張永強，高 尚，石 瑩，周萬珍

(河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050011)

0 引 言

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的同時，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)也日趨成熟[1]。目前，很多監(jiān)控系統(tǒng)采用GPRS、GSM、3G等無線通信技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸并取得了很好的效果，但通信模塊存在成本高、功耗大等缺點。而NB-IoT技術(shù)的發(fā)展很好地解決了這些問題。

NB-IoT全稱為基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，它可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，可以支持大量的低吞吐率、超低成本設(shè)備連接，并且具有低功耗、優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等特點[2]。

除此以外，其低功耗、低成本、廣覆蓋、海量連接的特點也使得數(shù)據(jù)的傳輸過程更加清晰透明，從而也提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

因此，了解NB-IoT技術(shù)的基本架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒂兄谠摷夹g(shù)未來的發(fā)展，從而充分發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。

1 NB-IoT基本架構(gòu)及關(guān)鍵特性

物聯(lián)網(wǎng)框架包含了信息的感知層、傳輸層以及應(yīng)用層。NB-IoT體系架構(gòu)主要分為五個部分：NB-IoT終端、基站、物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(云平臺)、第三方應(yīng)用。NB-IoT終端屬于物聯(lián)網(wǎng)層次架構(gòu)中的感知層，負(fù)責(zé)實時監(jiān)測并收集相關(guān)數(shù)據(jù)；基站、物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)、云平臺屬于傳輸層，其中物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)是NB-IoT體系架構(gòu)的核心部分。該層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，存儲，并對數(shù)據(jù)加以分析；應(yīng)用層包含了用戶基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的各種應(yīng)用，例如：智能停車、智能路燈、智慧農(nóng)業(yè)等。NB-IoT基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 NB-IoT基本架構(gòu)

NB-IoT技術(shù)目前得到廣泛的應(yīng)用主要源于其低功耗、低成本、廣覆蓋、海量連接的獨特優(yōu)勢。

(1)低功耗：NB-IoT主要適用于低速率、低功耗的設(shè)備。其獨特的PSM、eDRX技術(shù)，使得終端在90%以上的時間都處于休眠狀態(tài)，減少了通信原件的損耗。

(2)低成本：NB-IoT技術(shù)低功耗的獨特優(yōu)勢使得該技術(shù)的成本相比于其他物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)而言變得更低。芯片成本往往和芯片尺寸相關(guān)，尺寸越小，成本越低，模塊的成本隨之變低[3]。

(3)廣覆蓋：在一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中，有些場景對于覆蓋區(qū)域和穿透強度的要求更高。與一般分組無線電服務(wù)(GPRS)相比，NB-IoT可以在所有操作模式下提供多達(dá)20 dB的增強覆蓋[4]。

(4)海量連接：NB-IoT的終端可以支持大批量部署，目標(biāo)是在一個cell-site扇區(qū)內(nèi)至少支持52 547個設(shè)備的接入[5]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計，到2020年將有超過250億臺的設(shè)備會通過無線通信連接起來[6]。相比于其他的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，NB-IoT技術(shù)在功耗、范圍、成本方面提供了優(yōu)勢。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)對比如表1所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)對比

2.1 低功耗

NB-IoT技術(shù)最大的優(yōu)勢在于它的低功耗。相比于其他物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，NB-IoT的功耗可以達(dá)到12.5年，同時可以延長終端的使用壽命，進(jìn)一步降低該技術(shù)的成本。低功耗的實現(xiàn)形式分為兩種，即PSM省電模式以及eDRX擴展非連續(xù)接收技術(shù)。

(1)PSM省電模式。

PSM省電模式的原理在于NB-IoT終端大部分時間都處于休眠態(tài)。當(dāng)終端傳輸完數(shù)據(jù)后，會進(jìn)入空閑態(tài)。在該段時間內(nèi)，終端并不會向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，而是等待基站與終端設(shè)備進(jìn)行通信。如果兩者沒有發(fā)生任何通信，此時，終端會進(jìn)入休眠態(tài)。進(jìn)入休眠態(tài)后，由于通信原件的損耗較少，所以其功耗非常低。而休眠的時間可以通過兩個低功耗的定時器實現(xiàn)，即激活定時器以及休眠PSM定時器。通過對兩個定時器時間的設(shè)置可以控制空閑態(tài)以及休眠態(tài)的時長。PSM省電模式的劣勢很明顯，在90%的休眠態(tài)中，基站是無法與終端設(shè)備進(jìn)行通信的，所以該模式比較偏重數(shù)據(jù)主動上報場景。PSM原理[7]如圖2所示。

（一）發(fā)病情況 墊江縣某鎮(zhèn)養(yǎng)殖戶飼養(yǎng)了2 000只種鴨，在小河邊(河中的水質(zhì)較差)、樹林中放養(yǎng)，大部份種鴨開始產(chǎn)蛋。10月中下旬陸續(xù)有種鴨發(fā)病，曾用鴨瘟疫苗免疫注射過，用氟哌酸治療，效果不明顯，先后共死亡220只，死亡率為11%；附近農(nóng)戶圈舍飼喂有鵝，雞未發(fā)病。

圖2 PSM原理

(2)eDRX擴展非連續(xù)接收。

eDRX是在DRX技術(shù)上的擴展。當(dāng)終端設(shè)備與基站進(jìn)行通信的時候，在DRX技術(shù)的基礎(chǔ)上，終端設(shè)備會周期性地監(jiān)聽尋呼消息。相比于DRX技術(shù)，eDRX技術(shù)支持的尋呼周期更長，從而達(dá)到節(jié)電的目的[7]。除此之外，該技術(shù)更適合上行加下行的場景，一定程度上下行數(shù)據(jù)可以“實時”接收。eDRX原理如圖3所示。

圖3 eDRX原理

2.2 廣覆蓋

NB-IoT廣覆蓋來自于兩方面。下行主要依靠增加各自信道的最大重傳次數(shù)以獲得覆蓋增強；上行主要通過提升其功率譜密度以及增加上行信道的最大重傳次數(shù)增強其覆蓋面積[8]。在頻段形同的情況下，該技術(shù)與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)相比，覆蓋目標(biāo)為164 dB，比傳統(tǒng)的2G技術(shù)增強20 dB，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力[9]。

2.3 海量連接

NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)海量連接的方式主要有兩種，分別是降低信令開銷和窄帶傳輸。

NB-IoT通過降低信令開銷提高了數(shù)據(jù)包在傳輸過程中的效率，同時可以節(jié)省4～5條信令。

2.4 低成本

相比于其他的通信技術(shù)，NB-IoT技術(shù)不需要重新建網(wǎng)，射頻和天線是可以重復(fù)使用的[10]。通過對物理層和硬件的重新設(shè)計，終端芯片的價格也會不斷下降，未來的目標(biāo)是將該芯片的價格降到$1。低成本的價格使得NB-IoT技術(shù)在未來可以得到更好的推廣，應(yīng)用于實際生活的各個領(lǐng)域。

3 NB-IoT技術(shù)應(yīng)用

3.1 智慧農(nóng)業(yè)

NB-IoT低功耗、廣覆蓋的優(yōu)勢使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了更快的發(fā)展。與此同時，NB-IoT技術(shù)也逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，是相關(guān)開發(fā)人員進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)的首要選擇。眾所周知，農(nóng)業(yè)環(huán)境對農(nóng)作物的生長有著至關(guān)重要的作用。農(nóng)業(yè)的發(fā)展迫切需要低成本，低功耗的傳感器實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的實時監(jiān)測。目前很多農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用2G/3G/WI-FI等無線通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，并取得了一定的效果，但通信模塊存在成本高、功耗大等不足[11]。通過NB-IoT技術(shù)，實現(xiàn)廣覆蓋、遠(yuǎn)距離、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸，最終將數(shù)據(jù)傳送到云平臺。相關(guān)工作人員可以實時查看農(nóng)作物生長環(huán)境的參數(shù)。農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖4所示。

圖4 農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)

首層為感知層，NB-IoT終端包括了溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器、土壤酸堿度傳感器等，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到NB-IoT基站；第二層為傳輸層，負(fù)責(zé)NB-IoT設(shè)備的接入。核心網(wǎng)包括了PGW、SGW、HSS、MME，是整個NB-IoT技術(shù)的核心。同時無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過協(xié)議的轉(zhuǎn)換發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)。第三層為IoT平臺層，負(fù)責(zé)處理收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)；第四層為應(yīng)用層，云服務(wù)器和監(jiān)控終端部署在這一層，云服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲，監(jiān)控終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)可視化，顯示參數(shù)。最終通過分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，指導(dǎo)農(nóng)作物的生長，同時向用戶層提供報警功能等API服務(wù)接口?？傊瑢τ谝恍﹤鬏斁嚯x比較遠(yuǎn)、部署耗時比較長的業(yè)務(wù)，選擇NB-IoT技術(shù)將是最佳解決方案[12]。

3.2 智能路燈

在智慧城市建造方面，國內(nèi)路燈的數(shù)量不斷增長，與此同時，如何節(jié)省電力資源，保障公共交通安全，方便相關(guān)人員對于路燈的管理也成為了亟待解決的問題。而智能路燈的實現(xiàn)也成為了解決該問題的最好方式。在最近幾年，呂祚英等[13]提出了基于電力載波的智能路燈控制系統(tǒng)，曲宇寧等[14]提出了一種基于ZigBee和LabVIEW的智能路燈控制系統(tǒng)。這兩種設(shè)計方案雖都能滿足一般需求，實現(xiàn)對路燈的智能控制，但存在功耗高、部署難等缺點。將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用到智能路燈，對城市道路每盞燈實現(xiàn)全面的感知，并根據(jù)光照強度或者人流量自動調(diào)節(jié)亮度，有效節(jié)省維護(hù)成本[15]。智能路燈基本架構(gòu)如圖5所示。

智能終端可以完成對光照強度、車流量、電流等相關(guān)參數(shù)的采集，并最終上傳到云平臺，由云平臺完成對數(shù)據(jù)的存儲；軟件設(shè)計包含了路燈控制終端的軟件設(shè)計、車流量檢測系統(tǒng)的設(shè)計以及云平臺的搭建。在吳超華等[16]提出的基于NB-IoT的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計中，以NB-IoT取代傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，提高了路燈的安全性。

圖5 智能路燈基本架構(gòu)

4 結(jié)束語

目前，NB-IoT通信技術(shù)的使用率正在逐年增加，但不能僅僅局限于看到其廣闊的應(yīng)用前景，它背后的問題同樣值得深思。NB-IoT技術(shù)作為一種新興技術(shù)，其在大規(guī)模應(yīng)用背景下成本價格低至$1，但是單個模塊仍然停留在$5。相比于較成熟的Sigfox、Zigbee技術(shù)等，該劣勢成為限制眾多企業(yè)選擇NB-IoT技術(shù)的主要原因；其次，在部署NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的過程中，由于使用大量短距離、微功率的無線設(shè)備，這使得在同一區(qū)域內(nèi)RFID傳感器遭受無線電攻擊的機率大大增加，NB-IoT環(huán)境內(nèi)自擾的現(xiàn)象也十分嚴(yán)重，同樣會產(chǎn)生新的電磁干擾[17]。除此以外，部署時間長，隱私安全是否能得到一定的保障都會限制其發(fā)展。NB-IoT技術(shù)的出現(xiàn)是一項革命性的技術(shù)，其低成本、低功耗、廣覆蓋、海量連接的優(yōu)勢適用于監(jiān)測、測量等一些新興的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景[18]。相信隨著科技的發(fā)展，NB-IoT技術(shù)也會得到進(jìn)一步完善，并逐步應(yīng)用于生活中的各個領(lǐng)域。