基于PON與NB-IoT技術(shù)在智慧城市的應(yīng)用

徐秦成 李曉坤 陳虹旭 孫怡然 林藝 李菲

摘要：當(dāng)前國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)增，服務(wù)體系也隨之完善，在近年，智慧城市（smart city）概念成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，與之相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)也成為研究人員的重點(diǎn)研究方向。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的概念在2015年7月正式提出，作為一種在全球范圍內(nèi)逐漸興起的技術(shù)成果，該項(xiàng)技術(shù)在智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧醫(yī)療等方面的應(yīng)用逐漸推廣開(kāi)來(lái)。PON技術(shù)作為一種成本相對(duì)較低，純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，資源占用少的傳輸方式，消除了有源設(shè)備，僅需通過(guò)OLT即可進(jìn)行信號(hào)處理。由于其造價(jià)低、架設(shè)便捷、維護(hù)方便等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商也將該項(xiàng)技術(shù)列入重點(diǎn)關(guān)注的方向。如在智慧城市的城市監(jiān)控體系，傳統(tǒng)的MSTP存在著價(jià)格高昂，接人繁瑣復(fù)雜的問(wèn)題，而采用PON卻能有效地改變?cè)擃悹顩r，未來(lái)可將NB-IoT、PON技術(shù)廣泛推廣于智慧城市的建設(shè)，使城市的管理水平、居民的生活方式有效改善。本文對(duì)NB-IoT及PON技術(shù)的傳輸方法及其協(xié)議進(jìn)行闡述并計(jì)算，介紹了國(guó)內(nèi)外智慧城市最前沿的應(yīng)用體系，對(duì)智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)體系中采集到的數(shù)據(jù)依據(jù)K-Means聚類算法分類，可通過(guò)圖形化方式區(qū)分不同類型傳感器。

關(guān)鍵詞：智慧城市;窄帶物聯(lián)網(wǎng);無(wú)源光網(wǎng)絡(luò);傳感器分類;K-Means聚類算法

0 引言

當(dāng)今時(shí)代是信息化時(shí)代，而信息的傳輸方式則是通過(guò)ICT。通信技術(shù)中有一種適用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆绞揭籐PWAN，其中涉及的多項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)今仍被應(yīng)用，如CDMA、wCDMA、衛(wèi)星通信技術(shù)以及目前多數(shù)運(yùn)營(yíng)商的核心產(chǎn)品LTE-Advanced等。可以得知，當(dāng)投人人力和社會(huì)資源于傳統(tǒng)和現(xiàn)代的通信基礎(chǔ)設(shè)施。并通過(guò)該類基礎(chǔ)設(shè)施推動(dòng)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和高質(zhì)量的生活時(shí)，那么一個(gè)城市便可以被稱為“智慧”。因此，智慧城市也被定義為利用集體智慧連接物理基礎(chǔ)設(shè)施、ICT基礎(chǔ)設(shè)施及商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的城市。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一個(gè)有著廣泛發(fā)展前景的研究和創(chuàng)新流程，其通過(guò)便捷有效的通信方式將物理世界和虛擬世界連接起來(lái)，為社會(huì)和城市服務(wù)創(chuàng)造了大量的機(jī)會(huì)。將電子裝置分布在房屋、車輛、街道、建筑物和公共環(huán)境中以收集數(shù)據(jù)為人們的生活提供便捷。城市物聯(lián)網(wǎng)是為支持智慧城市視覺(jué)而設(shè)計(jì)的，其利用最先進(jìn)的技術(shù)為城市及其居民的管理提供增值服務(wù)。本文將探討NB-IoT、PON技術(shù)的使用環(huán)境及其性能，以及在智慧城市中的價(jià)值和應(yīng)用方式。其中涉及了智慧醫(yī)療、環(huán)境輔助生活、監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境管理、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域。

1 NB-IoT和PON的概述

1.1 NB-IoT概念

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，當(dāng)今全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到了新的產(chǎn)業(yè)頂點(diǎn)，各類運(yùn)營(yíng)商及企業(yè)也都加大了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的投資。智慧城市作為提高生活水平、高效解決問(wèn)題的有效途徑，發(fā)展前景極為廣闊。因此，隨之而來(lái)的各類傳輸技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。NB-oT可視作融合NB-CIoT、NB-LTE的結(jié)果，作為低功率廣域網(wǎng)（LPWAN）無(wú)線電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，其被開(kāi)發(fā)用于能夠使用蜂窩電信頻帶連接各種設(shè)備和服務(wù)。可以說(shuō)NB-IoT是為物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計(jì)的無(wú)線電技術(shù)，其可以作為專用載波，獨(dú)立地部署在三種不同的操作模式中。

在獨(dú)立部署中，NB-IoT占用一個(gè)GSM信道（200kHz），而對(duì)于帶內(nèi)和保護(hù)頻帶部署，使用一個(gè)LTE（180kHz）的物理資源塊（PRB）。由于NB-IoT采用基于現(xiàn)有LTE功能的設(shè)計(jì)，可以重用相同的硬件并且無(wú)需共存問(wèn)題即可共享頻譜。此外，NB-IoT可以簡(jiǎn)單地插入LTE核心網(wǎng)絡(luò)，因而允許所有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。如支持身份驗(yàn)證、安全性、策略、跟蹤和計(jì)費(fèi)等。基于以上技術(shù)優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)受到了世界上多個(gè)國(guó)家的支持和推廣，使其成為了最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一，未來(lái)的發(fā)展前景十分廣闊。

1.2 PON概念

PON是一種能夠?yàn)橛脩籼峁┕饫w網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)。該技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)由以下四部分構(gòu)成：光線路終端（OLT）、光分配網(wǎng)（ODN）、光網(wǎng)絡(luò)單元及光網(wǎng)絡(luò)終端。光分配網(wǎng)的主要組成部分即為光纖和無(wú)源分光器。對(duì)比傳統(tǒng)的有源傳輸網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了電源的困擾和支出，也是其鋪設(shè)簡(jiǎn)單且維護(hù)費(fèi)用低的原因之一。無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)是純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性極強(qiáng)，可避免雷電及磁場(chǎng)對(duì)線路信號(hào)的干擾，且能夠提供極高的帶寬，滿足用戶對(duì)于速率的需求。該技術(shù)的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的服務(wù)，能夠以扇型結(jié)構(gòu)對(duì)大量用戶提供網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了投資方的資金消耗。同時(shí)，用戶還可共享局端設(shè)備和光纖，利于共享資源，因此也受到了各類電信運(yùn)營(yíng)商的青睞。

當(dāng)前，市場(chǎng)受眾最廣的兩種PON網(wǎng)絡(luò)分別是GPON和EPON。GPON（GigabitPON）基于ITUG。984協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，源于對(duì)APON技術(shù)的升級(jí)。在下行帶寬上可達(dá)2.5Gbit/s，對(duì)整體業(yè)務(wù)支持則是通過(guò)通用的幀格式實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)相對(duì)EPON來(lái)說(shuō)相對(duì)復(fù)雜。EPON（EthernetoverPON）基于IEEE802.3ah協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在上下行帶寬上皆可達(dá)到1.25Gbit/s。在業(yè)務(wù)上通過(guò)以太網(wǎng)的報(bào)文方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)簡(jiǎn)單高效的方式達(dá)到了傳輸目標(biāo)。目前基于PON的研發(fā)方向主要分為以下幾類，分別為XG-PON、TWDM-PON、WDM-PON，本文針對(duì)下一代無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了如下比對(duì)分析，見(jiàn)表1.

PON技術(shù)隨著時(shí)代發(fā)展及智慧城市的逐漸普及。城市規(guī)劃者也發(fā)現(xiàn)了PON在智慧城市中普及的重要性。尤其是在智慧樓宇、智慧數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)所的應(yīng)用上，，采用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)其對(duì)電力、照明、防火防盜、空調(diào)等方面的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以達(dá)到高效便捷的管理模式，節(jié)省了在人力方面的支出。

2 基于NB-IoT及PON的智慧城市應(yīng)用

智慧城市采用物聯(lián)網(wǎng)及通信行業(yè)的前沿技術(shù)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市的交通、醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用及城市設(shè)施等方面的全覆蓋。智慧城市旨在為人們提供便捷的生活方式，打破信息孤島現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)城市的立體化、產(chǎn)品的融合化。將環(huán)境中采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI、藍(lán)牙、NB-IoT及PON等方式傳至用戶終端。現(xiàn)階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在智慧建筑、智慧醫(yī)療、智慧家居、智慧環(huán)境監(jiān)控等方向的具體應(yīng)用。

2.1 智慧醫(yī)療

現(xiàn)實(shí)生活中醫(yī)療健康作為人們的必要需求，應(yīng)該受到人們的重視，但往往人們會(huì)因?yàn)楦黝愒蚨鵁o(wú)法及時(shí)到達(dá)醫(yī)院得到有效的治療，從而發(fā)生對(duì)身體健康狀況錯(cuò)誤把控，而造成治療不及時(shí)的現(xiàn)象。隨著智慧醫(yī)療的發(fā)展該現(xiàn)象可以得到有效解決。人們可通過(guò)智能穿戴設(shè)備將身體狀態(tài)信息上傳至云端，分析結(jié)果可實(shí)時(shí)上傳至醫(yī)生及其家人終端。NB-IoT作為一個(gè)有著極強(qiáng)抗干擾能力且功耗較低的傳輸網(wǎng)絡(luò)，更能夠及時(shí)滿足該方面的穩(wěn)定性要求，幫助患者避免健康危機(jī)。智慧醫(yī)療能夠快速發(fā)展的主要原因是：隨著NB-IoT通信技術(shù)的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的WIFI、藍(lán)牙等通訊方式在功耗、隱私安全方面的欠缺，由此也吸引大量廠商推出支持NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)芯片，助力智慧醫(yī)療的發(fā)展進(jìn)程。

2.2 智慧家居

在智慧家居中，構(gòu)建于建筑環(huán)境中的傳感器設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體生命特征、身體活動(dòng)及環(huán)境因素等信息的采集。活動(dòng)跟蹤器能檢測(cè)生活單元的移動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)判斷患者是否發(fā)生跌倒或已駐足于浴室的時(shí)間。而智慧城市在細(xì)節(jié)層面同樣達(dá)到了極高的程度，如步態(tài)分析等，通過(guò)將加速度計(jì)和應(yīng)變計(jì)安裝到典型的木質(zhì)結(jié)構(gòu)的住宅樓層中，并校準(zhǔn)傳感器以記錄腳跟撞擊，當(dāng)每秒達(dá)到200次讀數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)不僅能夠檢測(cè)到跌倒，甚至還能表示跛行或蹣跚時(shí)的狀態(tài)。為了計(jì)量睡眠質(zhì)量，創(chuàng)造性地使用睡眠傳感器監(jiān)測(cè)健康的質(zhì)量，通過(guò)使用心沖擊測(cè)量流人和流出心臟的液體，以此監(jiān)測(cè)睡眠時(shí)間、不安狀況以及睡眠呼吸暫停等。智慧鏡子的產(chǎn)生同樣為家居生活提供了質(zhì)的提升，還有團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤眼球運(yùn)動(dòng)相關(guān)放射能力的鏡子。未來(lái)還可能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)牙齒上的牙菌斑的功能。讓家居生活多功能化。

2.3 智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)

工業(yè)環(huán)境包含大量的不可控事件。在數(shù)據(jù)中心的管理過(guò)程中，往往因?yàn)楣芾聿划?dāng)。亦或是體系上的漏洞，造成數(shù)據(jù)中心發(fā)生失火、漏水現(xiàn)象。PON作為一種新的傳輸網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)中也有著舉足輕重的作用。其在傳感器的數(shù)據(jù)采集方面，擁有著可靠性能極高的特點(diǎn)。用戶能夠?qū)崟r(shí)通過(guò)客戶端的監(jiān)控界面觀察數(shù)據(jù)中心空調(diào)、電量、溫濕度等最新?tīng)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)智慧管理數(shù)據(jù)中心環(huán)境。同樣，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）在環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)同樣有著不可替代的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)，其在下行鏈路中使用正交頻分多址技術(shù)，且在頻域中僅使用了12個(gè)15kHz的子載波，比蜂窩LTE中的資源量小7倍。在上行鏈路中，NB-IoT同樣使用180kHz的總帶寬，多載波傳輸基于SC FDMA，具有15kHz子載波間隔，因此資源塊結(jié)構(gòu)與下行鏈路中的相同。然而，不同的物理信道用于信令，有效載荷的總資源量是不同的。圖1展示了基于現(xiàn)有信道的NB-IoT系統(tǒng)設(shè)計(jì)示例圖。

3NB-IoT的傳輸標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議

NB-IoT的資源塊與LTE循環(huán)前綴（NormalCP）一樣，由12個(gè)子載波和7個(gè)OFDM符號(hào)組成，由此保證了其與LTE的相容性。每個(gè)時(shí)隙為0.5ms，2個(gè)時(shí)隙即可組成一個(gè)子幀（SF），而每個(gè)無(wú)線幀（RF）由10個(gè)子幀組成。每個(gè)IoT設(shè)備在頻域中使用一個(gè)資源塊，而在時(shí)域中使用2個(gè)連續(xù)的資源塊（1ms子幀）。因此，一個(gè)設(shè)備的資源元素總數(shù)是：

N_Res=12.14=168，（1）

NB-IoT的部署模式可分為以下幾類：帶內(nèi)、保護(hù)帶及獨(dú)立部署。信令的資源元素?cái)?shù)量隨部署方案的改變而不同。對(duì)于獨(dú)立和保護(hù)帶部署，僅使用16個(gè)導(dǎo)頻參考符號(hào)來(lái)預(yù)測(cè)專用子載波的下行鏈路信道質(zhì)量。因此，有效載荷的元素?cái)?shù)量是：

N_payload=168-16=152，（2）

對(duì)于帶內(nèi)部署，附加的16個(gè)特定參考符號(hào)用于LTE用戶設(shè)備，并有28個(gè)物理控制信道用于發(fā)送LTE用戶設(shè)備的調(diào)度信息和資源分配。因此，物聯(lián)網(wǎng)有效載荷的元素總數(shù)將是：

N_payload=168-16-16-28=108，（3）

在上行鏈路中，36個(gè)參考符號(hào)用于任何類型的部署。因此，物聯(lián)網(wǎng)有效載荷的元素總數(shù)將是：

N_payload=168-36=132，（4）

為了傳輸有效載荷，NB-IoT使用傳輸塊，1000bits用于上行鏈路，680bits用于下行鏈路，這比常規(guī)LTE減少100倍。為了評(píng)估NB-IoT系統(tǒng)的吞吐量，分別計(jì)算用于上行鏈路和下行鏈路的一個(gè)傳輸塊所需子幀的數(shù)量。NB-IoT幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議中，有兩種協(xié)議得到了行業(yè)人士的普遍好評(píng)，其是CoAP和MQTT。CoAP作為能夠支持網(wǎng)絡(luò)傳輸且在受限資源環(huán)境下起作用的一種協(xié)議。在智慧城市的應(yīng)用層面有廣泛前景。該協(xié)議為M2M而設(shè)計(jì)，且有著開(kāi)銷較低、支持多播的優(yōu)點(diǎn)。CoAP的實(shí)現(xiàn)比HTFP簡(jiǎn)單，其在UDP上運(yùn)行，而不是在TCP中使用復(fù)雜的擁塞控制。因此，CoAP的最大包的大小僅為1152字節(jié)。

MQTT同樣是基于ISO標(biāo)準(zhǔn)的“輕量級(jí)”消息傳遞協(xié)議，能夠在資源受限設(shè)備及低帶寬、高延時(shí)、不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行消息傳輸。該協(xié)議可視為一個(gè)中心輻射型系統(tǒng)：傳感器、應(yīng)用和設(shè)備之間的通信通過(guò)中央代理端運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心服務(wù)實(shí)現(xiàn)。其精簡(jiǎn)低帶寬的特性使得其能夠適用于很多方面，如家庭照明、智能設(shè)備和安全等都采用了MQTT協(xié)議。

CoAP和MQTT的性能比較（見(jiàn)表2），計(jì)算了為每個(gè)協(xié)議傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所需的傳輸塊數(shù)：

4 智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分類及可視化

環(huán)境監(jiān)測(cè)問(wèn)題向來(lái)是倍受人們關(guān)注的話題，從全球變暖到工業(yè)污染，無(wú)不提及有效監(jiān)測(cè)在其中的意義。且伴隨著信息時(shí)代的發(fā)展，數(shù)據(jù)的重要程度也逐漸被人們所得知。數(shù)據(jù)中心不斷興建的同時(shí)也伴隨著重要的安全保障問(wèn)題，缺乏合理監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)中心存在巨大隱患，而智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)即是解決該問(wèn)題的有效方案。

為了有效地對(duì)采集數(shù)據(jù)分析歸納，可對(duì)采集到的結(jié)果進(jìn)行分類。由于物聯(lián)網(wǎng)體系中存在大量數(shù)據(jù)，很難對(duì)大數(shù)據(jù)陣列進(jìn)行縮放。并以友好的方式對(duì)其可視化。而物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)本質(zhì)上具有來(lái)自相鄰傳感器測(cè)量的相似性。因此，根據(jù)所需的比例將傳感器聚類到組中是很重要的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，使用K-means聚類算法來(lái)區(qū)分不同區(qū)域，這些區(qū)域具有與所選擇的可視化尺度相對(duì)應(yīng)的觀測(cè)相似性。

首先定義一組需要集群的傳感器X={x₁，x₂，…，x_N}，一組取決于所需比例的目標(biāo)隨機(jī)質(zhì)心，根據(jù)最短距離準(zhǔn)則，每個(gè)傳感器被分配到C中最近的質(zhì)心：

重復(fù)方程（10）到方程（13）的循環(huán)，直到滿足收斂準(zhǔn)則△C=0為止。

上述過(guò)程對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)非常重要，可以指定測(cè)量值的精度和空間密度。例如：測(cè)量密度太高，一般趨勢(shì)可能不清楚，在這種情況下，系統(tǒng)的效率非常低。另一方面，如果密度太低，系統(tǒng)可能無(wú)法提供足夠的信息，這也會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，大多數(shù)系統(tǒng)傾向于使用測(cè)量的平均值取決于必要的尺度。

圖3和圖4分別顯示了對(duì)于同一組傳感器，聚類為3組和4組的比較，通過(guò)使用上述算法，能夠在不同的尺度范圍內(nèi)為監(jiān)控系統(tǒng)提供靈活性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了在智慧城市發(fā)展過(guò)程中通信技術(shù)的更新迭代。包括NB-IoT及PON技術(shù)未來(lái)在智慧城市各領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是在智慧家居、醫(yī)療及環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的影響。對(duì)NB-IoT技術(shù)涉及到的傳輸標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議進(jìn)行了闡述，并對(duì)其支持的三種部署方式：帶內(nèi)部署，保護(hù)帶部署和獨(dú)立部署所需的有效載荷元素?cái)?shù)及上下行鏈路一個(gè)傳輸塊所需子幀數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在協(xié)議方面對(duì)CoAP、MQTT的性能通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比。并使用聚類算法解決了在不同尺度下數(shù)據(jù)的可視化問(wèn)題。能夠?qū)θ我饽繕?biāo)區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。