NB-IoT技術在物聯網智能水表領域的應用

劉虎平

摘? 要：針對當前供水行業運營存在的水表抄讀工作效率低、工作強度大和計量結果不準確等實際問題，該文首先提出以NB-IoT技術為基礎的智能水表系統架構，包括NB-IoT UE、NB-IoT BTS、NB-IoT Core、NB-IoT平臺和應用服務器，然后在此基礎上，對系統的工作過程進行深入分析，提出相較于傳統方式該系統所具有的主要優勢，以此為該項技術在智能水表領域的應用提供參考借鑒。

關鍵詞：NB-IoT技術;智能水表;網絡

中圖分類號：TP393? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

目前的供水行業存在很多痛點，其中以水表的抄讀最為嚴重，極易引起糾紛。對此，隨著NB-IoT網絡不斷發展，將其應用在智能水表領域能解決很多實際問題，并減少企業人力物力的投入。

1 系統架構

以NB-IoT技術為基礎的智能水表，如果按端—管—云進行系統架構建設，則從下至上可分為以下4個部分：第一部分為終端層;第二部分為網絡層，象核心網及無線接入網等;第三部分為IoT平臺;最后一部分為水務應用層。通過對大數據技術、物聯網技術和云計算技術等的引入和應用，能將不同層面整合到一起，形成一個整體，來滿足后續發展的實際需求。

（1）NB-IoT UE：在系統終端中，集成有專門的標準模組，此時借助空中接口能和基站相連。在物聯網中，終端是一種基礎載體，采用各類監測模塊，即傳感器，能使終端實現互通、控制與管理，從過去的啞巴式終端變成現在的智能化終端。

（2）NB-IoT BTS：用于完成空口接入的處理與小區管理，同時在核心網及S1-lite接口的支持下實現相互連接，把從終端中的得到數據傳輸至高層網元進行后續處理。它能實現獨立組網，亦能和FDD-LTE組網融合。

（3）NB-IoT Core：其主要功能在于和終端非接入層實現交互，并完成UE業務簽約管理和UE認證鑒權，將所有業務數據都傳輸至平臺中進行后續分析和處理。核心網可以單獨組網，也可以與LTE共用核心網。對網絡進行部署的過程中，為有效減少物理網元總數，可對不同核心網元予以統一部署，形成服務網管節點。

（4）NB-IoT平臺：它匯集了從不同接入網中獲取的所有業務數據，同時能以不同類型為依據，將數據發送至處理器，準備后續處理，實現連接、使能、數據管理和連接的感知、診斷及控制。另外，平臺利用相關協議和接口還能實現與各類終端相接入，此時對上層行業而言，無需對終端設備進行物理連接與數據的傳輸，即可對終端實施對象化管理。

（5）應用服務器：這是數據的最終歸屬，也是物聯網中所有業務對應的控制核心（對上層控制而言），能以客戶具體需求為依據，對數據做分析與處理等操作。基于NB-IoT平臺，能對自身應用開發進行聚焦，并獲取一系列從設備層中形成的數據，最后實現對設備的統一管理，包括流量計與水表等所有水務設備。

2 工作過程

對智能水表而言，它如同手機一樣必須配置SIM卡（也稱NB卡），用于存儲數據信息。卡商負責NB卡的生產，卡商將NB卡出售給運營商，此時運營商可向卡商提供各類信息，由卡商負責寫入;運營商得到NB卡后，將其出售給水表廠商或水務公司，并將其裝于智能水表當中;然后水務公司要求運營商將NB卡激活，給智能水表供電，完成認證鑒權后，將其接入網絡當中，實現對數據信息的接收和發送。

為與數據的傳輸特性相適應，在NB-IoT協議當中分別引入了2種數據傳輸優化措施，即CP措施與UP措施。其中，CP措施是指利用NAS來實現數據的傳輸，無須建立無線承載，對小數據進行分組后，根據NAS信令將其傳輸至MME，再傳輸至平臺當中。而UP措施則和LTE系統十分相似，在采用RRC懸掛及流程恢復后，如果存在數據報文需要傳輸，則自動建立相應的承載，并利用數據面來直接傳輸;而沒有數據傳輸的情況下，用戶對應的上下文短時間掛起，而當需要數據傳輸時，立即恢復。以上2個措施和LTE相比，都能減少相互之間的交互，進而達到減少功耗的根本目標。

通過以上分析可知，對NB卡進行管理時，流程較為煩瑣，但在物聯網平臺中，其管理人員一般要對大量設備進行管理，這些設備處在不同的環境中，如果管理較為煩瑣，則會使成本大幅增加。基于此，從物聯網平臺角度講，有必要按照自動化的規則來管理，即采用嵌入式NB這一方法，該方法得到了很多人的高度重視與采納。對于嵌入式NB卡，主要是指把普通的SIM卡改造為嵌入式芯片，采用嵌入的方式設置在終端設備，即智能水表當中，以此達到遠程寫卡和網絡化等功能要求。此時用戶只需要在營業大廳進行身份等級認定，就能在網絡上完成NB卡激活、換號與專網。可見，它的應用能有效提高用戶感知，并使運營商的管理變得更加簡化，然而，這樣會削弱運營商作為主體具有的控制能力。

嵌入式NB卡并不是NB-IoT發展的最終點，下一個目標有很大概率是軟NB。對軟NB而言，它無物理卡片，將數據存儲在操作系統當中，利用無線技術下載應用軟件，可重復編程，并能實現重復編程。該SIM卡不需要物理硬件，成本很低，并且能縮小設備的總體積，為新功能及特性的增加預留足夠空間。然而，它有可能損害到運營商合法權益，現在還沒有很多運營商給予支持，在全球范圍內的發展速度還很慢。

3 主要優勢

NB-IoT主要在授權階段工作，這一階段的信號具有很強的覆蓋度與穿透力，并且在全網范圍內統一規劃，可對干擾進行控制，能有效保證在復雜環境下對業務數據進行可靠和穩定的傳輸。

我國已經有很多運營商開始致力于NB-IoT的研究與建設，采用現有窄帶物聯網的網絡資源，在全國進行推廣。這些運營商以物聯網及其專用網絡為基礎，與傳統網絡進行區隔，杜絕網絡供給，為企業的訪問及流量控制提供幫助，并對內網和外網進行隔離，為各級客戶網絡穩定運行提供保障。除此之外，還能為不同的客戶建立隔離公眾互聯網的專用網，以此滿足所有網絡需求。

NB-IoT平臺有很強的適應能力，能接入很多不同的終端設備，以統一協議及接口為基礎，利用該平臺能對各種類型及品牌的智能水表進行統一接入及管理，實現互聯與互通。與此同時，呈開放狀態的API還能對各類水務應用進行快速集成，達到快速構建及部署的目的。最終向企業提供一套既能控制，又能診斷和感知的智能化網絡，從而滿足客戶提出的對終端實際工作狀態進行自主查詢及管理的實際需求。

4 結語

綜上所述，以NB-IoT為基礎形成的智能水表，其信號傳輸更加穩定，更能抵抗干擾，具有更強的安全性能。同時在數據傳輸過程中，無須所有中間環節，能直接從儀表到達數據平臺，為直接控制的實現提供便利，還能降低部署方面的成本。

參考文獻

[1]姚美菱，吳蓬勃，曲文敬，等.基于NB-IoT的智能水表的探討[J].電信工程技術與標準化，2018，31（6）：32-35.

[2]黃海峰.華為打造多個NB-IoT樣板案例 推動物聯網市場走向規模商用[J].通信世界，2017（29）：33.

[3]李耀祖，潘建華，李博皓，等.基于NB-IoT技術的“三表合一”集抄及擴展應用研究[J].建設科技，2017（16）：22-23.

[4]黃海峰.為5G探路：華為推動4T4R、Massive MIMO、NB-IoT在4G網部署[J].通信世界，2017（13）：54.