基于NB-IoT的實時交通監控系統的探究

黑龍江大學電子工程學院 孫結冰 崔玉嬌 祁曉波 凌 強 朱 勇

0 引言

隨著計算機與互聯網的不斷發展，“物聯網+大數據”強強組合展現的機會也隨之到來。根據最新的中國物聯網大數據行業結構分布來看，2017年大數據應用在交通這一領域占比達到了13.55%[1]。

雖然中國城市內的交通以及城市與城市之間的交通已經非?？焖?，交通起來也很困難。在平時高速路段交通還算通暢，但是每當節假日，交通問題已經是國民很頭痛，也是交管局面臨的很棘手的一個問題。本文使用NB-IoT技術能夠高效地組建實時交通監控網絡，比目前通用的LTE技術提升了20dB，轉換成覆蓋區域來說，覆蓋區域面積擴大了100倍。除此之外其傳輸距離長、穿透能力強、抗干擾能力強，能夠保證實時交通監控網絡的穩定工作。

1 窄帶物聯網技術概述

窄帶物聯網（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT），是物聯網范疇的一種技術，同時也是3GPP推出的標準技術。目前NBIoT技術已經被全球接受作為新一代全新窄帶物聯網的標準。根據傳輸速率的不同，可將物聯網業務分為高、中、低三種：

（1）高速率業務層：主要的是應用3G/4G的技術，例如車載物聯網和監控攝像頭，它所適應的業務就是提供實時的數據；

（2）中速率業務層：主要是應用到了GPRS技術，例如目前很火的快遞柜或者儲物柜，他們使用的頻率雖然很高但并不要求提供實時的數據，對網絡傳輸速率是遠遠不如高速率業務；

（3）低速率業務層(Low Power Wide Area Network，LPWAN)：也就是低功耗廣域網，其主要應用在智能家居、無線抄表、環境監測等領域。

NB-IoT的特點：

（1）超廣的覆蓋能力：NB-IoT是部署在運行商通信頻段的，NB-IoT通過上行鏈路功率譜密度PSD增益、重發增益、UL-Gap多天線增益獲得比900M的GSM提升了20dB增益，這就相當于提升了100倍的區域覆蓋的能力。

（2）低功耗：NB-IoT終端供電模塊是基于容量為5000mA電池的，再加上PSM和eDRX省電技術，使得NB-IoT有超強的續航能力，續航時間可以達到10年；

（3）超大的連接：具備海量數據連接的能力。在同一基站下，NB-IoT一個扇區能夠支持5萬多個連接。

（4）低成本：終端的成本已經低到了1美元，建網成本可以復用。

2 網絡部署架構層次

本系統的網絡架構分為三大層次：感知層、網絡層、應用層。

感知層：感知層通過NB-IoT射頻信號與基站通信，對交通中的實時信息，例如路面情況、車流量、擁擠情況進行監測；

網絡層：通過各種電信網絡與互聯網的融合，由基站、分組核心網、IoT平臺組成，實現對不同區域交通的遠程監控；

應用層：對感知層采集的交通信息進行處理分析，不僅對車輛進行實時的定位跟蹤，還能夠便于交通的監控與管理等實際更多的應用。

2.1 NB-IOT基站的連接

NB-IoT基站基于CP協議來鏈接，CP協議基于信令面的數據傳輸，用戶直接封裝在NAS層的信令消息中，并采用加密方式加密。傳統的LTE用戶面的數據傳輸方式，流程復雜，信令開銷遠大于數據包本身，LTE物聯網行業的終端、網絡、芯片、操作系統、平臺等各方路徑不一，使得物聯網“碎片化”現象嚴重。而CP協議的搭建簡化了RRC/S1信令流程，減少了RRC重建、DRB建立、AS安全等相關信令，信令開銷減少了50%以上。

2.2 數據的傳輸

數據的傳輸過程包括UE、IOT、編碼插件以及Server。感知層設備先采集數據并將數據按自定義規則進行編碼；編碼通過串口，以AT命令的形式，發送已編碼數據到NB-IoT模組或SoftRadio模擬器；NB-IoT芯片/模組或SoftRadio模擬器，接收到AT命令后，將payload后，自動封裝為CoAP協議的消息，并發送給事先配置好的NB-IoT平臺；NB-IoT收到數據后，自動解析CoAP協議包，根據設備profile文件，找到匹配的編解碼插件，對payload進行解析，解析為與設備profile中描述的service匹配的json數據，并存于平臺之上;數據處理中心通過北向數據查詢接口(RESTful)獲取平臺上的數據;同時也可以提前調用訂閱接口，對數據變化進行訂閱。數據傳輸過程中，應用NB-IoT調制解調技術對數據進行處理，NB-IoT基于3G/4G網絡，對汽車周圍環境的進行實時的監測。通過MATLAB軟件仿真系統數據調制解調如圖1所示：

圖1 NB-IoT調制解調MATLAB仿真圖

由仿真結果很清楚地得到：基于NB-IoT調制解調能夠將采集到的數據能夠穩定的傳送到監控中心。隨著信噪比的增大，NB-IoT誤碼率更低，抗干擾能力越強，體現了NB-IoT技術在該系統中實現的優越性。

3 系統測試結果

應用此系統我們在學校選三處信號弱的地點進行試點實驗。首先利用經緯度測量儀測出三處的經緯度,A處位置（N45°42′29.74″，E126°37′11.71″），B處位置（N45°42′19.60″，E126°36′55.84″），C處位置（N45°42′20.82″ ，E126°36′55.84″），利用三輛小車，得到主要結果如表1所示：

表1 系統仿真結果

對測試結果分析可得，本系統接受數據正常，定位正常，能夠正確的讀取汽車的位置，數據會也會實時刷新。

4 結束語

本文基于NB-IoT的實時交通監控系統的實現，充分利用了NBIOT廣覆蓋、低成本、低功耗、續航能力強、實時性強等一系列特點，將交通數據采集后上傳并處理分析、維護與管理，很好地解決了目前交通系統定位盲區，管理速度慢等問題，符合智慧城市發展的主題。借助NB-IoT技術優勢，在交通系統各個環節展開一系列技術應用創新，將極大地促進實時交通監控系統的發展。

[1]賽迪智庫.中國大數據產業發展評估報告(2017年)[EB/OL].(2017-08-29)[2017-09-25].http://www.useit.com.cn/thread-16356-1-1.html.

[2]歐陽龍.簡析NB-IOT關鍵技術特性及行業應用[J].通訊世界,2017,(18):1-2.

[3]黃悅,湯遠方.NB-IoT物聯網組網及覆蓋能力探討[J].移動通信,2017,(18):11-15.

[4]梁和平.基于NB-IoT與LoRa的智能路燈遠程監控系統[J].基層建設,2017(12):20-23.

[5]王正偉.NB-IoT是物聯網的熱點[J].物聯網技術,2017(10):15-18.

[6]吳光榮,章劍雄.基于ZigBee技術的無線智能照明系統[J].現代電子技術,2008(14):67-69.