的Mac地址和信號強度等數據后，再將獲得的數據通過一定的算法減少輸入數據的誤差，提高準確性，快速準確地獲得被困人員的具體位置。

中興通訊NB-IoT定位團隊已經利用NB-IoT基站，依靠指紋匹配定位算法，采用指紋庫自建立、自學習、自更新的方案，最大限度減少了輸入數據的誤差，保證位置指紋庫數據的精準性。與此同時，通過反復的技術和實踐驗證，不斷優化和改進算法核心，已經將室外NB-IoT宏站系統的定位算法誤差優化到20m～30m，能夠滿足物聯網時代人和物的室外定位基本需求，且有望在未來與諸多定位方法融合，打造更高精度、更低延時、室內外無縫連接的定位系統，這種定位思想也可以應用于地震搜救系統的設計當中，最終實現對被困人員的精確定位，提高地震救援的效率和質量。

表1 傳統智能搜救方案和NB-IoT方案對比

6 NB-IoT實際應用中需要解決的問題

6.1 需要為NB-IoT提供良好的商業模式

基于NB-IoT的物聯網時代，要使與之相關的網絡架構性能及可靠性增強，使不同要素之間能夠保持良好的互聯關系狀態，應在NB-IoT目前的發展前提下，為NB-IoT提供良好的商業模式，才能讓NB-IoT的發展趨勢更加明顯，且讓物聯網的發展水平保持在一個較高的層面，適應當前市場經濟形勢變化，也會為我國信息化產業規模的擴大給予必要的技術支持[11]。長此以往才能豐富物聯網發展中所必要的通信方式，才能確保NBIoT在實踐應用中的良好性。

6.2 保證數據安全與傳輸的可靠性

從功耗的角度來看，NB-IoT的網絡需要比較長的網絡生存周期，然而重傳次數的增加也會降低NB-IoT終端設備的生存周期。而且隨著網絡信息重傳次數的增加，數據信息的安全性和可靠性都會遭到破壞。此外，NB-IoT終端設備的增多也會消耗更多的LTE資源塊。隨著NB-IoT網絡的深入發展，海量的接入設備可能會導致NB-IoT的網絡面臨嚴重的同頻干擾問題，這也會顯著降低NB-IoT網絡信息傳輸的可靠性。

6.3 NB-IoT的演進問題

NB-IoT有可能向寬帶物聯網(WB-IoT)過渡演進。據當前的統計數據分析，IoT網絡中三分之二以上的終端設備都具有低速率屬性。然而隨著社會的不斷發展，IoT網絡終端設備的需求也會發生變化，可能演進為低速率、中速率以及高速率并用的應用場景，這也就導致當前的NB-IoT網絡不能滿足將來IoT設備的異構需求。由于IoT網絡有比較嚴格的功率要求，目前的蜂窩網絡有可能不能滿足IoT未來的發展需要，因此WB-IoT的發展也可能成為未來的方向。

6.4 如何提高網絡資源的利用效率

在NB-IoT窄帶低頻物聯網通信中，要求的傳輸性能比傳統的LTE傳輸性能更高，因此NB-IoT還要解決帶寬條件限制下的網絡傳輸問題和單小區的多數據傳播問題。在R14 NB-IoT標準中，還需要解決多載波輸入的尋呼功能以保證數據資源的優化配置與管理，提高網絡資源的利用效率，來促進NB-IoT技術在將來能夠更廣泛地使用[12]。

7 結束語

隨著物聯網應用的深入發展，無論是智慧城市還是行業物聯網應用，物聯網的通信技術必將成為今后我們不可或缺的技術，各行各業與物聯網的結合也將是未來發展的趨勢。NB-IoT技術與現有的地震搜救的技術相比有著低功耗、低成本、覆蓋面廣、低延時、低頻次的特點，綜合以上的特點，我們知道NB-IoT技術在地震救援中的應用前景廣闊，但是要想讓NB-IoT技術真正廣泛應用，還是需要NB-IoT技術繼續深入發展。就在2017年中國各大運營商陸續將NB-IoT技術投入商用，NB-IoT技術在國內的發展也會逐漸成熟，物聯網技術也會得到更加充分的發展與技術革新。另一方面隨著華為發布SingleRAN Pro解決方案，5G時代即將開啟，屆時更多新型的方案也會投入到智能搜救領域當中。