黑龍江大學電子工程學院 孫結(jié)冰 崔玉嬌 祁曉波 凌 強 朱 勇

0 引言

隨著計算機與互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”強強組合展現(xiàn)的機會也隨之到來。根據(jù)最新的中國物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)行業(yè)結(jié)構(gòu)分布來看，2017年大數(shù)據(jù)應用在交通這一領域占比達到了13.55%[1]。

雖然中國城市內(nèi)的交通以及城市與城市之間的交通已經(jīng)非?？焖伲煌ㄆ饋硪埠芾щy。在平時高速路段交通還算通暢，但是每當節(jié)假日，交通問題已經(jīng)是國民很頭痛，也是交管局面臨的很棘手的一個問題。本文使用NB-IoT技術(shù)能夠高效地組建實時交通監(jiān)控網(wǎng)絡，比目前通用的LTE技術(shù)提升了20dB，轉(zhuǎn)換成覆蓋區(qū)域來說，覆蓋區(qū)域面積擴大了100倍。除此之外其傳輸距離長、穿透能力強、抗干擾能力強，能夠保證實時交通監(jiān)控網(wǎng)絡的穩(wěn)定工作。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT），是物聯(lián)網(wǎng)范疇的一種技術(shù)，同時也是3GPP推出的標準技術(shù)。目前NBIoT技術(shù)已經(jīng)被全球接受作為新一代全新窄帶物聯(lián)網(wǎng)的標準。根據(jù)傳輸速率的不同，可將物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務分為高、中、低三種：

（1）高速率業(yè)務層：主要的是應用3G/4G的技術(shù)，例如車載物聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控攝像頭，它所適應的業(yè)務就是提供實時的數(shù)據(jù)；

（2）中速率業(yè)務層：主要是應用到了GPRS技術(shù)，例如目前很火的快遞柜或者儲物柜，他們使用的頻率雖然很高但并不要求提供實時的數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡傳輸速率是遠遠不如高速率業(yè)務；

（3）低速率業(yè)務層(Low Power Wide Area Network，LPWAN)：也就是低功耗廣域網(wǎng)，其主要應用在智能家居、無線抄表、環(huán)境監(jiān)測等領域。

NB-IoT的特點：

（1）超廣的覆蓋能力：NB-IoT是部署在運行商通信頻段的，NB-IoT通過上行鏈路功率譜密度PSD增益、重發(fā)增益、UL-Gap多天線增益獲得比900M的GSM提升了20dB增益，這就相當于提升了100倍的區(qū)域覆蓋的能力。

（2）低功耗：NB-IoT終端供電模塊是基于容量為5000mA電池的，再加上PSM和eDRX省電技術(shù)，使得NB-IoT有超強的續(xù)航能力，續(xù)航時間可以達到10年；

（3）超大的連接：具備海量數(shù)據(jù)連接的能力。在同一基站下，NB-IoT一個扇區(qū)能夠支持5萬多個連接。

（4）低成本：終端的成本已經(jīng)低到了1美元，建網(wǎng)成本可以復用。

2 網(wǎng)絡部署架構(gòu)層次

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)分為三大層次：感知層、網(wǎng)絡層、應用層。

感知層：感知層通過NB-IoT射頻信號與基站通信，對交通中的實時信息，例如路面情況、車流量、擁擠情況進行監(jiān)測；

網(wǎng)絡層：通過各種電信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合，由基站、分組核心網(wǎng)、IoT平臺組成，實現(xiàn)對不同區(qū)域交通的遠程監(jiān)控；

應用層：對感知層采集的交通信息進行處理分析，不僅對車輛進行實時的定位跟蹤，還能夠便于交通的監(jiān)控與管理等實際更多的應用。

2.1 NB-IOT基站的連接

NB-IoT基站基于CP協(xié)議來鏈接，CP協(xié)議基于信令面的數(shù)據(jù)傳輸，用戶直接封裝在NAS層的信令消息中，并采用加密方式加密。傳統(tǒng)的LTE用戶面的數(shù)據(jù)傳輸方式，流程復雜，信令開銷遠大于數(shù)據(jù)包本身，LTE物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的終端、網(wǎng)絡、芯片、操作系統(tǒng)、平臺等各方路徑不一，使得物聯(lián)網(wǎng)“碎片化”現(xiàn)象嚴重。而CP協(xié)議的搭建簡化了RRC/S1信令流程，減少了RRC重建、DRB建立、AS安全等相關信令，信令開銷減少了50%以上。

2.2 數(shù)據(jù)的傳輸

數(shù)據(jù)的傳輸過程包括UE、IOT、編碼插件以及Server。感知層設備先采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)按自定義規(guī)則進行編碼；編碼通過串口，以AT命令的形式，發(fā)送已編碼數(shù)據(jù)到NB-IoT模組或SoftRadio模擬器；NB-IoT芯片/模組或SoftRadio模擬器，接收到AT命令后，將payload后，自動封裝為CoAP協(xié)議的消息，并發(fā)送給事先配置好的NB-IoT平臺；NB-IoT收到數(shù)據(jù)后，自動解析CoAP協(xié)議包，根據(jù)設備profile文件，找到匹配的編解碼插件，對payload進行解析，解析為與設備profile中描述的service匹配的json數(shù)據(jù)，并存于平臺之上;數(shù)據(jù)處理中心通過北向數(shù)據(jù)查詢接口(RESTful)獲取平臺上的數(shù)據(jù);同時也可以提前調(diào)用訂閱接口，對數(shù)據(jù)變化進行訂閱。數(shù)據(jù)傳輸過程中，應用NB-IoT調(diào)制解調(diào)技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，NB-IoT基于3G/4G網(wǎng)絡，對汽車周圍環(huán)境的進行實時的監(jiān)測。通過MATLAB軟件仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)如圖1所示：

圖1 NB-IoT調(diào)制解調(diào)MATLAB仿真圖

由仿真結(jié)果很清楚地得到：基于NB-IoT調(diào)制解調(diào)能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)能夠穩(wěn)定的傳送到監(jiān)控中心。隨著信噪比的增大，NB-IoT誤碼率更低，抗干擾能力越強，體現(xiàn)了NB-IoT技術(shù)在該系統(tǒng)中實現(xiàn)的優(yōu)越性。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

應用此系統(tǒng)我們在學校選三處信號弱的地點進行試點實驗。首先利用經(jīng)緯度測量儀測出三處的經(jīng)緯度,A處位置（N45°42′29.74″，E126°37′11.71″），B處位置（N45°42′19.60″，E126°36′55.84″），C處位置（N45°42′20.82″ ，E126°36′55.84″），利用三輛小車，得到主要結(jié)果如表1所示：

表1 系統(tǒng)仿真結(jié)果

對測試結(jié)果分析可得，本系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)正常，定位正常，能夠正確的讀取汽車的位置，數(shù)據(jù)會也會實時刷新。

4 結(jié)束語

本文基于NB-IoT的實時交通監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)，充分利用了NBIOT廣覆蓋、低成本、低功耗、續(xù)航能力強、實時性強等一系列特點，將交通數(shù)據(jù)采集后上傳并處理分析、維護與管理，很好地解決了目前交通系統(tǒng)定位盲區(qū)，管理速度慢等問題，符合智慧城市發(fā)展的主題。借助NB-IoT技術(shù)優(yōu)勢，在交通系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)展開一系列技術(shù)應用創(chuàng)新，將極大地促進實時交通監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。

[1]賽迪智庫.中國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展評估報告(2017年)[EB/OL].(2017-08-29)[2017-09-25].http://www.useit.com.cn/thread-16356-1-1.html.

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[5]王正偉.NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)的熱點[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017(10):15-18.

[6]吳光榮,章劍雄.基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(14):67-69.