吳 飛 王博韜 毛晨曦 謝興紅 鐘曉玲

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川 610059

引言

地震，由于其強(qiáng)大的破壞性已經(jīng)成為嚴(yán)重危害人類生命安全、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然災(zāi)害之一。我國近50%的城市、67%的大城市位于烈度VII度區(qū)域內(nèi)，并且隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市特別是大城市人口數(shù)量和密度大幅度增加，城市地震災(zāi)害發(fā)生的頻率越來越高，造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員的傷亡數(shù)都在逐年上升；一旦遭受破壞性地震，損失不可估量。地震中的人員傷亡，絕大部分都是由于房屋倒塌、地面凹陷使得被困人員被掩埋而無法及時得到救治導(dǎo)致的，因此地震后的救援工作對于減少人員傷亡有著重大意義。

目前的地震搜救主要有人工搜索、儀器搜索、犬搜索。其中儀器搜索目前使用的是紅外生命探測和雷達(dá)生命探測儀，紅外生命探測儀的原理是利用溫度差來檢測有無人員幸存，但是無法大面積快速地探測，也無法準(zhǔn)確定位[1-2]。在2015年提出的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)NBIoT(Narrowband Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng))，具有非常強(qiáng)的覆蓋能力、接入容量巨大和低功耗的特點(diǎn)，有效地克服了大部分傳統(tǒng)地震搜救設(shè)備的缺點(diǎn)，而且較低的成本也使得NB-IoT技術(shù)在實際投入使用中有較好的應(yīng)用前景，利用NB-IoT獨(dú)有的特點(diǎn)實現(xiàn)在地震中對被困人員的定位也將大大提高對被困人員搜救的效率。

1 NB-IoT的產(chǎn)生背景以及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

1.1 NB-IoT的產(chǎn)生背景

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)可以從通信的距離上分為兩類，一種是短距離的通信技術(shù)，例如Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，這些已經(jīng)比較廣泛地應(yīng)用于我們的智能家居行業(yè)。另一種就是低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)LPWAN(Low-Power Wide-Area Network)，主要應(yīng)用于智能抄表以及智能停車等業(yè)務(wù)。其中LPWAN又分為兩類，一類是需要自行組網(wǎng)、使用頻譜范圍非授權(quán)的LPWAN技術(shù)，主要為LoRa、Sigfox這兩種技術(shù)[3]。而另一類就是可疊加在現(xiàn)有的2G/3G/LTE的蜂窩網(wǎng)絡(luò)上的、基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的NB-IoT技術(shù)。

近些年來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，M2M的發(fā)展前景被業(yè)內(nèi)廣泛看好，萬物互聯(lián)的概念也逐步深入人心。其中對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以分為高速率的業(yè)務(wù)和低速率的業(yè)務(wù)，據(jù)統(tǒng)計低速率業(yè)務(wù)占據(jù)主要地位，而且目前低速率業(yè)務(wù)還沒有與現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，因此低速率的廣域物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)有著非常大的發(fā)展空間[3]。NB-IoT正是在這種需求背景下產(chǎn)生的一種全新接入技術(shù)。

1.2 NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

2014年5 月以沃達(dá)豐、華為為首的CIoT(Cellular IoT)在3GPP GERAN工作組立項。在2015年5月，CIoT陣營與高通的NB-OFDMA方案融合，最終形成了NBCIOT，2015年9月，NB-CIOT再次和愛立信的NB-LTE方案融合。最終由沃達(dá)豐、華為、高通、愛立信組成的工作組，在2015年12月提出了NB-IoT的技術(shù)方案[4-5]，在2016年6月獲得3GPP RAN批準(zhǔn)，并在2016年巴塞羅那世界移動通信大會(MWC2016)上亮相，如圖1所示。

圖1 3GPP Rel-13中IoT項目關(guān)系

NB-IoT的3GPP核心標(biāo)準(zhǔn)部分也在2016年6月凍結(jié)，并在同年的9月份完成性能部分的標(biāo)準(zhǔn)制定，最后的標(biāo)準(zhǔn)制定也在2016年12月份完成。

2 NB-IoT的主要特性

3GPP NB-IoT工作項目總體上定義了一種有較大變動的、對于E-UTRAN非后向兼容的物聯(lián)網(wǎng)接入新技術(shù)，以解決室內(nèi)信號覆蓋增強(qiáng)、支持巨量低速設(shè)備接入、低延時敏感、超低設(shè)備成本、低功耗等問題。下面介紹NB-IoT的主要特性。

2.1 部署靈活

根據(jù)NB-IoT立項中RP-151621的規(guī)定，NB-IoT支持三種部署場景[6]，如圖2所示。

1)單獨(dú)部署(Stand-alone)，利用單獨(dú)的頻帶與LTE中的頻帶不重疊。

2)保護(hù)帶部署(Guard-band)，部署在LTE的保護(hù)頻帶之內(nèi)。

3)帶內(nèi)部署(In-band)，部署在LTE頻帶之內(nèi)。

圖2 NB-IoT的三種部署方式

2.2 高容量、高覆蓋率

NB-IoT可以直接部署于2G/3G/LTE網(wǎng)絡(luò)中，與現(xiàn)有的射頻天線也可以復(fù)用。根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，可以確定在獨(dú)立部署方式下，NB-IoT的覆蓋能力可達(dá)到148dB。對于小流量時延不敏感的情況下，NBIoT單個扇區(qū)可以支持5到10萬個終端的接入[7]。

2.3 低成本、低延時敏感

NB-IoT的成本預(yù)估可控制在5美金之內(nèi)或者更少，因此要達(dá)到目前移動通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，運(yùn)營商只需很低的建設(shè)成本。在耦合損耗為164dB的環(huán)境下，由于大量的數(shù)據(jù)重傳將導(dǎo)致時延增加，目前3GPP IoT希望允許時延為10s，但實際可以支持更低到6s左右[8]。

2.4 低功耗、可移動性弱

NB-IoT設(shè)計最初就是為了適用于移動性不強(qiáng)的應(yīng)用場景，在NB-IoT REL-13標(biāo)準(zhǔn)中不支持連接狀態(tài)的移動性管理，包括相關(guān)測量、測量報告、切換等，達(dá)到了節(jié)省終端設(shè)備功耗的目的[9]，同時NB-IoT的設(shè)計也可以大大簡化終端設(shè)備的復(fù)雜度，進(jìn)一步降低終端設(shè)備的功耗，而且由于維持接入的開銷減少和終端工作方式上的低功耗和芯片與模塊工藝上的低電流、低功耗，使得NB-IoT在具體應(yīng)用中有低功耗優(yōu)勢，對于戶外應(yīng)用的位置跟蹤電池可用2～5年。

3 NB-IoT在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

GSMA的預(yù)測顯示，NB-IoT的出現(xiàn)將極大地促進(jìn)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在2020年將有30億物聯(lián)網(wǎng)連接承載在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)上，相比現(xiàn)在有7倍的增長。在NB-IoT方面，我國三大運(yùn)營商的商用進(jìn)展和規(guī)模已走在世界前列。

由于NB-IoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的潛在應(yīng)用價值大，因此我國在這方面也制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在3GPP的支持下，已在無線接入網(wǎng)技術(shù)規(guī)范組會議上順利通過，為該技術(shù)的高效利用提供了科學(xué)依據(jù)。

在國內(nèi)，三大運(yùn)營商已經(jīng)開始搶占NB-IoT的潛在市場，中國移動公司構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室來發(fā)展芯片和模組，并計劃在今年年底構(gòu)建一張基于NB-IoT的公共物聯(lián)網(wǎng)；中國聯(lián)通在廣州開通了首個標(biāo)準(zhǔn)化NB-IoT的商用網(wǎng)絡(luò)，并積極爭取頻分復(fù)用的牌照和頻段的重耕；中國電信也在深圳完成了水務(wù)的NB-IoT業(yè)務(wù)試點(diǎn)。

就中國電信NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，該架構(gòu)通過重復(fù)利用站點(diǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施，減少了部署的成本，而且基于CloudEdge平臺優(yōu)化的IoT專用核心網(wǎng)，降低了連接的成本，如圖3所示。在基站的部署方面：NB-IoT與L800共站部署，在現(xiàn)有的L800設(shè)備的基礎(chǔ)上開啟了NB-IoT licence，大大降低了基站的建設(shè)成本。無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能方面：考慮到室外基站復(fù)雜的連片規(guī)模組網(wǎng)，需要在密集城市、郊區(qū)、農(nóng)村有著不同的覆蓋能力；室內(nèi)補(bǔ)盲方面：通過大數(shù)據(jù)分析綜合考慮室內(nèi)補(bǔ)盲，采用L800小基站等多種手段綜合評估投資效益最大化。在無線網(wǎng)絡(luò)配置能力上功率配置2×5W基本滿足，2×10W可進(jìn)一步加深覆蓋[10]。

圖3 中國電信NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)示意圖

隨著我國社會生產(chǎn)力的不斷提高及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，NB-IoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水平逐漸提升，相關(guān)器件性能得到優(yōu)化，并且全球蜂窩M2M模塊在智能電表、移動支付等領(lǐng)域廣泛使用，為NB-IoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了非常好的發(fā)展空間，我國也會在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中重視該技術(shù)的發(fā)展，并進(jìn)行科學(xué)評估，以便增強(qiáng)其適用性。

4 NB-IoT用于地震搜救中的優(yōu)勢

通過以上分析我們可以知道NB-IoT是可以建立在原有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)之上的，這就為NB-IoT在地震搜救中的應(yīng)用提供了條件。一方面隨著智能手機(jī)普及率的大大提高，一旦發(fā)生地震我們可以通過手機(jī)快速定位基本的受災(zāi)地點(diǎn)；另一方面，建筑物的突然倒塌讓被困人員極大可能與手機(jī)同時掩埋在一個有限的空間內(nèi)，由于倒塌的房屋不容易直接造成手機(jī)的破壞而無法接收信號，這就使得利用手機(jī)對被困人員的搜救成為了可能。同時采用NB-IoT在地震救援時具有以下的優(yōu)勢。

4.1 能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的定位

在使用比如利用較高頻段的設(shè)備或系統(tǒng)定位時，例如Wi-Fi，由于Wi-Fi的頻段屬于2.4G頻段，對鋼筋混凝土的穿透能力很弱，衰減非常大，即使通過Wi-Fi中繼也不能實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。而NB-IoT由于其低延時、低敏感度和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及采用北斗定位模塊，具有精密授時功能，可以向用戶提供20ns～100ns的時間同步精度，具有極高的定位精度。

4.2 可接入的容量巨大、網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強(qiáng)

設(shè)備系統(tǒng)如果使用非授權(quán)的頻段自行組網(wǎng)，這種設(shè)備或系統(tǒng)的設(shè)計往往比較復(fù)雜，不適用于地震搜救的場景。在發(fā)生地震時，被困人員的數(shù)量往往是非常大的，普通的搜救定位設(shè)備往往不能滿足這一數(shù)量要求。NBIoT的接入容量大于目前的移動通信網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT的一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，并且其上行傳輸采用3.75kHz子載波，具備更高的功率譜密度。另外還可以通過編碼的方式進(jìn)一步提高增益。和GPRS相比，NBIoT的覆蓋率可以達(dá)到20dB。其覆蓋范圍更廣、更深，并且NB-IoT直接部署于LTE網(wǎng)絡(luò)，不占用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)帶寬，保證了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)同時穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行。

4.3 成本、功耗低

地震搜救通常是持續(xù)多天，而且在環(huán)境比較復(fù)雜的室外，一般針對手機(jī)或者其他媒介等搜救設(shè)備的功耗和成本比較高，而智能手機(jī)的電池最多堅持1到2天，依靠這些來救援，對救援人員的時間和精力都有極大的限制[10]。如果設(shè)備或系統(tǒng)功耗大也不適用于長時間的搜救過程。由于NB-IoT使維持接入的開銷減少，包括空中接口的信令簡化，終端發(fā)送位置信息的頻次減少，以及終端工作方式上的低功耗，廠家預(yù)期的單個連接模塊的成本不超過5美元，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時間長達(dá)十年，可以非常方便地應(yīng)用于室外的位置跟蹤以及靜態(tài)定位數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測。

5 NB-IoT在地震救援中實現(xiàn)定位的方法

將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于地震救援中，就是利用NBIoT實現(xiàn)對被困人員的定位。NB-IoT構(gòu)建于通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)，將先于5G其它技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，本身只消耗大約180kHz的帶寬，成本低，容量大，不占用正常的通信信道，同時NB-IoT基站可以提供全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋，方便海量智能手機(jī)、智能家居、設(shè)備標(biāo)簽等設(shè)備接入，為各類終端提供了室內(nèi)外全天候無縫覆蓋的精準(zhǔn)位置服務(wù)，如表1所示。

利用NB-IoT基站獲得智能手機(jī)或者智能設(shè)備的Mac地址和信號強(qiáng)度等數(shù)據(jù)后，再將獲得的數(shù)據(jù)通過一定的算法減少輸入數(shù)據(jù)的誤差，提高準(zhǔn)確性，快速準(zhǔn)確地獲得被困人員的具體位置。

中興通訊NB-IoT定位團(tuán)隊已經(jīng)利用NB-IoT基站，依靠指紋匹配定位算法，采用指紋庫自建立、自學(xué)習(xí)、自更新的方案，最大限度減少了輸入數(shù)據(jù)的誤差，保證位置指紋庫數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。與此同時，通過反復(fù)的技術(shù)和實踐驗證，不斷優(yōu)化和改進(jìn)算法核心，已經(jīng)將室外NB-IoT宏站系統(tǒng)的定位算法誤差優(yōu)化到20m～30m，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)時代人和物的室外定位基本需求，且有望在未來與諸多定位方法融合，打造更高精度、更低延時、室內(nèi)外無縫連接的定位系統(tǒng)，這種定位思想也可以應(yīng)用于地震搜救系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，最終實現(xiàn)對被困人員的精確定位，提高地震救援的效率和質(zhì)量。

表1 傳統(tǒng)智能搜救方案和NB-IoT方案對比

6 NB-IoT實際應(yīng)用中需要解決的問題

6.1 需要為NB-IoT提供良好的商業(yè)模式

基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)時代，要使與之相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)性能及可靠性增強(qiáng)，使不同要素之間能夠保持良好的互聯(lián)關(guān)系狀態(tài)，應(yīng)在NB-IoT目前的發(fā)展前提下，為NB-IoT提供良好的商業(yè)模式，才能讓NB-IoT的發(fā)展趨勢更加明顯，且讓物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平保持在一個較高的層面，適應(yīng)當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)形勢變化，也會為我國信息化產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大給予必要的技術(shù)支持[11]。長此以往才能豐富物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中所必要的通信方式，才能確保NBIoT在實踐應(yīng)用中的良好性。

6.2 保證數(shù)據(jù)安全與傳輸?shù)目煽啃?/h3>

從功耗的角度來看，NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)需要比較長的網(wǎng)絡(luò)生存周期，然而重傳次數(shù)的增加也會降低NB-IoT終端設(shè)備的生存周期。而且隨著網(wǎng)絡(luò)信息重傳次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)信息的安全性和可靠性都會遭到破壞。此外，NB-IoT終端設(shè)備的增多也會消耗更多的LTE資源塊。隨著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的深入發(fā)展，海量的接入設(shè)備可能會導(dǎo)致NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)面臨嚴(yán)重的同頻干擾問題，這也會顯著降低NB-IoT網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

6.3 NB-IoT的演進(jìn)問題

NB-IoT有可能向?qū)拵锫?lián)網(wǎng)(WB-IoT)過渡演進(jìn)。據(jù)當(dāng)前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，IoT網(wǎng)絡(luò)中三分之二以上的終端設(shè)備都具有低速率屬性。然而隨著社會的不斷發(fā)展，IoT網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的需求也會發(fā)生變化，可能演進(jìn)為低速率、中速率以及高速率并用的應(yīng)用場景，這也就導(dǎo)致當(dāng)前的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)不能滿足將來IoT設(shè)備的異構(gòu)需求。由于IoT網(wǎng)絡(luò)有比較嚴(yán)格的功率要求，目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)有可能不能滿足IoT未來的發(fā)展需要，因此WB-IoT的發(fā)展也可能成為未來的方向。

6.4 如何提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率

在NB-IoT窄帶低頻物聯(lián)網(wǎng)通信中，要求的傳輸性能比傳統(tǒng)的LTE傳輸性能更高，因此NB-IoT還要解決帶寬條件限制下的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題和單小區(qū)的多數(shù)據(jù)傳播問題。在R14 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)中，還需要解決多載波輸入的尋呼功能以保證數(shù)據(jù)資源的優(yōu)化配置與管理，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率，來促進(jìn)NB-IoT技術(shù)在將來能夠更廣泛地使用[12]。

7 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的深入發(fā)展，無論是智慧城市還是行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)必將成為今后我們不可或缺的技術(shù)，各行各業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合也將是未來發(fā)展的趨勢。NB-IoT技術(shù)與現(xiàn)有的地震搜救的技術(shù)相比有著低功耗、低成本、覆蓋面廣、低延時、低頻次的特點(diǎn)，綜合以上的特點(diǎn)，我們知道NB-IoT技術(shù)在地震救援中的應(yīng)用前景廣闊，但是要想讓NB-IoT技術(shù)真正廣泛應(yīng)用，還是需要NB-IoT技術(shù)繼續(xù)深入發(fā)展。就在2017年中國各大運(yùn)營商陸續(xù)將NB-IoT技術(shù)投入商用，NB-IoT技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展也會逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會得到更加充分的發(fā)展與技術(shù)革新。另一方面隨著華為發(fā)布SingleRAN Pro解決方案，5G時代即將開啟，屆時更多新型的方案也會投入到智能搜救領(lǐng)域當(dāng)中。