NB-IoT接入組網與應用研究

丁少廣

河南省通信工程局有限責任公司 河南 鄭州 450000

引言

隨著通信與信息技術的快速發展以及人類對物質、精神生活質量的不斷提高，萬物互聯逐步走入人類的生活。物聯網一方面將人們生活的各種設施設備連接在一起，增加了人們生活中的便利性；另一方面，將人們所需的信息匯總處理，為人們的生活提供智能化的建議。無線網絡發展和5G時代到來使得物聯網不再局限于有線網絡連接，基于Zig Bee、藍牙、Wi-Fi等無線連接組網的物聯網技術不斷出現并得到發展，而基于低速率廣域通信技術的窄帶物聯網——NB-IoT技術，憑借其在網絡站點升級和傳輸資源占用[1]、網絡部署和維護[2]以及可靠性等方面的優勢，在智慧城市、智慧停車、智慧醫療等方面得到快速發展。

1 NB-IoT的概念及特點

物聯網由國際電信聯盟（ITU）在2005年提出，指的是利用GPS、傳感器、RFID等感知技術和設備，對需要連接、控制的和獲取信息的物進行聲、光、熱、圖像等數據進行采集，結合互聯網形成一個覆蓋廣泛、無處不在的網絡，其目標是實現物-物、物-人、人-人的廣泛連接，以達到信息識別、控制、管理的目的[3]。

所謂NB-IoT，是3GPP定義的“一種利用窄帶LTE技術來承載物聯網”的技術[4]，其特點如下：

1.1 強覆蓋能力

NB-IoT與LTE相比，覆蓋能力提升了20dB，且支持164dB的最大耦合損耗（MCL）,從而保障了信號的覆蓋廣度和深度，無論室外還是室內終端的數據都可以得到有效傳輸。

1.2 低功率消耗

NB-IoT終端設備的電池使用設計壽命年限是十年以上，為此，3GPP引入了節電模式（PSM）和非連續接受模式（eDRX），從而保證終端設備在無信號收發時可以處于休眠狀態，可以在很大程度上避免能源浪費。這是NB-IoT技術在諸多網絡技術中凸顯的優勢。

1.3 大用戶連接量

NB-IoT每個小區支持超過50000個連接[5]。根據其信號特征，一個信號單元可以同時接入大量的設備。另外，NB-IoT 下行鏈路傳輸使用子載波級傳輸，提供了更高的下行鏈路資源利用率。與傳統LTE相比，NB-IoT的信令開銷也得到了簡化，隨著eNB與用戶之間的信令消息數量減少，可以在較短的時間內釋放資源，有助于容納更多的用戶。

1.4 低復雜程度

與傳統LTE網絡相比，NB-IoT終端結構和網絡層進行了優化和簡化，其網絡協議數量、信道數量、收發信機均進行了減少。由于僅進行低速率通信，終端設備不需要大容量存儲。同時，IP多媒體系統也予以刪除。終端設備的復雜程度、制造成本均大幅降低。

2 NB-IoT組網

NB-IoT的普遍使用必須建設大規模的基站，并對核心網進行改造或新建。對于建設初期，要結合商業化情況以及投資成本實際情況進行合理的決策。本研究僅對接入層次的組網進行研究。

NB-IoT的接入組網方式根據實際情況有多種多樣，本研究僅就一種基礎組網方式進行探討，為后續研究提供一定的參考，其主要結構包括：傳感器感知節點子網、接入節點、匯聚層、核心網和互聯網，接入組網主要由傳感器感知節點到接入節點之間的部分組成，如圖1。

接入組網圖

傳感器感知節點子網由眾多傳感器節點組成，傳感器的作用是對現場進行監測、獲取數據、發送和接受信息等，傳感器節點可以帶有中繼功能，從而可以減輕接入節點NB-IoT基站的資源占用。接入節點負責傳感器感知節點子網與外網的信息交換。接入節點的數據經NB-IoT匯聚層、無線核心網接入互聯網到達服務器或用戶應用，從而實現信息交互和控制功能。

3 NB-IoT技術應用方案研究

3.1 智慧城市

智慧城市將大量的相互連接的NB-IoT終端用于垃圾管理、交通管理、空氣環境質量監測等。通過使用電力通信和NB-IoT的智能路燈系統，為城市提供適時的、合理亮度的照明，同時也節約了能源消耗。使用深度學習和NB-IoT的垃圾處理場，能夠通過精準識別，對垃圾進行分類，降低成本，節約資源。

3.2 智慧停車

基于NB-IoT的智慧停車系統一般包括傳感器、云服務器、用戶應用程序和支付系統。它可以幫助快速查詢空閑車位，降低了部署成本，提升了用戶體驗。與此同時，城市管理也更加有序，可以大大減少城市違規停車影響城市形象、影響交通秩序的情況。

3.3 智慧車輛

智慧車輛網絡結構可以包括NB-IoT終端、基站、核心網、云平臺、后臺服務器以及交通管理平臺。通過獲取實時交通數據為駕駛員提供交通線路，通過獲取車輛速度可以發送超速告警。在提供安全駕駛保障的同時，幫助避免交通擁堵和交通事故。同樣的，通過安裝有NB-IoT模塊的智慧路燈、智慧交通隔離帶等設備作為信息中繼，安裝有NB-IoT模塊的車輛可以獲取位置信息以及與其他車輛的距離，從而向其他距離過近的車輛發送告警信息，防止交通事故發生。

3.4 智慧醫院

智慧醫院是指將NB-IoT應用在監護中心、儀表讀數、門診、藥房、醫院停車等方面。尤其在病人臨床護理和血壓、心率等遠程監護方面能夠發揮重要作用，通過對各項醫療指標數據的獲取和持續跟蹤，醫生可以掌握病人的病情發展情況和治療效果，以便制定診療方案。

3.5 智慧家居

智慧家居為人們的生活提供便利，包括用電管理、視頻電話、安全監控、智能計量等方面。其中，智能計量系統可以通過NB-IoT網絡自動采集數據，從而減少勞動力消耗，應用在電能計量、燃氣計量、空氣質量檢測等方面。智慧家居系統可以通過控制照明、空調等系統，調節室內亮度、溫度、濕度等，給人們帶來舒適的生活環境。

3.6 智慧農業

智慧農業的目標是提高產量，同時降低生產成本和投入成本。通過調節灌溉水資源的使用，提升資源利用效率。安裝在土壤中的濕度傳感器將數據通過NB-IoT基站傳輸到云端，深度學習算法通過數據處理，將農田根據旱澇情況劃分為不同區域。NB-IoT終端根據云端服務器發送的指令，在指定的時間啟動和關閉水泵、閥門等設備進行灌溉。土壤濕度合格后，傳感系統進入休眠狀態從而節約鏈路資源。

4 結束語

物聯網的發展已經是當今通信和信息化產業的必然趨勢，基于低速率廣域覆蓋的窄帶物聯網占據著不可替代的地位。本文在提出了一種NB-IoT接入組網方式的基礎上，對其在智慧城市、智慧停車、智慧車輛、智慧醫療、智慧家居和智慧農業中的應用進行了探討，得出了NB-IoT在不同應用場景中的特點和部署方案，為NB-IoT的進一步應用提供了基礎。