NB-IoT技術與物聯網產品的應用特性*

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(蘇州工業園區服務外包職業學院 人工智能學院，蘇州 215000)

引 言

2016年在西班牙巴塞羅那舉行的世界移動通信大會(MWC2016)上，物聯網通信的新技術——NB-IoT(Narrowband Internet of Things，窄帶物聯網)頗受關注，成為會議的一大亮點[1]。本文通過兩個實際產品應用系統的對比分析，引出了NB-IoT的應用價值。在介紹NB-IoT窄帶物聯網概念的基礎上，對比了傳統局域物聯網應用架構和廣域NB-IoT窄帶物聯網應用架構的區別，給出了NB-IoT窄帶物聯網的具體特點及其優勢所在。

1 基于GPRS和ZigBee的智能路燈監控系統

1.1 智能路燈監控系統概述

傳統的路燈照明系統是由路燈管理人員手動控制，人工巡檢，無法實現遠程監控，工作效率低下，不能及時排查路燈相關故障，并且無法根據實際路況、人流情況來有效控制路燈照明，不符合國家提出的節能減排要求[2]。基于GPRS和ZigBee的智能路燈監控系統可以精確監控每盞燈具，實時監測燈具的相關狀態數據，并且反饋相關故障信息給指定的管理人員，有利于路燈故障及時排查，保證道路安全。系統可根據預設控制方案，依據經緯度、時間、光照、人流等實際路況來實時調整路燈的開關、亮度，在充分保證照明的前提下實現節能減排目標，從而產生直接的經濟效益。同時智能路燈監控系統可自動進行故障統計、能耗統計、亮度率統計等大數據統計分析，極大地提高了路燈管理工作的信息化、智能化。

1.2 智能路燈監控系統架構

該智能路燈監控系統基于GPRS和ZigBee通信網絡實現，系統總體架構如圖1所示，主要由燈控終端、ZigBee網關、服務器和用戶終端4部分組成。

圖1 基于GPRS和ZigBee的智能路燈控制系統架構

燈控終端一般有兩種形式存放：嵌入在燈具內部和安裝在路燈桿內。燈控終端負責燈具的開關控制、功率調節、燈具電流、電壓、溫度等相關狀態參數的監測。燈控終端無線通信上行為ZigBee網絡的終端節點，多個燈控終端和一個ZigBee網關組成一個ZigBee網絡，燈控終端接收ZigBee網關的下行控制命令，實現對燈具的控制，同時燈控終端通過ZigBee網絡將燈具狀態數據上行發送給ZigBee網關，實現對燈具的狀態監測。

ZigBee網關主要負責ZigBee網絡和GPRS網絡數據的橋接轉發功能，同時還需要ZigBee網絡的組網控制，為ZigBee網絡的中心節點，將所在網絡下的所有燈控終端數據匯集后通過GPRS網絡發送給服務器。另外ZigBee網關本地還需要保存路燈相關的監控策略等信息。

服務器即云端服務器，負責與所有ZigBee網關數據交互，接收到ZigBee網關數據處理后存儲到本地數據庫中，供客戶端查詢，同時服務器接收客戶端相應的控制命令并下發給ZigBee網關，實現對燈具的實時監控。另外云端服務器上還需要運行整個監控系統的監控策略，如時控策略、光控策略、亮燈率監測、故障率監測等。

用戶終端即為用戶最終的呈現方式，目前主要有基于PC的客戶端、瀏覽器和基于手機平板的APP、微信小程序等方式，另外也可以有專用的用戶終端設備。用戶終端主要用于展現監控系統相關數據，同時支持向ZigBee網關、燈控終端發送相應的監控命令。

2 水質監測系統

2.1 水質監測系統概述

水質監測是監視和測定水體中污染物的種類、各類污染物的濃度及變化趨勢，評價水質狀況的過程。監測范圍十分廣泛，包括未被污染和已受污染的天然水(江、河、湖、海和地下水)及各種各樣的工業排水等。

傳統的水質監測方法為人工監測，工作人員定期或不定期到監測點進行水質采樣，然后在實驗室對水樣進行化驗分析，從而獲得水質的各種參數。該方法不僅費時費力，而且容易出現計算錯誤、采樣不均等問題，且實時性差、勞動強度大、效率低、檢測周期長、成本高、監測范圍小，無法實現在線、實時、連續自動監測[3]。

2.2 基于GPRS和ZigBee的水質監測系統架構

目前現有的水質監測系統多采用與上述智能路燈監控系統相同的架構，如圖1所示。不同的是ZigBee網絡不再是對路燈的監控，而是對水質傳感器的監測，即系統終端需要做相應的變化，這里就不再贅述。

2.3 基于GPRS和ZigBee的水質監測系統的缺點

水質監測系統的終端設備并不像路燈設備那么密集，在幾百米甚至幾公里范圍內只需要一個監測點即可，因而ZigBee網關所組成的ZigBee網絡下一般只有一個監測終端，無法像智能路燈系統那樣實現一個ZigBee網關對幾百個燈控終端組網。因此水質監測終端和ZigBee網關的成本極大提高，無法得到控制。

ZigBee網關下通常只有一個水質監測終端，因而一般將ZigBee網關功能直接放入水質監測終端中實現，該水質監測終端同時包含相關水質監測傳感器、ZigBee網絡模塊和GPRS網絡模塊，GPRS網絡模塊的功耗較大。而水質監測終端基本都是布置于戶外監測水點，因為只能采用電池供電方案，所以采用基于GPRS和ZigBee的水質監測終端無法滿足電池供電低功耗的需求。

基于GPRS和ZigBee的水質監測系統在網絡通信上為二級網絡架構，既需要走運營商的一級網絡，還需要走ZigBee二級局域網絡，網絡架構較復雜，從而導致數據傳輸時延大、效率低等缺點。

3 基于NB-IoT技術的水質監測系統

3.1 系統架構

基于NB-IoT窄帶物聯網通信技術的水質監測系統的總體架構如圖2所示。本系統主要由監測終端、服務器和用戶終端三部分組成。

圖2 基于NB-IoT技術的水質監測系統架構

監測終端與相應的水質監測傳感器通信，采集相應的水質參數，再通過NB-IoT網絡將采集數據直接發送給云端服務器，同時也接收來自云端服務器的相關監控命令。服務器和用戶終端與路燈監控系統中的服務器和用戶終端功能相同，主要負責云端服務器數據收發存儲和水質數據的用戶展示。

3.2 兩種監控系統架構的區別

通過圖1和圖2系統架構對比，不難發現這兩種系統架構最大的區別主要有以下幾方面：

① 網絡層級不同。基于NB-IoT的水質監測系統網絡通信是一級網絡，每個監測終端直接和云端服務器通信。基于ZigBee和GPRS的路燈監控系統采用的是二級網絡，燈控終端并非直接和云端服務器通信，均需要經由ZigBee網關來路由轉發。因而，基于NB-IoT的一級網絡要簡單得多，且網絡傳輸時延小、效率高。

② 網關路由不同。基于ZigBee和GPRS的路燈監控系統，燈控終端和云端服務器間數據傳輸必須經由ZigBee網關路由。而基于NB-IoT一級網絡的水質監測系統，則不再需要網關路由，進一步提高了網絡傳輸效率，降低了網關路由成本。

③ 網絡類型不同。這也是兩個系統最大的區別，NB-IoT和GPRS同屬于廣域通信網絡，但兩者有很大的區別。燈控終端采用的ZigBee網絡，ZigBee與NB-IoT的網絡區別就更大了，ZigBee屬于短距離通信局域網，NB-IoT屬于廣域通信網絡。

通過以上兩種不同系統的應用引入了NB-IoT窄帶物聯網的應用特性，下面就具體介紹NB-IoT網絡。

4 NB-IoT窄帶物聯網

4.1 NB-IoT窄帶物聯網概述

在NB-IoT窄帶物聯網出現之前，物聯網無線通信技術主要有以下三類：

① 低功耗短距離無線通信技術，包括Bluetooth、WiFi、ZigBee等。這類技術的通信距離一般為10～1 000 m。一般情況下，采用該類通信技術的物聯網應用需要相應的網關來管理其局域網下的各類終端設備。網關再通過蜂窩網接入以太網，以實現與云端服務器的數據通信。

② 非授權低功耗廣域通信技術(Low Power Wide Area，LPWA)，一般為私有技術方案采用非授權頻譜，如868 MHz、2.4 GHz的公共頻譜，或Sigfox的UNB(Ultra Narrow Band)技術和Semtech的LoRa(Long Range)技術，該類網絡覆蓋范圍為1～100 km。

③ 授權頻譜的廣域網通信技術，包括海量機器類通信(Enhanced machine-Type Communications，EMTC)技術、擴展覆蓋GSM技術(Extended Coverage-GSM，EC-FSM)等，該類網絡覆蓋范圍為1～100 km。

其中，第三類技術產業發展要晚于前兩類，但競爭優勢明顯，網絡部署成本低、覆蓋范圍廣。NB-IoT窄帶物聯網技術則是在第三類技術基礎之上發展而來的。在這個背景下，第3代合作伙伴計劃(3GPP)于2015年9月正式確定窄帶物聯網(NB-IoT)標準立項，全球超過50家公司積極參與，標準協議核心部分在2016年6月宣告完成，并正式發布基于3GPP LTE R13版本的第1套NB-IoT標準體系。隨著NB-IoT標準的發布，NB-IoT系統技術和生態鏈將逐步成熟[4]。

4.2 NB-IoT窄帶物聯網特點

NB-IoT窄帶物聯網技術主要有大連接、廣覆蓋、低成本、低功耗、深穿透5個基本特點。

① 大連接：同一基站下，NB-IoT窄帶物聯網可以比現有廣域無線通信技術提供50～100倍的接入量，一個扇區可以支持高達10萬個連接[5]。

② 廣覆蓋：通過重傳、低階編碼等技術實現信道覆蓋增強20 dB[6]，對廣覆蓋需求的區域提供可靠的無線通信服務。

③ 低成本：首先，NB-IoT窄帶物聯網可直接部署于已有的商用蜂窩網絡，與現有的2G、3G、4G網絡共用基站，因而極大降低了網絡部署成本；其次，流量費低，NB-IoT主要應用于輕數據量應用場合，流量費低是NB-IoT主要優勢之一。

④ 低功耗：使用NB-IoT的輕數據量應用場景，數據通信間隔一般可達到幾十分鐘甚至數月，因而NB-IoT通信模組在不通信的時間內將其網絡連接態轉換為睡眠態，在睡眠狀態下關閉射頻以達到省電的目的，電池供電的NB-IoT設備待機時間可達到10年甚至更久，靜態功耗目標可達μA級[7]。

⑤ 深穿透：由于NB-IoT技術所在頻譜的室內穿透能力強，因而特別適用于一些現有通信無法穿透或者信號較差的場合(如廠區、地下車庫等)。

4.3 低功耗廣域覆蓋技術對比

NB-IoT技術是低功耗廣域覆蓋技術(Low Power Wide Area,LPWA)的一種，LPWA技術還包括SigFox、LoRa和eMTC等，其中SigFox和LoRa工作在非授權頻譜，而NB-IoT和eMTC工作在授權頻譜[8]。表1列舉了上述4種LPWA的技術對比，從表中可知，在授權頻譜工作的NB-IoT技術的覆蓋能力最強且功耗更低，可以說NB-IoT技術是輕數據、海量連接、廣覆蓋、低成本廣域無線通信的最佳選擇。

4.4 NB-IoT窄帶物聯網應用場景

由于NB-IoT的技術特性，其主要面向輕數據、低功耗、深覆蓋、大容量及低速率的應用業務，同時由于對于移動性支持較差，更適用于對實時性要求不高、靜態或非連續移動的應用場景，NB-IoT典型的應用場景如表2所列。在表中，上行數據指NB-IoT終端通過NB-IoT網絡向云端服務器傳送的數據信息。下行數據指云端服務器通過NB-IoT網絡向NB-IoT終端傳送數據信息。

表1 LPWA技術多維對標

表2 NB-IoT窄帶物聯網典型應用場景

結 語