基于NB-IoT技術的無線傳感網融合組網研究

吳小軍 沈士根 趙金皓(東華大學信息科學與技術學院 上海 060) (東華大學計算機科學與技術學院 上海 060)

0 引 言

無線傳感網絡WSN融合了現代感應技術、網絡通信技術、嵌入式系統和計算機技術,實現了從信息獲取、傳輸到數據處理都集成到一塊集成電路上來完成，實現了對物理世界的數字感知。WSN在國防軍事、環境保護監測、醫療、應急搶險救災、智能交通及商業應用等領域具有十分廣闊的應用前景[1]。

移動蜂窩網絡逐步實現了區域的有效覆蓋，除了基本的語音通話功能外，隨著由2G向3G、4G的演進，數據傳輸的速率和質量也逐步提高，當前高速率的接入可以由LTE(3G，4G)來提供，中低速率的可以由2G網絡來提供。學術界已經對將蜂窩網絡用作各種不同功能的WSN的數據接入進行了研究并取得一批研究成果[2-4]。但在實際應用中由于移動蜂窩網絡區域部署還不均衡,人口密度較低地區還不能實現高速數據傳輸，且同一蜂窩支持接入的容量有限，單接入點芯片和使用費用較高。因此直接將移動蜂窩網絡大規模直接應用到WSN中進行數據接入目前還不現實。

由于WSN對接入網絡的特定需求，對于能夠滿足WSN的低成本、低功耗、廣覆蓋和大容量需求的接入網絡的研究已經受到廣泛關注，如Lora、Sigfox等協議。由我國華為、中興等公司牽頭全球多家企業共同參與制訂的基于移動蜂窩網絡的窄帶物聯網標準NB-IoT在多種標準中脫穎而出。標準協議核心部分已于2016年通過3GPP標準化評估，移動通信公司已啟動NB-IoT的商業化應用。

1 NB-IoT的優勢及其部署場景

1.1 NB-IoT的優勢

NB-IoT能夠滿足WSN地域分布廣、運行時間長、數據量有限的需求。NB-IoT依托于已經覆蓋全球90%的人口和超過50%的地理區域的移動蜂窩網絡，實現了低速窄帶寬環境下物聯網的高效組建。與傳統的物聯網通信技術相比，NB-IoT對于移動蜂窩結構的優化使用使得NB-IoT在只占用180 kHz 頻帶的情況下就可以進行部署。以犧牲一定速率、時延、移動性等特性，換取了低功耗廣域網的承載能力，極大地控制系統的建設開發成本，減少了不必要的資源浪費與人力損耗。這使得NB-IoT滿足了智能交通如極大數量的共享單車、固定建筑或裝置設備監測、分布廣泛的城市公用事業如自來水表遠程抄表等對于物聯通信技術的使用需求[3]。

NB-IoT網絡具備四大特點[5]：

(1) 覆蓋更廣更深。鏈路預算為164 dB，大大優于GSM、 LTE 系統，穿透能力強，提供更廣更深的覆蓋。在開闊區域，一個NB-IoT基站可提供7 倍于傳統蜂窩的覆蓋面積。從覆蓋深度角度看，可以覆蓋到位于地下室或隧道中的終端。

(2) 容量大。依據3GPP 45.820業務模型，NB-IoT系統具備“海量”連接的能力，即同一個扇區在24小時內能夠支持約5萬個終端連接。

(3) 能耗低。終端超低能量消耗，NB-IoT 模組的理論待機時間可長達10年。

(4) 低成本。極低的模組成本，目前單個模組的價格已經降到5美元以下，隨著大規模的推廣使用未來還將繼續降低成本。

1.2 NB-IoT 部署場景

NB-IoT的射頻發射帶寬為180 kHz，共有 3 種部署方式：獨立部署、保護帶部署、帶內部署，分別如圖1-圖3 所示[6]。

(1) 獨立模式：可以利用單獨的頻帶，在GSM頻段中統一固定分配出一部分給NB-IoT。

(2) 保護帶模式：可以充分利用LTE系統中邊緣的無用頻帶。

(3) 帶內模式：可以定義利用LTE 載波中間的任何資源塊。

圖1 NB-IoT部署的獨立部署模式

圖2 NB-IoT部署的保護帶部署模式

圖3 NB-IoT部署的帶內部署模式

2 無線傳感網的網絡拓撲

2.1 典型WSN的組成結構

WSN由無線連接的匯聚節點、傳感節點、簇頭節點和應用網絡接入等幾部分構成。工作原理是[7]:隨機地把眾多的傳感器節點部署在某個指定的監測區域內。通過無線傳輸方式將采集到的數據信息以多跳接力的方式傳輸給應用管理系統，從而實現用戶對遠程終端的監測和后續處理。組成結構分為不分層單跳結構、不分層多跳和分層多跳結構共3種組網方式[8-9]，分別如圖4-圖6所示。

圖4 不分層單跳無線傳感器網絡體系結構

圖5 不分層平面多跳無線傳感器網絡體系結構

圖6 分層多跳無線傳感器網絡體系結構

2.2 無線傳感器節點

單個WSN傳感器節點主要由以下幾部分組成[10]：一個采集被監測區域的特定指標數據信息并進行模擬數字轉換的模擬信號傳感芯片；一個用于執行數據的計算和網絡指令的中央處理器；一個與其他節點進行通信、收發數據并交換控制信息的射頻收發器。傳感器節點由自身電池供電，單個節點的生存周期一般為幾個月到幾年。WSN中的傳感器節點具備以下特點：小體積、低成本和少能耗。圖7為無線傳感器節點內部結構圖。

圖7 無線傳感器節點內部結構圖

2.3 WSN的關鍵技術

作為當今信息技術與計算機網絡技術領域的研究熱點之一，WSN的關鍵技術具有多項技術融合、多學科交叉等特征。目前WSN的關鍵技術研究在節能技術、網絡拓撲、通信協議、網絡安全、時間同步、定位技術、數據融合等諸多方面[11]。

1) 網絡通信協議。WSN與傳統固定網絡有很大的不同：節點相對固定；數據包更小，導致數據傳輸開銷更大；節點自身的計算、存儲、通信能力有限；節點因能量耗盡而易失效；節點通信的能耗遠遠大于數據計算；節點數眾多但沒有類似TCP/IP網絡的統一編碼。WSN的上述特點使得眾多傳統網絡的路由協議不能直接應用，需要單獨設計一種WSN協議負責在匯聚節點和其余節點間可靠地傳輸數據。其中紫蜂協議(ZigBee)作為一種低速短距離傳輸的無線網絡協議被廣泛使用[12]。該協議共分物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網絡層、應用層等5層。

2) 數據融合技術。不同于一般數據傳輸網絡，WSN的顯著特點就是通過處理對數據進行融合。大量密集的傳感器節點獲取的數據重復性很高，通過在網內進行數據融合能夠減少帶寬的占用，減少了重復的數據傳輸量，降低能量消耗，從而延長該WSN的生命周期。如何有效地在節點、簇頭、會聚點或應用軟件之間分配數據融合任務，設計延長網絡生命周期的融合路徑機制對WSN的高效運行至關重要。

2.4 WSN的不足之處

1) 傳輸效率低。分層的WSN需要在數據傳輸中進行標識,如果是多層結構需要在數據簇頭增加較多的高層簇頭，將導致傳輸效率的降低，數據傳輸的速度下降。

2) 安全問題突出。傳感器節點要通過多次路由轉發才能將數據傳到相關的監測管理應用，容易存在數據被中途竊取、丟失等問題。

3) 接入困難。由于采用有線接入，WSN的實施區域受到較大局限，現有有線網絡的分布在不同的區域是不均衡的，有些需要部署WSN的區域與有線網絡的覆蓋范圍之間的距離遙遠。這種情況下僅僅依靠無線多跳網絡到達有線IP的邊界是不現實的。

3 基于NB-IoT的WSN組網設計

隨著WSN技術的發展，智能家庭、智能醫療等應用的不斷成熟，WSN的移動性越來越多的受到專家和學者的關注。而蜂窩網能夠為接入終端提供低延時和低能耗的平滑切換。NB-IoT技術借助于各大運營商的移動蜂窩網絡，實現了廣域的覆蓋和無線的移動。隨著技術的進一步成熟和芯片成本的降低，NB-IoT技術將在WSN的組網中得到越來越廣泛的運用，現提出以下3種組網方案。

3.1 方案1：NB-IoT用于無線傳感網接入應用的通道

此方案中NB-IoT用于替換原先的有線網絡接入，大大降低原先有線網布網的難度，實現快速組建無線傳感網。如圖8所示。

圖8 NB-IoT應用方案1示意圖

3.2 方案2：NB-IoT作為雙模匯聚節點

對原先WSN中的Sink節點進行改造，讓該節點既能夠作為匯聚節點，又作為數據輸出的連接點。這樣的雙模節點能夠簡化WSN，提高數據傳輸效率，減少冗余數據傳輸。如圖9所示。

圖9 NB-IoT應用方案2示意圖

3.3 方案3：NB-IoT集成到傳感器

待NB-IoT大規模推廣后，核心芯片及模組的單價大幅度下降，且集成度更高后，各類傳感器可以直接通過NB-IoT接入到應用網絡(NB-IoT無線傳感器)。這將使得無線傳感器技術發展到更加智能化、網絡化階段，擺脫對WSN的依賴。如圖10所示。

圖10 NB-IoT應用方案3示意圖

3.4 方案比較分析

如表1所分析，在現有系統改造升級時，選擇方案1代價最小，快速實現。在新建WSN時，選擇方案2,網絡簡化，代價低，是當前建設和升級WSN的最佳選擇。未來NB-IoT芯片和模組得到大規模應用成本大幅度降低后，可以將NB-IoT芯片直接集成到傳感器，開發出新一代智能無線傳感器，實現方案3。

表1 傳統方案與3種方案的比較

4 NB-IoT-WSN網關數據融合方案

4.1 NB-IoT-WSN信息轉發網關方案

雙模網關是WSN傳感器數據的匯聚點，也是數據傳輸到應用系統的上傳通道。網關將采集到的數據轉發到應用系統，由應用系統進行數據的融合處理。

4.2 NB-IoT-WSN網絡層協議融合方案

通過對NB-IoT協議棧中部分協議的修改，或者對WSN中廣泛使用的協議(如ZigBee)進行修改，使得NB-IoT網絡和WSN內部使用的協議能夠進行信息互通。

4.3 NB-IoT-WSN數據融合網關方案

該網關在以上方案的基礎上，不僅轉發信息，而且能對數據進行融合。實現數據融合，網關需要對各傳感器進行管理，對傳送任務進行管理，對數據進行處理。該方案易于實現，不必對協議進行修改。在本文后續的方案設計中采用該方案實現數據的傳輸和融合處理。

5 基于NB-IoT的WSN組網設計

5.1 網關硬件構造

NB-IoT-WSN網關由微處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊和相關輔助模塊構成。微處理器模塊主要作用是對ZigBee和NB-IoT異構網絡數據包進行轉換處理，同時進行數據融合[13]。如圖11所示。無線通信模塊包括ZigBee模塊和NB-IoT模塊，分別與WSN網絡和基于移動通信平臺的NB-IoT網絡進行通信。

圖11 NB-IoT-WSN網關示意圖

5.2 數據幀格式

NB-IoT的下行采用正交頻分多址(OFDMA)技術，幀結構與無線蜂窩網絡的LTE幀結構相同[14]，見表2。ZigBee幀格式見表3。1個時常為10 ms無線幀包含了10個長度為1 ms的子幀，采用15 kHz的子載波間隔。NB-IoT上行采用單載波頻分多址(SC-FDMA)技術，終端支持單子載波和多子載波技術，對應兩種幀結構，子載波帶寬為15 kHz的幀結構與LTE的下行幀結構相同，為NB-IoT新設計的一種幀結構是子載波帶寬為3.75 kHz的幀結構。

表2 NB-IoT幀格式

表3 ZigBee幀格式

5.3 傳輸過程

數據傳輸時分為上行傳輸和下行傳輸。由NB-IoT-WSN網關進行數據幀的轉換，在NB-IoT與ZigBee之間形成協調器[15]。串口接收的數據由DMA 通道以透明傳輸的方式傳入,在網關建立Socket 服務器,協調器發來的數據傳入，并通過一定的算法進行數據融合處理。最后由串口進行發送。

6 結 語

本文在對窄帶物聯網NB-IoT技術及WSN深入研究的基礎上，提出了3種利用NB-IoT技術來為WSN進行數據匯聚和數據傳輸的模型。并選擇其中一種當前比較可行的模型進行了雙模網關的結構設計，能夠實現數據在不同網絡之間的轉換，也能夠有效地進行數據融合減少冗余數據。隨著移動通信網絡LTE的不斷演進和覆蓋密度的增強，以及相關芯片、模組的成熟，NB-IoT可以在WSN應用領域得到進一步的深入應用。研究的下一步工作是編寫網關中數據轉換和融合的程序代碼，并對系統的穩定性、傳輸效率、安全性等進行分析。

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