吳毅 夏婷婷 李潤(rùn)青

[摘 要] 如今將物聯(lián)網(wǎng)和城市綜合管理相結(jié)合是城市發(fā)展的一種趨勢(shì)。而NB-IoT和LoRa作為兩種大容量、廣覆蓋、低功耗、低成本、高穩(wěn)定性的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為其提供了發(fā)展支撐?；贜B-IoT和LORA技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了幾種基于這兩種技術(shù)的建設(shè)的應(yīng)用案例方案，以更好的支持智慧城市的建設(shè)。

[關(guān)鍵詞] NB-IoT；LORA；城市物聯(lián)網(wǎng)；智慧城市應(yīng)用

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 03. 067

[中圖分類號(hào)] TN915 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2018）03- 0162- 03

1 背景概述

當(dāng)今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。在生活的各個(gè)方面也處處見到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的身影。如今在感知與智能方面已經(jīng)有了新的進(jìn)展，采用面向物與物互聯(lián)的WiFi、藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)。然而上述技術(shù)往往存在一個(gè)問(wèn)題即不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離傳輸和低功耗，并且在用戶接入數(shù)量上有時(shí)也并不能滿足實(shí)際需求。

基于終端接入網(wǎng)絡(luò)的上述問(wèn)題，近年來(lái)發(fā)展了如LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括LoRa，Sigfox，LTE-M，NWave。以及基于2G、3G、4G、技術(shù)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括NB-IoT，e-MTC等技術(shù)。其中根據(jù)綜合技術(shù)指標(biāo)以及實(shí)際的推廣應(yīng)用NB-IoT和LoRa屬于其中的佼佼者。

NB-IoT是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，具備廣域傳輸、海量介入、超低功耗、低成本等特征。從2015年9月NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化開始到2016年7月標(biāo)準(zhǔn)確定，全球超過(guò)50家公司的積極參與使得NB-IoT系統(tǒng)技術(shù)和生態(tài)鏈逐步成熟。滿足了覆蓋廣，低功耗，海量接入等技術(shù)指標(biāo)。

LoRa是LPWAN通信技術(shù)的一種，是Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案。在此方案上研發(fā)出了一種新型1 GHz下的超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（簡(jiǎn)稱LoRa）的芯片。LoRa技術(shù)在遠(yuǎn)距離傳輸，延長(zhǎng)電池壽命，擴(kuò)大系統(tǒng)容量擁同樣有著不俗的表現(xiàn)。

2 NB-IoT及LORA關(guān)鍵技術(shù)

2.1 NB-IoT主要技術(shù)及優(yōu)勢(shì)

NB-IoT的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是基于LTE的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的?；谠械腖TE技術(shù)，根據(jù)自身特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化以及技術(shù)改進(jìn)。

NB-IoT分為三種部署方式：獨(dú)立部署（Stand alone）、保護(hù)帶部署（Guard band）和帶內(nèi)部署（In-band）。獨(dú)立部署適用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200 kHz，這剛好為NB-IoT 180 KHz帶寬辟出空間，且兩邊還有10 kHz的保護(hù)間隔。保護(hù)帶部署利用LTE邊緣保護(hù)頻帶中未使用的180 kHz帶寬的資源塊。帶內(nèi)部署可利用LTE載波中間的任何資源塊。

NB-IoT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在廣覆蓋，低成本，低功耗。

廣覆蓋：在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增加20 dB，覆蓋面積擴(kuò)大100倍。

低成本：通過(guò)減少協(xié)議棧處理開銷和減少不必要的硬件來(lái)降低成本。

低功耗：NB-IoT處理降低芯片復(fù)雜度來(lái)減少耗電外采用非連續(xù)接收DRX（Discontinuous Reception），eDRX就是擴(kuò)展的不連續(xù)接收，延長(zhǎng)終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動(dòng)。

2.2 LORA主要技術(shù)及優(yōu)勢(shì)

LORA和NB-IoT相似有著廣覆蓋，低成本，低功耗，容量大等優(yōu)點(diǎn)。

LoRaWAN是LoRa技術(shù)所采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它可以為使用電池供電的無(wú)線設(shè)備提供區(qū)域、國(guó)家或全球的網(wǎng)絡(luò)連接。LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)為透明中繼，連接前端的終端設(shè)備和后端的中央服務(wù)器。

LoRa的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

低功耗：高達(dá)157 dB的鏈路預(yù)算使其通信距離可達(dá)15公里（與環(huán)境有關(guān)）。其接收電流僅10 mA，睡眠電流200 nA，這大大延遲了電池的使用壽命。

大容量：如果把網(wǎng)關(guān)安裝在現(xiàn)有移動(dòng)通信基站的位置，發(fā)射功率20 dBm（100 mW），那么在建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達(dá)10公里。

支持測(cè)距和定位：LoRa對(duì)距離的測(cè)量是基于信號(hào)的空中傳輸時(shí)間而非傳統(tǒng)的RSSI（Received Signal Sterngth Ind-ication），而定位則基于多點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）對(duì)一點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）的空中傳輸時(shí)間差的測(cè)量。其定位精度可達(dá)5m（假設(shè)10km的范圍）。

3 NB-IoT及LORA應(yīng)用分析

3.1 基于NB-IoT的應(yīng)用案例分析

基于NB-IoT技術(shù)具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接特性，能滿足低傳輸速率以及對(duì)時(shí)延要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1.1 基于NB-IoT的智慧路燈方案

目前，在諸多城市中路燈系統(tǒng)都有著許多共通的問(wèn)題，例如：節(jié)能管理不足，故障檢測(cè)不能實(shí)時(shí)，沒有其他數(shù)據(jù)采集。而基于NB-IoT技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能有效解決上述問(wèn)題。相比于LoRa技術(shù)，NB-IoT無(wú)需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本都是復(fù)用，并且擁有相對(duì)低的延時(shí)。

基于NB-IoT技術(shù)的智慧路燈實(shí)施方案主要實(shí)現(xiàn)功能：

數(shù)據(jù)采集：通過(guò)每個(gè)路口路燈上安裝的傳感器對(duì)各個(gè)路段車流量進(jìn)行定時(shí)數(shù)據(jù)采集，并且可以將采集的車流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰窡艄芾碇行暮徒煌〝?shù)據(jù)中心。

節(jié)能管理：路燈管理中心可通過(guò)對(duì)不同時(shí)段的車流量分析來(lái)控制個(gè)路段的路燈點(diǎn)亮數(shù)目及亮度，從而有效對(duì)城市路燈進(jìn)行節(jié)能管理。

安全檢測(cè)：通過(guò)實(shí)時(shí)采集路燈線路中各個(gè)支路的電流/電壓值以及能耗數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)告上傳從而能及時(shí)發(fā)現(xiàn)各線的故障，避免進(jìn)一步的損失。

智慧路燈終端：負(fù)責(zé)路燈所在路段的車流量的信息采集，和對(duì)路燈內(nèi)部線路電流/電壓值以及能耗的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，直接完成與中心管理平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互。

NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)：負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，可利用上述三種部署方案進(jìn)行傳輸（獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署、和帶內(nèi)部署），為整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支撐能力。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能耗。車流量數(shù)據(jù)分析結(jié)果決定監(jiān)測(cè)中心對(duì)每個(gè)路段路燈的的亮暗和點(diǎn)亮個(gè)數(shù)控制。電流/電壓值以及能耗的數(shù)據(jù)分析比對(duì)常態(tài)數(shù)值，發(fā)現(xiàn)異常情況，立刻產(chǎn)生告警和提示信息。

路燈管理平臺(tái)：主要有終端管理，對(duì)智慧路燈終端的遠(yuǎn)程開關(guān)控制。報(bào)警和日志管理，報(bào)警告設(shè)置、查詢，對(duì)報(bào)警回溯和數(shù)據(jù)記錄。

3.1.2 基于NB-IoT的智慧停車方案

隨著城市交通的不斷發(fā)展，車輛的快速增長(zhǎng)但隨之帶來(lái)的是車位持續(xù)不足，加之許多車主的亂停亂放，致使道路交通極易堵塞。

基于NB-IoT的智能停車方案通過(guò)安放在路邊停車位的地刺車位檢測(cè)器，來(lái)感知車輛停放信息。NB-IoT無(wú)需重新建網(wǎng)，且擁有較低的延時(shí)，所以更適合用于數(shù)據(jù)延時(shí)要求相對(duì)較高的市政占道停車案例。

傳感器終端：通過(guò)地磁車位檢測(cè)器檢測(cè)車輛停放信息，每個(gè)地磁車位檢測(cè)器內(nèi)部存有GIS信息。終端通過(guò)基于NB-IoT的組網(wǎng)技術(shù)將信息傳送到智能停車運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。由于NB-IoT支持多信道通信、信道修改等，對(duì)于開放頻段的無(wú)線設(shè)備，保障了長(zhǎng)期通訊的穩(wěn)定性，降低其他無(wú)線設(shè)備對(duì)終端的干擾。

停車運(yùn)營(yíng)平臺(tái)：監(jiān)測(cè)每個(gè)停車點(diǎn)的車輛停放信息，并對(duì)其進(jìn)行定期管理。對(duì)附近車輛進(jìn)行停車導(dǎo)航，給出車輛到停車位的運(yùn)行線路。設(shè)定用戶端預(yù)約支付平臺(tái)，方便用戶車輛進(jìn)行停車?yán)U費(fèi)預(yù)約。

3.2 基于LoRa的應(yīng)用案例分析

LoRa技術(shù)因?yàn)槠涞凸?、深度覆蓋、容易部署等優(yōu)勢(shì)使得其非常適用于要求功耗低、距離遠(yuǎn)、大量連接以及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如道路、安防等應(yīng)用和領(lǐng)域。

3.2.1 基于LORA的智慧道路方案

城市高速公路和各個(gè)國(guó)省干道的快速發(fā)展，但各個(gè)主要道路車輛的增多隨之而來(lái)的交通事故和道路擁堵問(wèn)題也不斷困擾著城市交通的發(fā)展?；贚ORA優(yōu)異的信號(hào)覆蓋提出一種智慧道路方案解決某些存在的道路突發(fā)狀況和擁堵問(wèn)題。

應(yīng)急終端：當(dāng)發(fā)生交通事故或車與遇到車輛拋錨等情況時(shí)可通過(guò)安裝在路燈桿上的應(yīng)急終端按鈕項(xiàng)向道路管理云平臺(tái)發(fā)送求助信息，由于應(yīng)急終端內(nèi)含有該地點(diǎn)的GIS信息，道路管理云平臺(tái)能準(zhǔn)確找到事發(fā)地點(diǎn)節(jié)約處理事故時(shí)間。

道路管理云平臺(tái)：道路管理云平臺(tái)主要有兩個(gè)功能：接收管理應(yīng)急終端的求助信息；向手機(jī)APP客戶端發(fā)送路況擁堵信息預(yù)警，提示車主的路段擁堵情況。

手機(jī)APP客戶端：車主用戶可以通過(guò)該客戶端收到道路管理云平臺(tái)發(fā)送的路況擁堵信息即使調(diào)整行駛路徑方案，車主也可以根據(jù)自己車輛算在路段向道路管理云平臺(tái)發(fā)送路況信息，這樣整個(gè)智慧道路管理系統(tǒng)擁有良好的即時(shí)性。

3.2.2 基于LORA的智慧安防方案

隨著城市的基礎(chǔ)建設(shè)不斷發(fā)展，越來(lái)越多的高樓大廈拔地而起，與之相伴的消防問(wèn)題也隨之而來(lái)。目前在傳統(tǒng)的城市消防系統(tǒng)存在種種問(wèn)題，如：消防栓，消火栓故障及缺失不能即使發(fā)現(xiàn)；火情發(fā)現(xiàn)和處置滯后釀成災(zāi)禍；或請(qǐng)報(bào)警系統(tǒng)布線施工復(fù)雜等。

基于LORA技術(shù)的智慧消防方案，包括智能煙感報(bào)警器，消防栓監(jiān)控系統(tǒng)等。

傳感器終端：傳感器終端又可細(xì)分為防火傳感器終端，消防設(shè)施故障檢測(cè)終端以及報(bào)警終端。防火傳感器終端主要是智能煙感報(bào)警器使用LORA通信，發(fā)現(xiàn)火情立即聲光報(bào)警并向消防監(jiān)控云平臺(tái)發(fā)出火情信息。消防設(shè)施故障檢測(cè)終端通過(guò)傳感器用來(lái)檢測(cè)消防栓水壓等參數(shù)以及報(bào)警器的電路是否損壞，及時(shí)將故障信息報(bào)告給消防監(jiān)控云平臺(tái)。而報(bào)警終端在發(fā)生火情時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)按鈕直接通過(guò)LORA通信通知119火警指揮中心并傳送內(nèi)部存有的GIS數(shù)據(jù)信息來(lái)準(zhǔn)確定位。

消防監(jiān)控云平臺(tái)：消防監(jiān)控云平臺(tái)用來(lái)管理各個(gè)終端的數(shù)據(jù)信息如消防栓水壓等參數(shù)以及報(bào)警器的電路信息分析各個(gè)參數(shù)用于故障監(jiān)測(cè)。該平臺(tái)還管理防火傳感器終端實(shí)時(shí)信息，如有發(fā)生火情，平臺(tái)立即將向119火警中心發(fā)送防火傳感器的GIS信息。

119火警指揮中心：通過(guò)終端和云平臺(tái)發(fā)送的即時(shí)信息可迅速做出滅火撲救方案，及時(shí)趕到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)減小火情帶來(lái)的損失以及組織火災(zāi)進(jìn)一步的擴(kuò)大。

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)正處于城市化高速發(fā)展之中，高速的城市建設(shè)與發(fā)展帶來(lái)了諸如高耗能，高擁堵，高排放等問(wèn)題。此外，復(fù)雜的城市運(yùn)營(yíng)管理往往是高成本，高功耗，不易管理。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和和城市綜合管理相結(jié)合能有效改善城市管理。而NB-IoT，LORA技術(shù)為代表的廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接特性的傳輸技術(shù)為城市綜合物聯(lián)網(wǎng)體系應(yīng)用的具體試試帶來(lái)了可能性。相信NB-IoT、LORA技術(shù)會(huì)在智慧城市建設(shè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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