基于NB-IoT的5G物聯網規劃與部署

譚 杰

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

5G網絡技術應用的一個典型領域是物聯網，物聯網在通信技術革新中不斷發展，規模進一步擴張，速度和效率進一步提高。在物聯網發展水平提高的同時也進一步提高了對基礎技術的要求，本文就5G網絡背景下物聯網的發展和規劃進行分析。

1 物聯網發展概述

物聯網概念在20世紀末期被提出，國際電信聯盟基于當前技術提出了包括感知層、網絡層以及應用層的三層物聯網網絡體系。感知層作為第一層充分利用定位和射頻識別等傳感器設備進行數據獲取，結合計算機技術實現資源數據化。網絡層作為第二層借助協議和設備將數據傳輸到網絡中，通過該層完成信息通信和數據交換[1]。應用層作為第三層，在數據收集、匯總、挖掘的基礎上進行智能化定位、識別、管理以及監控。物聯網技術的發展創新需要新技術的支持，因此需不斷發展互聯網技術、傳感器技術、大數據技術以及云計算技術等[2]。

2 NB-loT技術

NB-loT作為典型廣域技術，具備低功耗特征，其在智慧城市、智能家居以及智慧醫療等領域均具有良好應用前景。NB-loT技術在物聯網中也具有很好的應用前景，該技術的引入和應用需要對當前的通信技術進行升級與改造，下面就NB-loT在物聯網中應用的優勢進行簡要分析。

2.1 靈活的網絡部署方式

由于NB-loT技術應用中能完全利用頻譜資源，因此在利用NB-loT進行網絡部署的時候可以進行頻段的靈活選擇。目前，NB-loT技術支持帶內部署、保護帶部署以及獨立部署3種網絡部署方式。其中獨立部署過程中能夠實現UMTS、LTE以及GSM的網絡內部署，并且在頻率上是獨立的，不會干擾網絡。保護帶部署方式進一步提升了LTE的資源庫利用率，但是過程中需要考慮系統和LTE之間的串擾問題[3]。帶內部署實現了對LTE中間所有資源庫的充分利用，但和LTE存在干擾問題。

2.2 覆蓋增強

NB-loT技術和LTE技術相比極大提高了覆蓋能力，增益提高20 dB，區域覆蓋能力在LTE的基礎上提升了100倍。NB-loT技術特征滿足了我國農村廣覆蓋的要求，另外對于地鐵和地下車庫等特殊場所也具有很好應用性[4]。

2.3 低功耗

NB-loT為降低終端設備功耗，采用了兩大關鍵方案進行優化。首先是增設兩種傳輸方案以減少信令流程和不必要的開銷，其次是在NB-loT中增設了終端設備休眠時間，以降低終端設備功耗[5]。NB-loT降低功耗涉及到非連續接收技術和省電模式兩大核心關鍵技術。NB-loT在PSM省電模式下保證了終端設備不會接受其他尋呼，非連續接收技術實際是DXR技術的改造和升級，具備更長的尋呼周期，以此實現省電。

2.4 低成本

NB-loT技術在物聯網的應用中采用簡化協議棧，并不需要重新構建網絡，直接復用天線和射頻，以此降低了NB-loT技術中模塊和芯片的成本。目前，NB-loT技術應用模塊的成本大約在30元左右，未來希望將其控制在10元以內。

2.5 廣連接

NB-loT技術因有效提升了頻譜效率，因此引入后能夠連接大量不同的終端設備。技術中的下行傳輸鏈路僅僅能夠支持一種子載波間隔，而上行傳輸鏈路卻能夠支持兩種子載波間隔。和15 kHz的子載波間隔相比，3.75 kHz的子載波間隔提供的容量更大，網絡連接量超過2×106。

3 基于NB-IoT的5G物聯網設計與規劃

3.1 總體設計

本文在研究中對物聯網的實際需求進行分析，引入NB-loT技術希望構建物聯網智能控制方案。在數據傳輸中引入NB網絡，這種網絡數據傳輸方式能夠滿足設備多和傳輸距離遠的需求。將STM32和BC35-G模塊引入物聯網設計中，不僅提高了電池使用壽命，還有效降低了所設計物聯網控制器的功耗。NB-loT技術在物聯網中的應用作為前進行探索之一，本文為提升其應用效果，將動態二維碼掃描功能引入到智能物聯網系統中[6]。

本文設計的物聯網智能控制系統架構仍然是應用層、感知層以及傳輸層三層體系。物聯網智能控制器作為傳輸層的核心部分，也是本文進行設計和規劃的要點之一。物聯網智能控制器在感知層最主要的作用是進行數據的采集和整理，包括終端設備運行參數和終端設備指標等。采集到數據之后將這些數據傳輸到監控管理中心（應用層），另外智能控制器還能夠控制感知層中涉及到的系統設備[7]。

本文提出的基于NB-loT技術的物聯網智能控制體系設計涵蓋了軟件設計和硬件設計兩大部分。硬件部分設計中需要考慮物聯網智能控制體系的基本功能和需求。為滿足可視化需求可配備TFT液晶顯示屏，用于監控數據的實時顯示。為保證數據傳輸，采用NB通信、RS232或者RS485通信[8]。軟件部分完成了物聯網智能控制器程序的開發，實現了物聯網智能控制器與云平臺之間的數據傳輸。

3.2 硬件設計

前面分析已經指出物聯網智能控制器的主要作用是實現數據的收集、整理、存儲以及傳送，同時還能夠實現對感知層相關設備的監控、故障檢測、告警等。物聯網智能控制器通過傳感器技術實現對終端設備運行狀態和運行參數的檢測，實現對各種信息和數據的采集。采集的信號進行整理、匯總、傳輸之后能夠上傳回控制中心，并且在顯示系統中進行顯示，另外OneNET云平臺中還能夠接收到其上傳的數據[9]。基于此，硬件設計需要考慮采集模塊、顯示模塊、輸出模塊、通信模塊以及電源模塊等，設計的系統結構如圖1所示。

圖1 物聯網智能控制器的系統結構圖

在物聯網智能控制器的硬件設計中，采集模塊包括按鍵電路和溫度采集電路，完成對數字信號和溫度的采集。通信模塊包括NB通信電路、RS232電路以及RS485電路設計，輸出模塊包括蜂鳴器電路和LED電路設計，通過對蜂鳴器和LED的控制完成數字量輸出。本物聯網智能控制器的設計難點有兩部分，一是實現NB通信，二是實現物聯網智能控制器的基本功能。在物聯網智能控制器的通信處理中，除了必要的NB通信電路外，還設計了RS232電路和RS485電路，方便對接其他設備。

3.3 軟件設計

物聯網智能控制器的軟件設計按功能劃分為數據采集模塊、數據顯示模塊以及數據傳輸模塊。數據采集模塊主要是對溫度進行采集，數據顯示模塊是將溫度數據顯示在液晶顯示屏上，并且以二維碼形式呈現，數據傳輸模塊包括智能控制器上傳數據和接收云平臺下發的數據兩部分。

OneNET云平臺作為本文設計中物聯網智能控制器的云平臺，二維碼設計采用OR碼。采用OneNET云平臺的主要原因是該平臺下的軟件開發工具包能夠實現開源，有利于控制器的接入和升級。QR Code作為二維碼的碼制，能夠實現大量信息的有效儲存，而且占用的空間較小，另外該種模式還能夠支持不同的數據類型，且自帶糾錯功能，能夠實現數據分析和校正。在物聯網智能控制器的設計中存在兩大難點，一是OneNET云平臺的接入問題，通過科學接入最終保證控制器的NB通信功能，這里考慮引入MQTT協議和AT指令實現對BC35-G模組的有效控制，還能夠實現數據的科學封裝及傳輸。二是二維碼的顯示問題，為保證信息的準確顯示，需要進一步明確顯示屏的工作原理及QR碼的編碼機制。

4 物聯網智能控制系統構建

為構建物聯網智能控制系統，簡單分析了其系統實現和構建。系統構成需要涵蓋基站、NB卡、智能控制器以及聯網設備。本文采用NB卡進行系統的聯網處理，將設備接入云平臺當中，管理人員能夠通過顯示系統進行登錄和退出，同時還能夠在系統中查詢相關信息。BC35-G模塊在物聯網智能控制系統的主要作用是進行數據傳輸，數據經過基站之后能夠向OneNET云平臺進行傳遞，并且傳遞過程中通信采用的是NB網絡和MQTT協議。此外，用戶和OneNET云平臺之間的連接方式是IP網絡，將接收到的數據以網頁的形式進行展示。

OneNET云平臺已經經過了長期的研發、完善以及實踐，作為目前最常用的物聯網云平臺具備高效、穩定、安全的特征，是中國移動物聯網有限公司面向公共服務進行研發的，具備自主研發產權。網絡架構如圖2所示，不僅能夠實現智能硬件的快速接入，而且可以滿足傳感器接入的要求，實現了云端存儲、數據分析以及海量連接的功能，極大降低了個人開發和企業部署方面的成本。同時OneNET云平臺中還引入了全周期管理工具，能夠實現對系統的全面管理，另外其還開放API接口用于第三方接入，為保證系統的可用性和便利性還為其開發了定制化App[10]。

圖2 OneNET云平臺的資源模型

5 結 論

物聯網不斷發展，智能物聯網成為發展必然趨勢。為提升物聯網的發展水平，需要將大數據技術和傳感器技術等新型發展技術引入到物聯網建設中，為萬物互聯提供技術支持。目前物聯網技術發展中還面臨一定局限，為解決物聯網發展中的瓶頸問題，需要不斷引入新的技術，尤其是5G發展背景下，應充分借助其發展契機，將5G和物聯網、傳感器技術充分融合，讓物聯網發展進入新的發展階段。