任小強(qiáng)（中國移動(dòng)通信通信集團(tuán)甘肅有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州730000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，市政公用設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速。電力、通信等部門大都有自己部門管理的井蓋［1-2］，由于城區(qū)面積擴(kuò)大，井蓋分布范圍廣、數(shù)量大，導(dǎo)致監(jiān)管難度大，盜竊井蓋的犯罪行為越來越猖獗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般城市的井蓋年被盜數(shù)量占總數(shù)量的1%左右，市政管理較好的城市也在0.5%左右。也就是說，一個(gè)中型城市一年井蓋被盜的數(shù)量平均在2 000～5 000個(gè)左右。這些井蓋的盜損現(xiàn)象，影響了設(shè)施功能的正常發(fā)揮，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)安全問題。目前大量井蓋缺乏有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控手段，人工巡查成本高、效率低，NB-IoT是一種低功耗、大連接、廣覆蓋和低成本的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［3-4］，利用NB-IoT建立一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，當(dāng)井蓋被搬動(dòng)、發(fā)生破損、丟失時(shí)，傳感器檢測到角度的變化并上報(bào)告警到平臺(tái)及APP端供維護(hù)人員，并提供導(dǎo)航功能供維護(hù)人員及時(shí)處理［5］。

1 NB-IoT技術(shù)簡介

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，通過信息傳感器，按照事先約定的協(xié)議將萬物連接起來，實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤、識(shí)別和監(jiān)控等功能。基于蜂窩的NB-IoT只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，大大降低了部署成本。NB-IoT基本特點(diǎn)如下。

a）廣覆蓋。NB-IoT基于運(yùn)營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在同樣頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)有20 dB的增益，覆蓋面積擴(kuò)大10倍，期望能覆蓋到地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達(dá)的地方。

b）大連接。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，直接利用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)容易造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過高，NB-IoT在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行優(yōu)化，使200 kHz的頻率可以提供10萬個(gè)連接，具有海量設(shè)備連接能力。

c）低功耗。NB-IoT引入了eDRX省電技術(shù)和PSM省電模式，進(jìn)一步降低了功耗，延長了電池使用時(shí)間，借助這2種技術(shù)，在典型應(yīng)用場景下，使用AA電池（5號電池）便可以工作10年，無需充電。

d）低成本。企業(yè)預(yù)期的單個(gè)接連模塊不超過5美元，芯片價(jià)格為1～2美元，隨著網(wǎng)絡(luò)部署成本的降低，每個(gè)模組的批量成本價(jià)格預(yù)計(jì)可以降到2美元左右，為海量終端設(shè)備接入提供了可能。

2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

一個(gè)典型的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，它由通信終端、NB-IoT基站、NB-IoT核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)監(jiān)控平臺(tái)組成。

圖1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

a）NB-IoT終端：通信終端的主要部件是模組，具備完整獨(dú)立的掃描功能，可以嵌入到手機(jī)、電腦、打印機(jī)、流水線等各行各業(yè)的設(shè)備中，目前華為、中興和高通等芯片廠家已經(jīng)生產(chǎn)了商業(yè)化、低成本、通用性能好的模組，該模組通過空口連接到基站eNodeB。

b）NB-IoT基站：NB-IoT基站是網(wǎng)絡(luò)中組成蜂窩小區(qū)的基本單元，主要承擔(dān)空口接入處理、小區(qū)管理等相關(guān)功能，并通過S1接口與IoT核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。NB-IoT可以獨(dú)立組網(wǎng)，也可以通過升級改造現(xiàn)有的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)達(dá)到支持NB-IoT的目的，以中國移動(dòng)為例，900 MHz里面有一個(gè)比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2G的頻段，就可以直接同時(shí)部署LTE和NB-IoT。

c）NB-IoT核心網(wǎng)：NB-IoT核心網(wǎng)與現(xiàn)有的EPC核心網(wǎng)不同，簡化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使其更好地支持低速率、大連接、廣覆蓋的通信業(yè)務(wù)，主要承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，并將IoT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺(tái)進(jìn)行處理。

d）NB-IoT平臺(tái)：業(yè)務(wù)平臺(tái)對通信終端采集到的數(shù)據(jù)做綜合處理，包括設(shè)備故障告警、數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)以及趨勢分析等，它的主要功能是匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用器進(jìn)行處理。

e）應(yīng)用服務(wù)器：IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，采用雙機(jī)熱備份，為了支持海量設(shè)備接入而不影響性能，安裝工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫OpenPlant［7］。該平臺(tái)基于B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶通過瀏覽器訪問平臺(tái)門戶，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維、遠(yuǎn)程服務(wù)，實(shí)現(xiàn)門戶展示和告警管理。

3 業(yè)務(wù)測試及分析

智能井蓋系統(tǒng)的業(yè)務(wù)主要從覆蓋、時(shí)延、功耗和穿損等4個(gè)方面展開，總體測試結(jié)果表明，在電平大于-105 dBm時(shí)，業(yè)務(wù)平均時(shí)延為45 s，業(yè)務(wù)成功率為100%，可開關(guān)井蓋6 859次。

a）覆蓋測試：基于角度傳感器的智慧井蓋由外殼、傳感器、模組、芯片4部分組成，測試發(fā)現(xiàn)正常網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)測試應(yīng)滿足RSRP＞-105 dBm和SINR＞6 dB。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的RSRP＜-105 dBm，井蓋終端無法注冊到網(wǎng)絡(luò)上，由于樓宇阻擋、信號衰減、模組制造工藝等因素，多數(shù)區(qū)域信號電平并不滿足此條件，因此井蓋監(jiān)測系統(tǒng)的各種影響因素需要進(jìn)一步改進(jìn)。此外為了實(shí)現(xiàn)井蓋的更好管理和監(jiān)測，需要研制復(fù)合式傳感器井蓋系統(tǒng)，考慮到不同應(yīng)用場景的需求，需增加不同功能傳感器，如表1所示。

b）時(shí)延測試：從觸發(fā)業(yè)務(wù)到收到告警，時(shí)延最小值為34 s左右，平均時(shí)延為45 s左右。在極好點(diǎn)偶爾會(huì)出現(xiàn)時(shí)延過大的問題，影響時(shí)延的主要因素有終端、NB網(wǎng)絡(luò)、公網(wǎng)、服務(wù)器，整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)延如圖2所示。

由圖2可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)延主要由t1、t2、t3、t4、t5和t6等6部分組成［6］，其中t5為IoT平臺(tái)和業(yè)務(wù)平臺(tái)時(shí)延，t6為業(yè)務(wù)平臺(tái)與APP之間的時(shí)延，t5和t6時(shí)延與軟件性能有關(guān)，可忽略。應(yīng)用終端和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)時(shí)延決定了整個(gè)井蓋系統(tǒng)的總時(shí)延，如何降低應(yīng)用終端時(shí)延是降低總時(shí)延的重要途徑之一。

表1 井蓋系統(tǒng)傳感器種類

圖2 系統(tǒng)時(shí)延影響因素

c）功耗測試：不考慮待機(jī)時(shí)電池電量的消耗，每個(gè)終端支持的業(yè)務(wù)告警次數(shù)為：4 760 mAh/（50 mA×（50/（60×60）））mAh=6 859次，井蓋智能終端極好點(diǎn)平均電流為43.053 mA，差點(diǎn)平均電流為48.13 mA，隨著信號強(qiáng)度逐漸變?nèi)酰碾娏恳搽S之上升，不同信號強(qiáng)度下耗電量如表2所示。為保證使用壽命，本次使用了業(yè)界最大的20 000 mAh的電池，按照現(xiàn)在犧牲休眠機(jī)制的做法可以使用4年左右。

表2 耗電量與信號強(qiáng)度的關(guān)系

d）穿損測試：從測試數(shù)據(jù)看，復(fù)合型井蓋信號衰減最大且越厚越明顯，較厚的水泥井蓋信號衰減與球磨鑄鐵相當(dāng)。針對不同材質(zhì)的井蓋，智能井蓋終端在井上、井下信號接收強(qiáng)度差（即穿透損耗）為6～10 dB，具體測試如表3所示。

表3 不同材質(zhì)的井蓋穿透損耗

4 結(jié)論

綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的今天，將NBIoT技術(shù)引入智慧城市管理領(lǐng)域中，構(gòu)建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對城市設(shè)施（井蓋、路燈桿、空氣質(zhì)量、溫度等）的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，降低企業(yè)運(yùn)維成本，提高企業(yè)運(yùn)維效率，促進(jìn)了運(yùn)維的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，是實(shí)現(xiàn)智慧城市的必要條件之一。在實(shí)際應(yīng)用中，對政府監(jiān)管部門的監(jiān)測治理工作提供了幫助。