NB-IoT技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的應(yīng)用特性*

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(蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院 人工智能學(xué)院，蘇州 215000)

引 言

2016年在西班牙巴塞羅那舉行的世界移動通信大會(MWC2016)上，物聯(lián)網(wǎng)通信的新技術(shù)——NB-IoT(Narrowband Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng))頗受關(guān)注，成為會議的一大亮點(diǎn)[1]。本文通過兩個實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用系統(tǒng)的對比分析，引出了NB-IoT的應(yīng)用價值。在介紹NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)概念的基礎(chǔ)上，對比了傳統(tǒng)局域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)和廣域NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)的區(qū)別，給出了NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)的具體特點(diǎn)及其優(yōu)勢所在。

1 基于GPRS和ZigBee的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng)是由路燈管理人員手動控制，人工巡檢，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，工作效率低下，不能及時排查路燈相關(guān)故障，并且無法根據(jù)實(shí)際路況、人流情況來有效控制路燈照明，不符合國家提出的節(jié)能減排要求[2]。基于GPRS和ZigBee的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)可以精確監(jiān)控每盞燈具，實(shí)時監(jiān)測燈具的相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且反饋相關(guān)故障信息給指定的管理人員，有利于路燈故障及時排查，保證道路安全。系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)設(shè)控制方案，依據(jù)經(jīng)緯度、時間、光照、人流等實(shí)際路況來實(shí)時調(diào)整路燈的開關(guān)、亮度，在充分保證照明的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，從而產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益。同時智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)可自動進(jìn)行故障統(tǒng)計、能耗統(tǒng)計、亮度率統(tǒng)計等大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，極大地提高了路燈管理工作的信息化、智能化。

1.2 智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

該智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)基于GPRS和ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要由燈控終端、ZigBee網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和用戶終端4部分組成。

圖1 基于GPRS和ZigBee的智能路燈控制系統(tǒng)架構(gòu)

燈控終端一般有兩種形式存放：嵌入在燈具內(nèi)部和安裝在路燈桿內(nèi)。燈控終端負(fù)責(zé)燈具的開關(guān)控制、功率調(diào)節(jié)、燈具電流、電壓、溫度等相關(guān)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測。燈控終端無線通信上行為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，多個燈控終端和一個ZigBee網(wǎng)關(guān)組成一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，燈控終端接收ZigBee網(wǎng)關(guān)的下行控制命令，實(shí)現(xiàn)對燈具的控制，同時燈控終端通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將燈具狀態(tài)數(shù)據(jù)上行發(fā)送給ZigBee網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對燈具的狀態(tài)監(jiān)測。

ZigBee網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的橋接轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時還需要ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)控制，為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，將所在網(wǎng)絡(luò)下的所有燈控終端數(shù)據(jù)匯集后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器。另外ZigBee網(wǎng)關(guān)本地還需要保存路燈相關(guān)的監(jiān)控策略等信息。

服務(wù)器即云端服務(wù)器，負(fù)責(zé)與所有ZigBee網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交互，接收到ZigBee網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理后存儲到本地數(shù)據(jù)庫中，供客戶端查詢，同時服務(wù)器接收客戶端相應(yīng)的控制命令并下發(fā)給ZigBee網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對燈具的實(shí)時監(jiān)控。另外云端服務(wù)器上還需要運(yùn)行整個監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控策略，如時控策略、光控策略、亮燈率監(jiān)測、故障率監(jiān)測等。

用戶終端即為用戶最終的呈現(xiàn)方式，目前主要有基于PC的客戶端、瀏覽器和基于手機(jī)平板的APP、微信小程序等方式，另外也可以有專用的用戶終端設(shè)備。用戶終端主要用于展現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，同時支持向ZigBee網(wǎng)關(guān)、燈控終端發(fā)送相應(yīng)的監(jiān)控命令。

2 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)概述

水質(zhì)監(jiān)測是監(jiān)視和測定水體中污染物的種類、各類污染物的濃度及變化趨勢，評價水質(zhì)狀況的過程。監(jiān)測范圍十分廣泛，包括未被污染和已受污染的天然水(江、河、湖、海和地下水)及各種各樣的工業(yè)排水等。

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法為人工監(jiān)測，工作人員定期或不定期到監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)采樣，然后在實(shí)驗室對水樣進(jìn)行化驗分析，從而獲得水質(zhì)的各種參數(shù)。該方法不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且容易出現(xiàn)計算錯誤、采樣不均等問題，且實(shí)時性差、勞動強(qiáng)度大、效率低、檢測周期長、成本高、監(jiān)測范圍小，無法實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時、連續(xù)自動監(jiān)測[3]。

2.2 基于GPRS和ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

目前現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)多采用與上述智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)相同的架構(gòu)，如圖1所示。不同的是ZigBee網(wǎng)絡(luò)不再是對路燈的監(jiān)控，而是對水質(zhì)傳感器的監(jiān)測，即系統(tǒng)終端需要做相應(yīng)的變化，這里就不再贅述。

2.3 基于GPRS和ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的缺點(diǎn)

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的終端設(shè)備并不像路燈設(shè)備那么密集，在幾百米甚至幾公里范圍內(nèi)只需要一個監(jiān)測點(diǎn)即可，因而ZigBee網(wǎng)關(guān)所組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)下一般只有一個監(jiān)測終端，無法像智能路燈系統(tǒng)那樣實(shí)現(xiàn)一個ZigBee網(wǎng)關(guān)對幾百個燈控終端組網(wǎng)。因此水質(zhì)監(jiān)測終端和ZigBee網(wǎng)關(guān)的成本極大提高，無法得到控制。

ZigBee網(wǎng)關(guān)下通常只有一個水質(zhì)監(jiān)測終端，因而一般將ZigBee網(wǎng)關(guān)功能直接放入水質(zhì)監(jiān)測終端中實(shí)現(xiàn)，該水質(zhì)監(jiān)測終端同時包含相關(guān)水質(zhì)監(jiān)測傳感器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊，GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊的功耗較大。而水質(zhì)監(jiān)測終端基本都是布置于戶外監(jiān)測水點(diǎn)，因為只能采用電池供電方案，所以采用基于GPRS和ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測終端無法滿足電池供電低功耗的需求。

基于GPRS和ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信上為二級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，既需要走運(yùn)營商的一級網(wǎng)絡(luò)，還需要走ZigBee二級局域網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較復(fù)雜，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時延大、效率低等缺點(diǎn)。

3 基于NB-IoT技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)主要由監(jiān)測終端、服務(wù)器和用戶終端三部分組成。

圖2 基于NB-IoT技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測終端與相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測傳感器通信，采集相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)，再通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)直接發(fā)送給云端服務(wù)器，同時也接收來自云端服務(wù)器的相關(guān)監(jiān)控命令。服務(wù)器和用戶終端與路燈監(jiān)控系統(tǒng)中的服務(wù)器和用戶終端功能相同，主要負(fù)責(zé)云端服務(wù)器數(shù)據(jù)收發(fā)存儲和水質(zhì)數(shù)據(jù)的用戶展示。

3.2 兩種監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)的區(qū)別

通過圖1和圖2系統(tǒng)架構(gòu)對比，不難發(fā)現(xiàn)這兩種系統(tǒng)架構(gòu)最大的區(qū)別主要有以下幾方面：

① 網(wǎng)絡(luò)層級不同。基于NB-IoT的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信是一級網(wǎng)絡(luò)，每個監(jiān)測終端直接和云端服務(wù)器通信。基于ZigBee和GPRS的路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用的是二級網(wǎng)絡(luò)，燈控終端并非直接和云端服務(wù)器通信，均需要經(jīng)由ZigBee網(wǎng)關(guān)來路由轉(zhuǎn)發(fā)。因而，基于NB-IoT的一級網(wǎng)絡(luò)要簡單得多，且網(wǎng)絡(luò)傳輸時延小、效率高。

② 網(wǎng)關(guān)路由不同。基于ZigBee和GPRS的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，燈控終端和云端服務(wù)器間數(shù)據(jù)傳輸必須經(jīng)由ZigBee網(wǎng)關(guān)路由。而基于NB-IoT一級網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，則不再需要網(wǎng)關(guān)路由，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，降低了網(wǎng)關(guān)路由成本。

③ 網(wǎng)絡(luò)類型不同。這也是兩個系統(tǒng)最大的區(qū)別，NB-IoT和GPRS同屬于廣域通信網(wǎng)絡(luò)，但兩者有很大的區(qū)別。燈控終端采用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，ZigBee與NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)區(qū)別就更大了，ZigBee屬于短距離通信局域網(wǎng)，NB-IoT屬于廣域通信網(wǎng)絡(luò)。

通過以上兩種不同系統(tǒng)的應(yīng)用引入了NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特性，下面就具體介紹NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

4 NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)

4.1 NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)概述

在NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)之前，物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)主要有以下三類：

① 低功耗短距離無線通信技術(shù)，包括Bluetooth、WiFi、ZigBee等。這類技術(shù)的通信距離一般為10～1 000 m。一般情況下，采用該類通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)來管理其局域網(wǎng)下的各類終端設(shè)備。網(wǎng)關(guān)再通過蜂窩網(wǎng)接入以太網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)與云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。

② 非授權(quán)低功耗廣域通信技術(shù)(Low Power Wide Area，LPWA)，一般為私有技術(shù)方案采用非授權(quán)頻譜，如868 MHz、2.4 GHz的公共頻譜，或Sigfox的UNB(Ultra Narrow Band)技術(shù)和Semtech的LoRa(Long Range)技術(shù)，該類網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍為1～100 km。

③ 授權(quán)頻譜的廣域網(wǎng)通信技術(shù)，包括海量機(jī)器類通信(Enhanced machine-Type Communications，EMTC)技術(shù)、擴(kuò)展覆蓋GSM技術(shù)(Extended Coverage-GSM，EC-FSM)等，該類網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍為1～100 km。

其中，第三類技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展要晚于前兩類，但競爭優(yōu)勢明顯，網(wǎng)絡(luò)部署成本低、覆蓋范圍廣。NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則是在第三類技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展而來的。在這個背景下，第3代合作伙伴計劃(3GPP)于2015年9月正式確定窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)標(biāo)準(zhǔn)立項，全球超過50家公司積極參與，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議核心部分在2016年6月宣告完成，并正式發(fā)布基于3GPP LTE R13版本的第1套NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，NB-IoT系統(tǒng)技術(shù)和生態(tài)鏈將逐步成熟[4]。

4.2 NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)

NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要有大連接、廣覆蓋、低成本、低功耗、深穿透5個基本特點(diǎn)。

① 大連接：同一基站下，NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)可以比現(xiàn)有廣域無線通信技術(shù)提供50～100倍的接入量，一個扇區(qū)可以支持高達(dá)10萬個連接[5]。

② 廣覆蓋：通過重傳、低階編碼等技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道覆蓋增強(qiáng)20 dB[6]，對廣覆蓋需求的區(qū)域提供可靠的無線通信服務(wù)。

③ 低成本：首先，NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)可直接部署于已有的商用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有的2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)共用基站，因而極大降低了網(wǎng)絡(luò)部署成本；其次，流量費(fèi)低，NB-IoT主要應(yīng)用于輕數(shù)據(jù)量應(yīng)用場合，流量費(fèi)低是NB-IoT主要優(yōu)勢之一。

④ 低功耗：使用NB-IoT的輕數(shù)據(jù)量應(yīng)用場景，數(shù)據(jù)通信間隔一般可達(dá)到幾十分鐘甚至數(shù)月，因而NB-IoT通信模組在不通信的時間內(nèi)將其網(wǎng)絡(luò)連接態(tài)轉(zhuǎn)換為睡眠態(tài)，在睡眠狀態(tài)下關(guān)閉射頻以達(dá)到省電的目的，電池供電的NB-IoT設(shè)備待機(jī)時間可達(dá)到10年甚至更久，靜態(tài)功耗目標(biāo)可達(dá)μA級[7]。

⑤ 深穿透：由于NB-IoT技術(shù)所在頻譜的室內(nèi)穿透能力強(qiáng)，因而特別適用于一些現(xiàn)有通信無法穿透或者信號較差的場合(如廠區(qū)、地下車庫等)。

4.3 低功耗廣域覆蓋技術(shù)對比

NB-IoT技術(shù)是低功耗廣域覆蓋技術(shù)(Low Power Wide Area,LPWA)的一種，LPWA技術(shù)還包括SigFox、LoRa和eMTC等，其中SigFox和LoRa工作在非授權(quán)頻譜，而NB-IoT和eMTC工作在授權(quán)頻譜[8]。表1列舉了上述4種LPWA的技術(shù)對比，從表中可知，在授權(quán)頻譜工作的NB-IoT技術(shù)的覆蓋能力最強(qiáng)且功耗更低，可以說NB-IoT技術(shù)是輕數(shù)據(jù)、海量連接、廣覆蓋、低成本廣域無線通信的最佳選擇。

4.4 NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景

由于NB-IoT的技術(shù)特性，其主要面向輕數(shù)據(jù)、低功耗、深覆蓋、大容量及低速率的應(yīng)用業(yè)務(wù)，同時由于對于移動性支持較差，更適用于對實(shí)時性要求不高、靜態(tài)或非連續(xù)移動的應(yīng)用場景，NB-IoT典型的應(yīng)用場景如表2所列。在表中，上行數(shù)據(jù)指NB-IoT終端通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)向云端服務(wù)器傳送的數(shù)據(jù)信息。下行數(shù)據(jù)指云端服務(wù)器通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)向NB-IoT終端傳送數(shù)據(jù)信息。

表1 LPWA技術(shù)多維對標(biāo)

表2 NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場景

結(jié) 語