淺析NB—IoT技術和LoRa技術在智能抄表中的應用

譚丹 田仲平 張文濤

摘 要：針對傳統抄表系統效率低、成本高等弊端，文中綜合分析了LoRa和NB-IoT的技術特點，并基于這兩種技術在智能抄表系統中的網絡部署，淺析其優勢和劣勢。同時對NB-IoT技術在智能表市場中的應用情況做了概括，列舉了NB-IoT在其他業務場景中的應用。

關鍵詞：低功耗廣域網；LoRa；NB-IoT；智能抄表

中圖分類號：TP39；TH814.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

隨著信息化的日益普及，當今社會已步入物聯網時代。物聯網結合智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，已成為新一代信息技術的重要組成部分。低功耗廣域網絡（LPWA）技術能夠解決物聯網通信層長距離與低功耗的矛盾，未來將成為物聯網技術領域中的重要組成部分。

智能抄表是低功耗廣域網絡的典型應用場景之一，對系統成本、性能、數據準確度、時效性、壽命等具有較高要求。低功耗廣域網絡技術在針對智能抄表系統的通信解決方案中具有很大的優勢，可滿足物聯網中遠距離和低功耗的通信需求。目前低功耗廣域網絡技術可分為兩類：非授權頻段技術，如LoRa，SigFox等；授權頻段技術，如NB-IoT，LTE Cat-M等。工作于授權頻譜下，3GPP支持2G/3G/4G蜂窩通信技術。其中LoRa技術和NB-IoT技術是大家普遍關注的熱點，具有廣闊的發展前景。

1 技術特點分析

1.1 LoRa技術特點

LoRa（Long Range，LoRa）是LPWAN成熟的通信技術中的一種，是Semtech公司研發的基于1 GHz以下的超長距低功耗數據傳輸技術。LoRa技術的網絡層協議主要為LoRaWAN，該協議定義了網絡通信協議和系統架構。LoRaWAN的通信系統網絡主要為星狀網架構，通信距離可達15 km以上（與環境有關），在空曠地方甚至更遠。其具體技術特點見表1所列。

1.2 NB-IoT技術特點

基于蜂窩的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是在3GPP release13立項的應用于低功耗廣域網（LPWA）市場的蜂窩網絡技術，只消耗約180 kHz帶寬，直接部署于GPRS網絡，UMTS網絡或LTE網絡，可降低部署成本、實現平滑升級。

（1）覆蓋廣。NB-IoT的覆蓋范圍相比傳統GSM網絡提升了20 dB。按照覆蓋面積計算，一個基站可以提供10倍的面積覆蓋。

（2）支持海量連接。相較于現有無線技術，NB-IoT提供了50～100倍的接入數量。一個扇區能夠支持10萬個連接。

（3）低功耗。NB-IoT通信模組電池待機時間更長，可以獨立工作10年。

（4）低成本。NB-IoT模組的成本不超過5美元，NB-IoT技術在降低設備成本與設備功耗的同時，優化了網絡架構。

NB-IoT的技術特點如圖1所示。

2016 年，工信部批準中國電信使用低頻段800 MHz作為LTE和NB-IoT廣域覆蓋的方案。基站同時支持LTE和NB-IoT與800 MHz LTE基站共享基帶、射頻及天饋資源。中國移動和中國聯通部署在900 MHz，1 800 MHz頻段，用于NB-IoT和VoLTE。

NB-IoT載波頻寬為200 kHz，除去保護帶后有效頻寬為180 kHz，相當于LTE系統的1個RB。下行子載波間隔15kHz，與現有LTE系統兼容。目前全球NB-IoT大部分部署在1 GHz 以下，多在800～900 MHz之間。NB-IoT支持圖2所示的3種工作模式。

（1）獨立模式（Stand-alone），為NB-IoT設置獨立的載波，占用了200 kHz 帶寬，其中射頻帶寬為180 kHz ，保護帶帶寬左右各10 kHz；

（2）保護帶模式（Guard band），NB-IoT工作于LTE系統的保護帶，占用180 kHz 帶寬；

（3）帶內模式（In-band），NB-IoT占用LTE載波的任意一個物理資源塊PRB，但邏輯上仍是獨立系統。

1.3 NB-IoT和LoRa技術對比

NB-IoT和LoRa主要技術參數對比見表2所列。

根據上述分析可知，NB-IoT和LoRа最主要的差別在于網絡部署和頻段利用的差異：從頻率資源來看，NB-IoT頻段穩定，已成為窄帶物聯網領域新的國際標準，NB-IoT帶寬窄，可利用LTE帶內和保護帶帶寬資源，無需單獨申請或拍賣頻率；從網絡部署來看，可在現有4G LTE網絡基礎上升級，利用LTE已有成熟的產業鏈和全球廣覆蓋網絡，實現平滑過渡，快速升級支持NB-IoT發展。NB-IoT可與LTE共設備，基于已有LTE網絡快速升級，無需單獨建網，射頻和天線可復用，運營商可根據自身頻譜資源和現有網絡情況，選擇合適的工作模式，通過新建或網絡升級的方式部署NB-IoT無線網絡。

2 基于LoRa技術和NB-IoT技術的遠程智能抄表網絡系統對比分析

2.1 基于LoRa技術的遠程智能抄表網絡系統

LoRa主要工作在非授權頻段，主要由終端（內置LoRa模塊）、網關（或稱基站）、云等組成。基于LoRa技術的遠程智能抄表系統總體網絡拓撲主要包括水電氣表集抄管理系統、終端采集節點即水電氣表（含LoRa射頻模塊）、運營商網絡、LoRa網關、云平臺等。具體網絡拓撲結構如圖3所示。終端采集節點采集水電氣表的用量信息和狀態信息，LoRa網關將采集節點的數據通過運營商網絡或者以專線的方式傳到云平臺和水電氣集抄管理系統，組成3級通信組網架構。LoRa網關和終端采集節點之間采用LoRa無線一對多的通信方式進行連接和通信。

2.2 基于NB-IoT技術的遠程智能抄表系統

NB-IoT工作在授權頻段， 基于NB-IoT技術的遠程智能抄表系統總體網絡拓撲結構如圖4所示。該系統主要由終端采集節點，帶NB-IoT通信模塊的水電氣表、NB-IoT通信基站、NB-IoT核心網、NB-IoT管理云平臺、客戶端網絡管理系統、集抄管理系統等構成。終端采集節點通過NB-IoT通信模塊搜尋附近的NB-IoT通信基站，將采集到的水電氣表的用量信息和狀態信息上傳至NB-IoT核心網和物聯網云平臺，同時，終端采集節點也可以接收來自云平臺的控制數據消息。客戶端網絡管理系統從NB-IoT管理云平臺獲取實時抄收到的居民用水/電/氣數據，監控各居民的實時使用情況，水電氣公司通過監測到的數據，可對用戶用水/電/氣進行實時階梯調價控制，向居民推送每月的使用量情況和扣費情況等。

由于NB-IoT使用運營商頻段，因此通信運營商可實時獲悉每一戶居民的用水/電/氣情況，通過NB-IoT管理云平臺實現運營商對水電氣公司的網絡質量管理和增值業務管理，保證了其QoS，同時大大降低了網絡的維護難度和成本。

2.3 對比分析

綜上分析，基于NB-IoT的遠程智能抄表系統較LoRa更勝一籌：

（1）部署更方便，成本更低：采用NB-IoT部署遠程抄表系統，只需將含有NB-IoT的模塊安裝在智能表中，即可與運營商基站實現通信，無需部署相應的匯聚網關，再通過運營商網絡將采集節點采集的數據傳送至水電氣集抄管理系統，可實現2級通信組網架構，降低了網絡部署工作量。后續擴容亦無須考慮網絡兼容性問題。而LoRa網絡除了需要在智能表中安裝LoRa射頻模塊，還需要根據電表的數量部署相應的匯聚網關，部署復雜度與成本較高。

（2）使用環境更安全：NB-IoT使用運營商頻段，加密性好，環境整潔。LoRaWAN使用免費的非授權頻段，且采用異步通信協議，是電池供電能量有限與低成本的最佳選擇。LoRa和LoRaWAN協議在處理干擾、網絡重疊、可伸縮性等方面具有獨特特性，但無法提供類似蜂窩協議的服務質量（QoS）信息。

（3）網絡質量管理優化：運營商對網絡進行優化和管理，降低企業成本，提供運營商級別網絡保障。運營商可基于已有網絡快速搭建一張具有連續深度覆蓋、低成本、低功耗、可漫游、質量有保障等特點的窄帶專用物聯網，拓展新興業務領域。LoRa需要由廠家維護和管理網絡，雖增加了運營費用，但方便對網絡進行維護管理。

雖然LoRaWAN協議也是公開協議，但在實際運用中，大多數廠家對LoRa設備和協議都有特殊定制，導致兼容性并不理想。

總體來看，通過NB-IoT搭建穩定、安全、高可靠的雙向通信網絡后，水電氣公司可實現實時抄表、在線監控、實時控制、實時報警、實時分析等功能，減少人力投入，提高運營效率，提供更具有針對性和科學性的動態管理，有效提高能源利用和管理水平。

3 NB-IoT技術的應用情況

3.1 NB-IoT在智能表中的市場應用情況

在政策和網絡部署方面，中國政府對NB-IoT網絡的建設給予了大力支持，中國工業和信息化部在2017年6月初下發了《關于全面推進移動物聯網（NB-IoT）建設發展的通知》，要求到2020年中國NB-IoT網絡的基站規模達到150萬個，實現對全國的普遍覆蓋及深度覆蓋。國內三大電信運營商也加快了建設步伐，一年內，將在全國部署超過50萬個NB-IoT基站。全球20多個國家在今年底將會建設30多張NB-IoT網絡。

在國內市場，2017年3月份，全球第一個NB-IoT智慧水務——深圳水務正式規模商用，在2020年之前將完成58萬個NB-IoT智能水表的部署；6月份，福州智慧水務項目宣布正式啟動規模商用部署，30萬個NB-IoT智能水表將開始部署；10月份，鷹潭10萬個NB-IoT智能水表商用上線，標志著全球第一個萬量級的NB-IoT智能水表商用項目在鷹潭正式落地。

在國際市場上，葡萄牙JANZ公司于2017年7月發布了全球首款支持NB-IoT的電表，并計劃在2020年前，在葡萄牙全面部署基于NB-IoT的智能水電氣表。意大利也在今年公布了計劃，將在2020年部署超過1 500萬個NB-IoT智能水氣表。丹麥KAMSTRUP公司和中國華為公司一起在南美進行了NB-IoT水表的試點工作。

3.2 NB-IoT技術在其他典型業務場景中的應用

NB-IoT具有窄帶寬、低功耗、廣覆蓋、接入數量多等特點。除了在智能抄表業務場景中具有優勢外，在城市管理、公共服務、智慧家居等行業也具有廣泛應用。

（1）智慧煙感：通過NB-IoT網絡組建聯網型智能煙霧報警器，實現對公共場所及家庭住宅火災隱患區域的監測。便于各地街道辦、居委會、網格辦等部門實時了解現場情況，保障現場人身和財產安全。

（2）智能井蓋：井蓋監控器終端內置NB-IoT 模塊和加速傳感器等。通過加速傳感器感應井蓋的位移和角度變化，并通過NB-IoT網絡將數據上傳，經平臺分析后將告警信息推送給維修人員。

（3）智能鎖：基于NB-IoT通信技術實現智能門鎖的遠程開啟、開門記錄統計、異常警報通知、身份識別管理、權限管理等功能，適用于智慧家庭、智能酒店、智能辦公等領域。

4 結 語

本文從技術特點和智能抄表應用方面對NB-IoT和LoRa技術做了對比分析，兩者分別有各自的特點和商業模式，在IoT市場上都將有一席之地。但筆者認為，有運營商支持和推動的NB-IoT網絡可以有效減少公共事業公司網絡運維費用和人力成本支出，在智能抄表領域，必將受到越來越多公共事業公司的青睞。

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