□侯爽劉淼王微

2011年，《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》和中央水利工作會(huì)議均明確提出“推進(jìn)水利信息化建設(shè)”、“提高水資源調(diào)控和工程運(yùn)行的信息化水平，以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化”。這些論述均強(qiáng)調(diào)了在水利信息化在當(dāng)前水利發(fā)展、水資源管理中發(fā)揮的重要作用。為全面貫徹文件精神，減少水資源浪費(fèi)，自2012年—2018年，水利部與財(cái)政部聯(lián)合組織實(shí)施了國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目，全國各地在響應(yīng)國家號(hào)召的同時(shí)，也陸續(xù)開展了本地水資源監(jiān)控能力建設(shè)。

然而，隨著科技的進(jìn)步以及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)狀水資源監(jiān)控使用的傳輸方式，在一定程度上制約了水利信息化的進(jìn)一步發(fā)展。因此，如何引入新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)化水資源智能監(jiān)控建設(shè)，提高水資源監(jiān)控的效率，降低投入成本，已經(jīng)成為水利信息化的重要要求。

1 .水資源智能監(jiān)控現(xiàn)狀傳輸方式及存在問題

1.1 水資源智能監(jiān)控傳輸現(xiàn)狀

一是監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。目前，根據(jù)國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目總部署，水資源監(jiān)控能力建設(shè)主要內(nèi)容可以簡單概述為“四網(wǎng)一平臺(tái)”，“四網(wǎng)”指的是4個(gè)監(jiān)測站網(wǎng)，即地下水位監(jiān)測站網(wǎng)、取用水量監(jiān)測站網(wǎng)、水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)、省（市）界斷面水量監(jiān)測站網(wǎng)，其作用是通過硬件傳感器（如水位計(jì)、流量計(jì)等）分別對(duì)地下水位、取用水戶取用水量以及灌區(qū)渠首水量、水功能區(qū)以及飲用水水源地水質(zhì)、省界以及市界斷面的流入流出水量進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)作為水資源管理、保護(hù)、節(jié)約等的依據(jù)?！耙黄脚_(tái)”指的是水資源管理信息平臺(tái)，監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至水資源管理信息平臺(tái)，平臺(tái)作為數(shù)據(jù)處理、分析、使用、展示的窗口。監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

如圖1所示，監(jiān)測站網(wǎng)按照一定的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并統(tǒng)一將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由政務(wù)外網(wǎng)的傳輸方式發(fā)送至水資源管理信息平臺(tái)。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

二是流量監(jiān)測站點(diǎn)。為了方便理解監(jiān)測站網(wǎng)，下面以水量監(jiān)測站網(wǎng)為例，介紹其組成結(jié)構(gòu)和工作原理。水量監(jiān)測站網(wǎng)是由若干個(gè)流量監(jiān)測站點(diǎn)組成的，單個(gè)流量監(jiān)測站組成結(jié)構(gòu)圖見圖2。

如圖2，流量監(jiān)測站點(diǎn)是由流量計(jì)、遙測終端機(jī)、通訊模塊以及供電系統(tǒng)組成，流量計(jì)作為硬件傳感器，以一定的頻次進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)由信號(hào)線傳輸至遙測終端機(jī)，遙測終端機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理以及計(jì)算，并由通訊模塊以一定的傳輸方式被發(fā)送至水資源管理信息平臺(tái)，進(jìn)行分析以及展示。供電系統(tǒng)為遙測終端機(jī)等設(shè)備供電，現(xiàn)狀供電系統(tǒng)一般分成3類：市電交流電、太陽能/蓄電池供電、鋰電池供電。

圖2 流量監(jiān)測站點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)圖

通訊模塊的硬件配置情況直接影響了數(shù)據(jù)的傳輸方式，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可劃分為兩類：一是其他移動(dòng)通信技術(shù)（即以短距Wi-Fi、藍(lán)牙等為主的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）；二是全球移動(dòng)通信網(wǎng)（又名移動(dòng)蜂窩技術(shù)，一般情況下指2G/3G/4G及其他技術(shù)）?，F(xiàn)狀水資源監(jiān)測站網(wǎng)中，監(jiān)測站點(diǎn)的硬件通訊模塊一般需要配備專用的物聯(lián)網(wǎng)卡，其使用的通訊方式為移動(dòng)蜂窩技術(shù)中的2G/3G/4G技術(shù)。

1.2 現(xiàn)狀傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)

移動(dòng)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2G/3G/4G）的優(yōu)點(diǎn)是速度快、傳輸數(shù)據(jù)量大，但是在水資源監(jiān)控建設(shè)的應(yīng)用中，仍然存在如下問題。

一是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不足。水資源智能監(jiān)控的應(yīng)用范圍較廣，智能監(jiān)測站的安裝位置較為復(fù)雜，對(duì)于安裝位置為樓宇室內(nèi)或者平原等通信信號(hào)較好的地帶，移動(dòng)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2G/3G/4G）能夠有效覆蓋傳輸，但是對(duì)于安裝位置處于地下以及邊遠(yuǎn)山區(qū)等通信信號(hào)較差的情況，移動(dòng)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2G/3G/4G）的指標(biāo)規(guī)劃無法滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包等情況，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不足。

二是終端能耗高。利用移動(dòng)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2G/3G/4G）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)終端耗電量較大，主要原因包括終端自身具有較大的功耗，同時(shí)數(shù)據(jù)重傳也造成一定的能量消耗。部分水資源智能監(jiān)控終端監(jiān)測站部署位置環(huán)境較為惡劣，尤其處于野外、山區(qū)等位置的監(jiān)測站點(diǎn)，現(xiàn)場不具備市電交流電的供電環(huán)境，太陽能供電系統(tǒng)易遭到破壞或者丟失，因此只能選擇電池供電并對(duì)整個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)加以保護(hù)，但是由于電池電量固定，過高的終端能耗會(huì)降低電池使用壽命，增大后期維護(hù)成本，因此，降低終端能耗，延長終端使用壽命是進(jìn)一步推廣智能監(jiān)控的重要手段之一。

三是數(shù)據(jù)連接量小?，F(xiàn)狀情況下三大運(yùn)營商的基站部署基本成型，經(jīng)調(diào)研，利用移動(dòng)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2G/3G/4G）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)每個(gè)基站可同時(shí)連接約1K左右個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，連接量較小，容易造成數(shù)據(jù)包沖突、網(wǎng)絡(luò)容量不足的情況。

四是終端成本高。隨著水資源智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的推廣，終端監(jiān)測站種類繁多，但是開發(fā)門檻高，通信模塊成本高，造成終端監(jiān)測站的綜合成本較高。

五是2G/3G網(wǎng)絡(luò)退網(wǎng)。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，4G、5G技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，但是有限的頻譜資源限制了通信技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，為了節(jié)約頻譜資源，國內(nèi)三大運(yùn)營商都明確提出退網(wǎng)方案，其中聯(lián)通退網(wǎng)2G、移動(dòng)退網(wǎng)3G、電信退網(wǎng)2G/3G，運(yùn)營商的退網(wǎng)方案使得部分傳統(tǒng)智能監(jiān)控終端無法滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。

2 .低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

為了進(jìn)一步擴(kuò)大水資源監(jiān)控應(yīng)用，降低建設(shè)成本，將低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LowPowerWideArea，LPWA）技 術(shù)引入水資源智能監(jiān)控建設(shè)中。

2.1 低功耗廣域網(wǎng)介紹及分類

為了更加清晰明了，我們利用下圖3進(jìn)行簡單介紹。

如圖3所示，橫軸代表覆蓋要求。根據(jù)通信距離長短可以劃分為長距離通信和短距離通信，傳統(tǒng)的2G/3G/4G技術(shù)通信不受范圍限制，短距離通信技術(shù)（如wifi、藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)等）覆蓋范圍受限，不適用于水資源智能監(jiān)控技術(shù)。長距離通信主要代表技術(shù)是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internetof Things,NB-IOT）、LoRa、SigFox技術(shù)等，我們將這類技術(shù)稱為低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)。

圖3 低功耗廣域網(wǎng)分類示意圖

縱軸代表速率要求?；究蓜澐譃楦?、中、低3個(gè)速率等級(jí)，網(wǎng)絡(luò)能耗隨著速率的增加逐漸增大。

根據(jù)上述分析可知，短距離通信技術(shù)無法適用于傳輸距離較長的水資源智能監(jiān)控系統(tǒng)；相比較NB-IoT、LoRa、SigFox等技術(shù)，eMTC技術(shù)具有更高的能量消耗以及相對(duì)較低的覆蓋能力；LoRa技術(shù)屬于私有技術(shù)制式，需獨(dú)立建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，造成硬件成本過高；Sigfox技術(shù)不適配國內(nèi)無執(zhí)照波段。綜上所述，NB-IOT技術(shù)作為一種低功耗廣域網(wǎng)，能耗較低，性能較好，應(yīng)用較為簡便。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT特點(diǎn)

NB-IOT技術(shù)是低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的一種，其帶寬約為180KHz，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，不需要額外獨(dú)立建網(wǎng)，因此被逐步推廣使用。其主要特點(diǎn)如下。

一是NB-IOT的超強(qiáng)覆蓋能力。NB-IOT要比GPRS覆蓋增強(qiáng)20db，通俗來講，相當(dāng)于能夠多穿透水泥制成的3棟墻體。其主要實(shí)現(xiàn)方法有3個(gè)：一是提升功率譜密度（7db）；二是重傳（12db）；三是多天線增益（0-3db）。

二是NB-IOT小功耗。NB-IOT具有較小的功耗，其主要原因如下。

（1）非連續(xù)接收機(jī)制(DiscontinuousReception，DRX)

系統(tǒng)通過非連續(xù)接收機(jī)制令終端休息，使終端進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，在終端休息時(shí)，關(guān)閉發(fā)信機(jī)以及收信機(jī)，以節(jié)省能耗。

（2）節(jié)能模式(PowerSavingMode,PSM)

節(jié)能模式指的是空閑態(tài)的子狀態(tài)，在節(jié)能模式下，終端射頻關(guān)閉，此時(shí)下行不可達(dá)，上行數(shù)據(jù)可以觸發(fā)終端進(jìn)入連接態(tài)。通過這種方式節(jié)能模式下耗電量是普通空閑態(tài)耗電量的二百分之一。但是，由于下行數(shù)據(jù)不可達(dá)，被叫業(yè)務(wù)響應(yīng)不及時(shí)。

（3）非連續(xù)擴(kuò)展接收(Extended DiscontinuousReception,eDRX)

為了方便理解，我們將非連續(xù)擴(kuò)展接收狀態(tài)分為空閑態(tài)eDRX和連接態(tài)的eDRX，根據(jù)前面分析可知，NB-IOT終端大部分時(shí)間處于空閑態(tài)，因此此處主要介紹空閑態(tài)eDRX的實(shí)現(xiàn)原理。

eDRX的中心思想是減少尋呼監(jiān)聽的次數(shù)。傳統(tǒng)的尋呼間隔對(duì)IoT終端的電量消耗較大，而在下行數(shù)據(jù)發(fā)送頻率小時(shí)，通過核心網(wǎng)和終端的協(xié)商配合，終端跳過大部分的尋呼監(jiān)聽，從而達(dá)到省電的目的。

2.3 NB-IoT低成本

簡單的數(shù)據(jù)通信復(fù)用技術(shù)。NBIoT使用頻分半雙工技術(shù)（Half-Duplex Frequency Division Duplex，HDFDD），頻分雙工是指上行鏈路和下行鏈路分別在兩個(gè)分離的對(duì)稱頻率信道上進(jìn)行接收和傳送，用以保護(hù)頻段來分離接收和傳送信道。半雙工技術(shù)是指發(fā)送和接收數(shù)據(jù)在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只能發(fā)生其中一個(gè)動(dòng)作的傳輸方式。數(shù)據(jù)通信復(fù)用技術(shù)示意圖如下圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)通信復(fù)用技術(shù)示意圖

基于成本考慮，NB-IOT僅支持頻分半雙工技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是終端實(shí)現(xiàn)簡單，可只保留一套收發(fā)信機(jī)，節(jié)省硬件成本，缺點(diǎn)是終端監(jiān)測站無法同時(shí)進(jìn)行上下行收發(fā)信息。

小帶寬及信道簡化。NB-IOT終端的工作帶寬為200K左右，因此不需要復(fù)雜的均衡算法；此外數(shù)據(jù)通信所需的速率較低，對(duì)緩存的要求不高；同時(shí)NB-IOT的終端不需要復(fù)雜的信道，從而使得終端監(jiān)測站點(diǎn)運(yùn)算量大幅度減小。

減少不必要功能。NB-IOT通過減少語音功能、非競爭性隨機(jī)接入功能、切換功能等，降低不必要的成本投入。

2.4 NB-IOT大連接

NB-IOT的理論容量是單基站連接數(shù)達(dá)到50K。其主要原因?yàn)椋阂皇荖BIOT的話務(wù)模型決定。物聯(lián)網(wǎng)的話務(wù)模型終端很多，但每個(gè)終端發(fā)送的包都比較小，發(fā)送包對(duì)時(shí)延的要求不敏感，因此可以設(shè)計(jì)更多的用戶接入。二是上行調(diào)度顆粒小，效率高。因?yàn)镹BIOT帶寬較窄，使得上行調(diào)度顆粒小，資源的利用率較高。

3 .物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT在水資源智能監(jiān)控中的應(yīng)用

通過上述分析，我們可知NB-IOT技術(shù)具有覆蓋范圍廣、終端能耗小、基站連接量大、硬件成本低等優(yōu)點(diǎn)。將NB-IOT技術(shù)應(yīng)用到水資源智能監(jiān)控建設(shè)中，對(duì)于所處位置較為惡劣（如山區(qū)、地下等情況）的部分終端監(jiān)測站點(diǎn)，能夠有效增強(qiáng)信號(hào)覆蓋范圍，降低數(shù)據(jù)的丟包現(xiàn)象，提高數(shù)據(jù)上傳率；其次，對(duì)于現(xiàn)場不具備市電以及太陽能供電條件的終端監(jiān)測站點(diǎn)，通過利用NB-IOT技術(shù)降低終端能耗，利用電池供電即可，避免出現(xiàn)頻繁更換電池的情況，降低后期的運(yùn)維成本；最后，NB-IOT技術(shù)能夠降低終端監(jiān)測站點(diǎn)的硬件成本，減小資金投入，增大水資源智能監(jiān)控建設(shè)性價(jià)比，提高智能監(jiān)控建設(shè)效率。

但是，在看到NB-IOT優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，我們也不能忽略其局限性。首先，由于NB-IOT的帶寬較小，每次傳輸攜帶的數(shù)據(jù)量較小，不適用于數(shù)據(jù)量要求較大的情況；其次，NB-IOT能耗較小，導(dǎo)致其下行傳輸無法及時(shí)響應(yīng)，在一定程度上影響了水資源智能監(jiān)控的召測功能；最后，NB-IOT支持頻分半雙工的通信方式，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性相對(duì)較差。

4 .結(jié)論

全文介紹了水資源智能監(jiān)控現(xiàn)狀，給出水資源智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，并以取水量監(jiān)測站網(wǎng)為例介紹了流量監(jiān)測站點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)，闡述了現(xiàn)狀通信傳輸方式；其次通過分析現(xiàn)狀傳輸模式在水資源智能監(jiān)控建設(shè)過程中存在的優(yōu)點(diǎn)以及問題，引入低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)的概念；最后對(duì)低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行介紹和分析，重點(diǎn)說明了其分類與特點(diǎn)，并分析其在水資源智能監(jiān)控中發(fā)揮的作用、功效以及可能存在的問題。□