NB-IoT接入組網(wǎng)與應(yīng)用研究

丁少?gòu)V

河南省通信工程局有限責(zé)任公司 河南 鄭州 450000

引言

隨著通信與信息技術(shù)的快速發(fā)展以及人類對(duì)物質(zhì)、精神生活質(zhì)量的不斷提高，萬(wàn)物互聯(lián)逐步走入人類的生活。物聯(lián)網(wǎng)一方面將人們生活的各種設(shè)施設(shè)備連接在一起，增加了人們生活中的便利性；另一方面，將人們所需的信息匯總處理，為人們的生活提供智能化的建議。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和5G時(shí)代到來(lái)使得物聯(lián)網(wǎng)不再局限于有線網(wǎng)絡(luò)連接，基于Zig Bee、藍(lán)牙、Wi-Fi等無(wú)線連接組網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷出現(xiàn)并得到發(fā)展，而基于低速率廣域通信技術(shù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)——NB-IoT技術(shù)，憑借其在網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)升級(jí)和傳輸資源占用[1]、網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)[2]以及可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)，在智慧城市、智慧停車、智慧醫(yī)療等方面得到快速發(fā)展。

1 NB-IoT的概念及特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)由國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在2005年提出，指的是利用GPS、傳感器、RFID等感知技術(shù)和設(shè)備，對(duì)需要連接、控制的和獲取信息的物進(jìn)行聲、光、熱、圖像等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)形成一個(gè)覆蓋廣泛、無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)物-物、物-人、人-人的廣泛連接，以達(dá)到信息識(shí)別、控制、管理的目的[3]。

所謂NB-IoT，是3GPP定義的“一種利用窄帶LTE技術(shù)來(lái)承載物聯(lián)網(wǎng)”的技術(shù)[4]，其特點(diǎn)如下：

1.1 強(qiáng)覆蓋能力

NB-IoT與LTE相比，覆蓋能力提升了20dB，且支持164dB的最大耦合損耗（MCL）,從而保障了信號(hào)的覆蓋廣度和深度，無(wú)論室外還是室內(nèi)終端的數(shù)據(jù)都可以得到有效傳輸。

1.2 低功率消耗

NB-IoT終端設(shè)備的電池使用設(shè)計(jì)壽命年限是十年以上，為此，3GPP引入了節(jié)電模式（PSM）和非連續(xù)接受模式（eDRX），從而保證終端設(shè)備在無(wú)信號(hào)收發(fā)時(shí)可以處于休眠狀態(tài)，可以在很大程度上避免能源浪費(fèi)。這是NB-IoT技術(shù)在諸多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中凸顯的優(yōu)勢(shì)。

1.3 大用戶連接量

NB-IoT每個(gè)小區(qū)支持超過(guò)50000個(gè)連接[5]。根據(jù)其信號(hào)特征，一個(gè)信號(hào)單元可以同時(shí)接入大量的設(shè)備。另外，NB-IoT 下行鏈路傳輸使用子載波級(jí)傳輸，提供了更高的下行鏈路資源利用率。與傳統(tǒng)LTE相比，NB-IoT的信令開(kāi)銷也得到了簡(jiǎn)化，隨著eNB與用戶之間的信令消息數(shù)量減少，可以在較短的時(shí)間內(nèi)釋放資源，有助于容納更多的用戶。

1.4 低復(fù)雜程度

與傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)相比，NB-IoT終端結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了優(yōu)化和簡(jiǎn)化，其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)量、信道數(shù)量、收發(fā)信機(jī)均進(jìn)行了減少。由于僅進(jìn)行低速率通信，終端設(shè)備不需要大容量存儲(chǔ)。同時(shí)，IP多媒體系統(tǒng)也予以刪除。終端設(shè)備的復(fù)雜程度、制造成本均大幅降低。

2 NB-IoT組網(wǎng)

NB-IoT的普遍使用必須建設(shè)大規(guī)模的基站，并對(duì)核心網(wǎng)進(jìn)行改造或新建。對(duì)于建設(shè)初期，要結(jié)合商業(yè)化情況以及投資成本實(shí)際情況進(jìn)行合理的決策。本研究?jī)H對(duì)接入層次的組網(wǎng)進(jìn)行研究。

NB-IoT的接入組網(wǎng)方式根據(jù)實(shí)際情況有多種多樣，本研究?jī)H就一種基礎(chǔ)組網(wǎng)方式進(jìn)行探討，為后續(xù)研究提供一定的參考，其主要結(jié)構(gòu)包括：傳感器感知節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)、接入節(jié)點(diǎn)、匯聚層、核心網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，接入組網(wǎng)主要由傳感器感知節(jié)點(diǎn)到接入節(jié)點(diǎn)之間的部分組成，如圖1。

接入組網(wǎng)圖

傳感器感知節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)由眾多傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器的作用是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、獲取數(shù)據(jù)、發(fā)送和接受信息等，傳感器節(jié)點(diǎn)可以帶有中繼功能，從而可以減輕接入節(jié)點(diǎn)NB-IoT基站的資源占用。接入節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳感器感知節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)與外網(wǎng)的信息交換。接入節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)NB-IoT匯聚層、無(wú)線核心網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)服務(wù)器或用戶應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)信息交互和控制功能。

3 NB-IoT技術(shù)應(yīng)用方案研究

3.1 智慧城市

智慧城市將大量的相互連接的NB-IoT終端用于垃圾管理、交通管理、空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。通過(guò)使用電力通信和NB-IoT的智能路燈系統(tǒng)，為城市提供適時(shí)的、合理亮度的照明，同時(shí)也節(jié)約了能源消耗。使用深度學(xué)習(xí)和NB-IoT的垃圾處理場(chǎng)，能夠通過(guò)精準(zhǔn)識(shí)別，對(duì)垃圾進(jìn)行分類，降低成本，節(jié)約資源。

3.2 智慧停車

基于NB-IoT的智慧停車系統(tǒng)一般包括傳感器、云服務(wù)器、用戶應(yīng)用程序和支付系統(tǒng)。它可以幫助快速查詢空閑車位，降低了部署成本，提升了用戶體驗(yàn)。與此同時(shí)，城市管理也更加有序，可以大大減少城市違規(guī)停車影響城市形象、影響交通秩序的情況。

3.3 智慧車輛

智慧車輛網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以包括NB-IoT終端、基站、核心網(wǎng)、云平臺(tái)、后臺(tái)服務(wù)器以及交通管理平臺(tái)。通過(guò)獲取實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)為駕駛員提供交通線路，通過(guò)獲取車輛速度可以發(fā)送超速告警。在提供安全駕駛保障的同時(shí)，幫助避免交通擁堵和交通事故。同樣的，通過(guò)安裝有NB-IoT模塊的智慧路燈、智慧交通隔離帶等設(shè)備作為信息中繼，安裝有NB-IoT模塊的車輛可以獲取位置信息以及與其他車輛的距離，從而向其他距離過(guò)近的車輛發(fā)送告警信息，防止交通事故發(fā)生。

3.4 智慧醫(yī)院

智慧醫(yī)院是指將NB-IoT應(yīng)用在監(jiān)護(hù)中心、儀表讀數(shù)、門(mén)診、藥房、醫(yī)院停車等方面。尤其在病人臨床護(hù)理和血壓、心率等遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)方面能夠發(fā)揮重要作用，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)醫(yī)療指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取和持續(xù)跟蹤，醫(yī)生可以掌握病人的病情發(fā)展情況和治療效果，以便制定診療方案。

3.5 智慧家居

智慧家居為人們的生活提供便利，包括用電管理、視頻電話、安全監(jiān)控、智能計(jì)量等方面。其中，智能計(jì)量系統(tǒng)可以通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，從而減少勞動(dòng)力消耗，應(yīng)用在電能計(jì)量、燃?xì)庥?jì)量、空氣質(zhì)量檢測(cè)等方面。智慧家居系統(tǒng)可以通過(guò)控制照明、空調(diào)等系統(tǒng)，調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度、溫度、濕度等，給人們帶來(lái)舒適的生活環(huán)境。

3.6 智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)的目標(biāo)是提高產(chǎn)量，同時(shí)降低生產(chǎn)成本和投入成本。通過(guò)調(diào)節(jié)灌溉水資源的使用，提升資源利用效率。安裝在土壤中的濕度傳感器將數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT基站傳輸?shù)皆贫耍疃葘W(xué)習(xí)算法通過(guò)數(shù)據(jù)處理，將農(nóng)田根據(jù)旱澇情況劃分為不同區(qū)域。NB-IoT終端根據(jù)云端服務(wù)器發(fā)送的指令，在指定的時(shí)間啟動(dòng)和關(guān)閉水泵、閥門(mén)等設(shè)備進(jìn)行灌溉。土壤濕度合格后，傳感系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)從而節(jié)約鏈路資源。

4 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)是當(dāng)今通信和信息化產(chǎn)業(yè)的必然趨勢(shì)，基于低速率廣域覆蓋的窄帶物聯(lián)網(wǎng)占據(jù)著不可替代的地位。本文在提出了一種NB-IoT接入組網(wǎng)方式的基礎(chǔ)上，對(duì)其在智慧城市、智慧停車、智慧車輛、智慧醫(yī)療、智慧家居和智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，得出了NB-IoT在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的特點(diǎn)和部署方案，為NB-IoT的進(jìn)一步應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。