窄帶物聯網技術在航標遙測遙控中的應用

鞏海方 姜書成

摘? 要：航標遙測遙控系統是為實現航標信息化管理而開發的一套高性能、跨平臺、具有良好擴展性的軟件系統，但隨著現代通信技術、物聯網技術的發展，系統綁定的通信卡遇到了無法辦理的問題。本文就窄帶物聯網卡在航標遙測遙控系統中的應用進行探討，提出了提高航標遙測遙控覆蓋率的途徑和方法。

關鍵詞：窄帶;遙測遙控;物聯網;傳輸速率;監控

1 窄帶物聯網技術及其優勢

1.1 窄帶物聯網概念

窄帶物聯網是由3GPP（《第三代伙伴計劃協議》）標準化組織定義的一種技術標準，是一種專為物聯網設計的窄帶射頻技術。這種技術可應用于GSM網絡和LTE網絡。2015年9月，國際電聯正式對外公布了物聯網標準，將LTE-M更名為NB-IOT（窄帶物聯網）。

1.2 窄帶物聯網優勢

（1）海量連接

與傳統的2G/3G/4G相比，NB-IoT有50～100倍的上行容量提升，200kHz帶寬下單基站小區可支持5萬用戶。因此，與現有無線技術相比，NB-IoT可以提升50～100倍的接入數，同時進行了海量存儲和接入控制的優化，適合海量接入的場景。

（2）深度覆蓋

NB-IoT無線技術提升了功率譜密度，NB-IoT比LTE提升20dB增益，即覆蓋能力提升100倍，很好地實現了廣域覆蓋，即使在地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方也能覆蓋到。

（3）低功耗

NB-IoT節電技術DRX（Discontinuous Reception）和PSM（Power Saving Mode），通過減少不必要的信令和在PSM狀態時不接受尋呼信息來達到省電的目的，可讓設備時時在線，保障電池5年以上的使用壽命。

（4）低成本

NB-IoT核心網相對傳統EPC核心網增加了“小包數據控制面傳輸優化、節電優化（PSM、eDRX）”，信令流程簡化、大幅降低消息交互，實現NB-IoT的低移動性接入。低速率、低復雜度帶來的是低成本，NB-IoT芯片可以做得很小。芯片成本往往和芯片尺寸相關，尺寸越小，成本越低，NB-IoT在射頻上做了優化，模塊的成本隨之變低。

2 航標遙測遙控系統及其組成特點

2.1 航標遙測系統組成特點

航標運行信息監控系統（航標遙測遙控系統）是為實現航標信息化管理而開發的一套高性能、跨平臺、具有良好擴展性的軟件系統。它運用現代數字通信技術和計算機網絡技術結合，將分散的航標技術信息通過多種通信方式基于物聯網技術集中起來，運用相關的信息科學進行數據分析，通過RIA（富互聯網應用）技術將結果直觀全面的呈現給用戶;通過高效簡潔的用戶界面，用戶可以實時的監控航標終端的運行狀態，及時的發現和處理航標終端運行中出現的故障和問題，提高了航標管理效率，提升了航標的可利用率。系統采取了基于Flex系列技術的數據交互架構，可用于構建具有豐富表現力的 Web應用程序，運行時跨瀏覽器、桌面和操作系統實現一致的部署。安裝于燈浮標上的遙測遙控終端采集燈浮標工作參數后，通過通信網將數據遠程傳送到航標管理中心，配套的軟件進行數據分析處理，實現燈浮標實時監控和故障報警、回放、存儲等功能。

2017年，北海航海保障中心對轄區各處遙測遙控系統進行了升級改造，航標遙測遙控系統升級完成后，解決了遙測遙控系統與基礎信息庫航標信息實時同步、關聯綁定、終端燈器調試及優化等問題，目前已完成海區、天津、秦皇島、大連、營口、煙臺轄區遙測遙控系統升級改造工作，共有1 108座航標實現遙測遙控。升級前遙測遙控系統中只包含數據庫中的一部分信息，升級后則完全同步，數據庫中的信息在遙測遙控系統中實現自動全覆蓋，從而實現類別統計、遙測遙控率統計、報表統計等新功能。升級后的系統性能穩定，功能完善，操作方便，失常航標信息準確，為監控航標運行狀態提供了更易用、更可靠的管理平臺，克服了因信息交互不及時導致的航標恢復滯后問題。

2.2 系統終端存在的問題及解決辦法

對于航標而言，其大多布設在開闊水域，其供電方式大多采用太陽能板加鋰電池的形式，其中鋰電池的生產和廢棄都會造成一定程度的污染，所以在滿足實際需求的前提下盡量降低負載功耗是降低環境污染的一個重要途徑。航標消耗電能主要由照明和數據通信組成，就數據通信而言，傳統航標大多依靠2G網絡進行數據傳輸，根據浙江移動物聯網開放實驗室測試報告，通過對選取的3家物聯網（NB-IoT）模組與2G（GPRS）模組進行各工作狀態下的耗電分析，可以得出NB-IoT在低功耗上具有明顯優勢，無論是聯網峰值電流還是PSM休眠模式，功耗都要遠遠低于傳統2G模組。所以從節約資源和保護環境的基本國策出發，有必要對航標遙測遙控終端的通信方式進行升級改造。

2018年1月，北海航海保障中心基于窄帶物聯網（NB-IoT）技術的智能航標終端研發測試成功，開始正式商用。利用NB-IoT技術結合傳感器，通過采集航標電壓、電流、經緯度，溫濕度，電池狀態等動態信息實現針對航標的實時監控，采集的數據經NB-IoT網絡回傳至航標管理平臺和手機APP，經過數據分析后實現航標狀態告警、位置偏移等報警功能。利用NB-IoT物聯網絡深度覆蓋、低延遲、低功耗、支持海量連接、穩定可靠的特點，將有效解決現有2G/3G/4G網絡在航道縱深較長時信號覆蓋弱、長延遲、通信不穩定等問題，增加航標終端數據采集的穩定性、實時性，大幅提高航標終端的適用性和分布范圍。基于NB-IoT物聯網通信技術的新型航標燈器，是NB-IoT技術在航標設備領域的首次應用，達到國際領先水平，NB-IoT智能航標終端的應用，讓用戶真正體驗到物聯網的絕佳應用場景，也必將成為未來航標終端發展趨勢。

3 具體的技術方案

由于此次遙測遙控終端升級涉及范圍較大且投入成本較多，為保證遙測遙控終端升級的順利實施，設置幾組終端進行試驗。以天津港海域為例，此次試驗的終端通信技術采用的為支持中國電信的NB-IoT技術，圖1、圖2為天津港南錨地沉船浮標和新港12號燈浮標位置和通信情況。

由于航標不但涉及海上安全也會涉及運營費用，同時還涉及運營商信號是否穩定，所以前期通過與天津地區中國移動協商，由中國移動提供NB-IoT通信測試設備，在天津航標處對航標進行巡檢的過程中進行移動NB-IoT信號測試。2018年2月6日，對天津港主航道和大沽沙航道其信號進行測試，并對天津港主航道利用“海巡15020”輪進行測試，“海巡15020”輪行駛的軌跡在11：30—12：30時間段，沒有數據傳送到平臺，其余時間段船行駛路線信號均沒有問題，此處海域據天津港陸地最近約28 km，距離曹妃甸最近約18 km;對于大沽沙航道利用“海巡15002”輪進行測試，“海巡15002”輪行駛的軌跡一直都有數據傳輸到平臺，但信號傳輸中有一段（11：20-11：25）比較弱，此處海域距陸地較遠約25 km，其余時間段船行駛路線信號均沒有問題。

參考文獻

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