基于智慧城市建設的NB—IoT應用研究

王明浩++吳韶波

摘 要：城市的快速化發(fā)展帶來了交通堵塞、環(huán)境污染等一系列嚴峻的挑戰(zhàn)，其中智慧城市作為傳統(tǒng)數(shù)字城市進化形成的高級形態(tài)，為解決城市發(fā)展問題，創(chuàng)造良好的生活環(huán)境提供了更好的機遇，將成為城市治理模式創(chuàng)新的重點。智慧城市的發(fā)展離不開物聯(lián)網(wǎng)。NB-IoT作為即將到來的5G時代的三大標準之一，主要面向物聯(lián)網(wǎng)場景，以其容量低、覆蓋廣、成本低和功耗低等優(yōu)點在智慧城市建設中扮演著重要角色。文中簡要介紹了NB-IoT技術，并詳細探討了其在智慧城市建設過程中的實際應用。

關鍵詞：智慧城市；物聯(lián)網(wǎng)技術；NB-IoT；5G

中圖分類號：TP391；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-04

0 引 言

智慧城市是以最新一代物聯(lián)網(wǎng)科技為基石打造的高度現(xiàn)代化的城市狀態(tài)。在互聯(lián)網(wǎng)媒體、AIP、Living Lab等途徑的輔助下，城市將具備無時不有的互聯(lián)、無處不在的感知，高度智慧型的應用以及全面協(xié)調可持續(xù)的創(chuàng)新等特征。其實質是將萬物互聯(lián)的思想理念通過現(xiàn)代信息技術在城市建設中予以實現(xiàn)，以期達到對城市的智能化管理，提高城市居民的生活品質，便利人們的日常生活。

物聯(lián)網(wǎng)即物與物相連的網(wǎng)絡，以傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)為框架，將網(wǎng)絡定義延伸至任意物品之間的通信和互聯(lián)。從技術手段層面上說，物聯(lián)網(wǎng)主要分為網(wǎng)絡層、應用層和感知層。感知層如同人類神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)末梢，遍布低功耗傳感器，用于采集原始信息和起到對物體進行認知的作用。網(wǎng)絡層就好比人類的神經(jīng)元，由四通八達的通信網(wǎng)絡組成，負責對“神經(jīng)末梢”收集的信息進行傳遞和加工。應用層為用戶和物聯(lián)網(wǎng)之間搭建了一個橋梁，通過對市場需求的精確分析，為用戶提供智能化的應用。

物聯(lián)網(wǎng)技術是實現(xiàn)城市信息化、智能化的必要工具和手段，而智慧城市也是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的重要目標之一。二者相輔相成，相互促進。

1 NB-IoT技術

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）即基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，作為傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡的升級，它可由電信運營商直接部署在傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡上，升級較為方便且只占用大約180 kHz的頻帶。即將到來的5G時代要求我們實現(xiàn)高可靠低時延的數(shù)據(jù)通信、移動寬帶的極大增強和萬物之間的信息互聯(lián)，而萬物互聯(lián)網(wǎng)的一個重點發(fā)展方向便是NB-IoT。

NB-IoT的誕生是為了迎合現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)部署對支持大系統(tǒng)容量大規(guī)模連接的強烈需求，它要求我們在盡可能降低信令開銷的同時，保證低成本低功耗設備在廣域網(wǎng)中實現(xiàn)高質量的蜂窩互聯(lián)。

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術分為有線和無線兩種類型，基于蜂窩網(wǎng)絡的NB-IoT屬于低功耗廣域網(wǎng)，即無線組網(wǎng)中的長距離無線通信技術。

NB-IoT上行鏈路采用了具有單載波特性的SC-FDMA多址方式，使用BPSK或QPSK進行調制。為了使NB-IoT終端功耗盡可能降低以延長設備待機時間，上行鏈路引入了單頻傳輸模式，單頻傳輸模式共占用48個子載波，除了原來LTE網(wǎng)絡中規(guī)范的15 kHz子載波間隔，還重新加入了3.75 kHz的子載波間隔以求達到更大的系統(tǒng)容量。上行鏈路傳輸理論速率約在160～200 kb/s之間。與單頻模式對應的多頻模式子載波間隔為15 kHz，傳輸速率在160～250 kb/s之間。相比而言，多頻方式能達到更高的峰值速率，而單頻方式能有效降低終端功耗，實現(xiàn)更大的容量和更廣的覆蓋。

NB-IoT下行鏈路為了盡可能與現(xiàn)有LTE下行鏈路保持一致以便平滑升級，采用了間隔為15 kHz的OFDMA子載波，調制方式為QPSK，傳輸速率在160～250 kb/s間，最多有AP0和AP1兩個天線端口可以支持。

NB-IoT和傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比具有更低的設備功耗、更廣的信號覆蓋、更低的硬件成本、更大的系統(tǒng)容量。

1.1 大容量

隨著物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量的不斷增多，現(xiàn)有的TD-LTE和FDD-LTE網(wǎng)絡顯然無法繼續(xù)承擔連接這些設備的艱巨任務，網(wǎng)絡容量的增加刻不容緩。NB-IoT技術的引進使得網(wǎng)絡容量比現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡容量理論上增加了50～100倍，而將近十萬個設備可以在NB-IoT的一個基站覆蓋下使用。

1.2 廣覆蓋

NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力極強，測試結果顯示，NB-IoT在采用獨立部署模式的情況下，能達到約160 dB的覆蓋強度。在180 kHz傳輸帶寬下比傳統(tǒng)網(wǎng)絡增強了100倍的覆蓋能力，與WiFi等現(xiàn)有短距離傳輸技術相比更具有十分突出的優(yōu)勢?？蓪V大農(nóng)村地區(qū)，工廠廠房，水庫河流，下水道等地域偏遠、信號不易覆蓋的地方進行深度覆蓋。

1.3 低功耗

NB-IoT設備功耗極低，由于網(wǎng)絡的覆蓋能力強，上行鏈路又加入了單頻模式，其極限發(fā)送功率比GPRS極限發(fā)送功率降低了約90%。同時芯片模塊在制造工藝的發(fā)展下進一步優(yōu)化升級，實現(xiàn)了低功耗低電流運作，進一步延長了設備的待機時間，使位于高山荒漠等偏遠地區(qū)的傳感器設備在惡劣的自然環(huán)境下也能擁有數(shù)年之久的續(xù)航。

1.4 低成本

NB-IoT由于不僅具有速率低，功耗低，信令簡化等特點，其硬件成本也比傳統(tǒng)通信模塊低廉，芯片價格預計均為五美元，目前市場上3G通信模塊均為十幾美元，4G通信模塊則需二十多美元，因此低成本的NB-IoT設備將在市場上更具有價格競爭力。

2 NB-IoT網(wǎng)絡架構

NB-IoT網(wǎng)絡由NB-IoT終端，NB-IoT基站，NB-IoT核心網(wǎng)，NB-IoT云平臺和垂直行業(yè)中心組成，其網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 NB-IoT網(wǎng)絡結構

（1）NB-IoT終端

NB-IoT終端主要由各種物聯(lián)網(wǎng)通信設備組成，包含各種傳感器和嵌入式芯片，可以方便快捷地接入NB-IoT網(wǎng)絡中為用戶服務。

（2）NB-IoT基站

NB-IoT基站支持獨立部署、保護帶部署、帶內(nèi)部署三種部署方式。獨立部署即NB-IoT網(wǎng)絡利用與LTE頻帶不相重疊的獨立頻帶進行部署，可以利用帶寬為200 kHz的GSM頻段進行NB-IoT網(wǎng)絡部署。保護帶部署指使用目前還沒有被開發(fā)的LTE網(wǎng)絡邊緣頻段中的180 kHz帶寬來部署網(wǎng)絡。帶內(nèi)部署即直接使用LTE頻帶中的任意資源塊對網(wǎng)絡進行部署?；镜慕ㄔO要充分考慮區(qū)域特點，在降低建設成本的同時提高資源利用率。

（3）NB-IoT 核心網(wǎng)

NB-IoT核心網(wǎng)負責NB-IoT基站和云之間的連接，它在移動性和安全性等方面的表現(xiàn)要大大優(yōu)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡，并且能夠高效進行流量調度和擁塞控制。

（4）NB-IoT 云平臺

NB-IoT云平臺負責對各種業(yè)務進行處理和調度，比如應用層協(xié)議棧的適配及對大數(shù)據(jù)的分析等。處理后的信息將會被傳遞給NB-IoT終端設備或垂直行業(yè)中心。

（5）垂直行業(yè)中心

垂直行業(yè)中心可對NB-IoT終端進行控制并監(jiān)測業(yè)務數(shù)據(jù)。

3 基于NB-IoT的智慧城市應用

NB-IoT技術的業(yè)務適用范圍主要包括設備待機時間較久，信號覆蓋領域較廣，對時延敏感程度較弱，系統(tǒng)容量較大的低速率應用，相對而言更加適合靜態(tài)環(huán)境業(yè)務或需要實時傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務場景。

GSM聯(lián)盟識別了共7大類24小類的低功耗廣域網(wǎng)應用類型。

3.1 城市基礎設施

城市基礎設施包括智慧停車場、智能垃圾桶、智能公交車站、智能路燈管控等。以智慧停車系統(tǒng)為例，作為智慧城市的重要基石，智慧停車場雖然十分基礎但卻不可或缺。我國汽車制造業(yè)的蒸蒸日上與汽車市場的一片紅火密不可分?？焖僭鲩L的汽車數(shù)量與有限的停車資源之間的矛盾愈演愈烈，停車難、停車貴成為了困擾萬千車主的心病。在不久的將來，智慧停車系統(tǒng)必然遍布大街小巷。

傳統(tǒng)智慧停車場可借助停車場安裝的智能感應裝置，與進入停車場的用戶智能手機進行數(shù)據(jù)通訊，用戶通過手機App將請求參數(shù)發(fā)送至停車場管理后臺，由后臺管理系統(tǒng)進行實時調度，將車位信息和導航信息傳回用戶手機，同時對停車場內(nèi)所有行駛車輛進行跟蹤定位，合理疏導車流，以防發(fā)生事故。

由于停車場多處于商場負一層，網(wǎng)絡信號覆蓋較差，對于車主而言，需要實時接收到后臺系統(tǒng)的導航信息以保證行車安全，因此傳統(tǒng)網(wǎng)絡可能無法滿足用戶需求。

NB-IoT的一個突出優(yōu)勢就是比傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡覆蓋深度更深，基于NB-IoT技術的智慧停車系統(tǒng)通過對現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡進行優(yōu)化升級，無需重新部署，其信號覆蓋強度是GPRS網(wǎng)絡的100倍，是現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡的10倍，接入能力更大大強于其他技術，即使在地下車庫也可以使車主實時不間斷地接收后臺信息。

車檢器采用NB-IoT硬件設備，具有超強的抗干擾能力，同時大大降低了設備成本，NB-IoT設備功耗較低，壽命長達數(shù)年之久。電池電量如果低于閾值，便會由數(shù)據(jù)中心及時發(fā)出預警，維修人員快速進行電池更換，平均一人僅半天就可更換100個電池。

3.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用包括煤炭與石油的開采監(jiān)控、設備的工作狀態(tài)監(jiān)控、工廠作業(yè)安全監(jiān)控等。城市的建設離不開工業(yè)的發(fā)展，而工業(yè)廠房的信息互聯(lián)既是安全作業(yè)的必然要求也是城市信息化的重要體現(xiàn)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是集高級分析，精確計算和傳感技術于一體的特殊互聯(lián)網(wǎng)。眾多密切關聯(lián)的工業(yè)系統(tǒng)之間需要時刻保持通訊，并對數(shù)據(jù)的收集和轉發(fā)進行統(tǒng)一管理。為了刺激工人的積極性以保證工廠的生產(chǎn)效率，需要對工廠進行實時監(jiān)控，因此工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡的可靠性有很高的要求。

目前以西門子為典型的工業(yè)控制系統(tǒng)均使用有線網(wǎng)絡，工廠會逐步在生產(chǎn)線上嘗試使用無線連接技術以優(yōu)化制造流程，可是目前像WiFi這樣的無線連接技術的可靠性較低，存在嚴重的安全隱患。

NB-IoT的誕生為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用帶來了強有力的技術支持。由于NB-IoT網(wǎng)絡是由原LTE網(wǎng)絡升級而來，因此保留了4G網(wǎng)絡的安全性能。為保證使用者數(shù)據(jù)的安全，NB-IoT網(wǎng)絡還支持空口嚴格加密和雙向鑒權技術?；贜B-IoT窄帶集群的無線工廠解決方案使用了操作簡單易于管理的先進工業(yè)級設計，廠房內(nèi)各類業(yè)務的不同需求都能得到完美的技術支持，以達到工業(yè)園區(qū)的智能互聯(lián)，機器運轉的安全監(jiān)控及工人工作的效率監(jiān)督。NB-IoT網(wǎng)絡可以為各類型的企業(yè)建立持續(xù)性強、可靠性高、安全性好、實時通訊的無線通信網(wǎng)絡，為工廠信息化打下堅實的基礎。

3.3 醫(yī)療行業(yè)的應用

醫(yī)療行業(yè)的應用包括智能穿戴設備、智能血壓計、智慧醫(yī)院、智能臨床監(jiān)控等。在可以預見的未來，醫(yī)療行業(yè)也將成為物聯(lián)網(wǎng)技術大放異彩的舞臺。人工智能將把醫(yī)療服務業(yè)推上一個新高度。

醫(yī)療行業(yè)以智能血壓計為例，智能終端將測量數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡自動上傳至數(shù)據(jù)中心進行整理和分析，同時生成便于老人讀懂的健康分析和圖表報告并給出相關建議，分析結果被發(fā)送至用戶的手機App，使用戶可在任何時間任何地點獲取自己及家人的身體健康狀況。

傳統(tǒng)智能血壓計基于GPRS網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，在許多信號覆蓋不好的地方，用戶數(shù)據(jù)不易發(fā)送至云端，嚴重影響用戶的使用體驗。

NB-IoT技術具有硬件價格低廉，功耗低的優(yōu)勢，且其室內(nèi)覆蓋性極好，遠遠強于GPRS網(wǎng)絡，能夠提供電信級的可靠接入。使用了NB-IoT技術的智能血壓計具有極強的抗干擾能力，即使在惡劣環(huán)境下也能及時將用戶的健康信息上傳。

3.4 城市公共事業(yè)

城市公共事業(yè)包括智能水表、氣表、電表等。在智能電、水、氣表等領域相關的公司和部門要求在延遲較低的情況下進行高頻次、高速率的通信。供電公司和供水公司等需要計算用戶的使用量并計費，同時對用戶線網(wǎng)進行實時監(jiān)控以便發(fā)現(xiàn)安全問題，如漏水、漏電、漏氣可以及時應對處理。

以智能氣表系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)采集器和戶機終端組成。數(shù)據(jù)中心負責對采集到的數(shù)據(jù)進行保存和分析，同時將分析結果返回給用戶。

數(shù)據(jù)采集器用于對用戶信息進行實時采樣、故障判斷，并將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)采集器與戶機終端之間采用多芯電纜完成消息傳輸。戶機有直讀遠傳戶表和燃氣泄漏報警器等。直讀遠傳戶表可將用戶使用量等數(shù)據(jù)直接反饋給用戶，當系統(tǒng)檢測到室內(nèi)可燃氣體濃度超標時，報警器會鳴笛示警，閥門自動關閉，系統(tǒng)生成錯誤報告在屏幕上顯示。

由于這些智能氣表由電源供電，所以并沒有超低功耗和長電池使用壽命的需求，但傳統(tǒng)網(wǎng)絡的可靠性和容量則遠遠遜色于NB-IoT網(wǎng)絡。對于小區(qū)里的一幢公寓樓來說，少則有上百個智能氣表需要接入網(wǎng)絡，而隨著智能家居的普及，越來越多的設備都將接入網(wǎng)絡，傳統(tǒng)網(wǎng)絡資源將越發(fā)吃緊，為了服務更多用戶，NB-IoT網(wǎng)絡無疑是更好的選擇。另外從智能表需要進行高速傳輸和頻繁通信這兩個角度來說，NB-IoT也更加符合智能表的需求。

3.5 后勤保障

后勤保障包括智慧物流追蹤、智慧物流車輛調度等。伴隨著工業(yè)4.0發(fā)展理念的形成和“互聯(lián)網(wǎng)+”的新常態(tài)經(jīng)濟模式的提出，我國現(xiàn)代化物流服務體系也在逐漸健全，低功耗傳感器等各種技術應用如雨后春筍般出現(xiàn)，智能化物流產(chǎn)業(yè)逐步取代了古老的物流模式。物流企業(yè)可以根據(jù)定位需要在運輸車、物流分揀站、物流倉庫安裝低功耗傳感器，將收集到的信息數(shù)據(jù)匯集成一個全新的物流信息云，形成連接人、貨、車及數(shù)據(jù)管理中心的全過程可視化物聯(lián)網(wǎng)追蹤體系。

由于智慧物流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和跟蹤大約只需100 Kb傳輸量，因此更適宜采用數(shù)據(jù)傳輸量較小的NB-IoT技術?；贜B-IoT技術的傳感器結構簡單，安裝便利，無需布線就可接入網(wǎng)絡。NB-IoT與GPS技術相結合，能夠實現(xiàn)精度小于10m的定位，并且能夠在物流運送周期內(nèi)進行實時監(jiān)控。由于NB-IoT網(wǎng)絡由電信運營商經(jīng)營，無需集中器或網(wǎng)關，對于廠商和業(yè)主來說，僅關心自己的核心業(yè)務即可，無需關心網(wǎng)絡維護，用戶可以更加靈活地獲取自己想要的數(shù)據(jù)。

3.6 智慧建筑

智慧建筑包括報警系統(tǒng)、采暖通風與空調系統(tǒng)等。建筑的智能化要求我們在建筑中加入溫濕度、安全、有害氣體等傳感器并定時將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳，用戶可使用手機App遙控建筑內(nèi)的各項環(huán)境參數(shù)使其達到適宜人居住的范圍。

以智慧建筑中的智慧空調系統(tǒng)為例，空調應當包含溫度控制，濕度控制，氣流速度控制，空氣潔凈度控制等幾個主要功能。對于居民住宅，空調系統(tǒng)需要時刻保持房間內(nèi)的空氣濕度、環(huán)境溫度在一個合適的范圍內(nèi)變化，而對于養(yǎng)殖場、農(nóng)場等特殊場所，由于生產(chǎn)需要，必須讓環(huán)境內(nèi)的各項參數(shù)按照一定的函數(shù)規(guī)律變化以增加產(chǎn)量，因此要支持人工設置變化函數(shù)的功能。

空調作為南方家庭夏天消暑降溫的必備電器，其價格的高低是決定其能否進入普通百姓家庭的關鍵因素，如果一臺智能空調的價格高達數(shù)萬元，那么就失去了普及和便民的意義?，F(xiàn)如今，市場上的普通空調動輒要四五千元，更不必說加入了3G、4G模塊和各種傳感器的智能化空調了。NB-IoT芯片價格低于2G主芯片，在大規(guī)模使用情況下，單塊成本可降至1美元，其模塊價格也僅需2美元，遠遠低于GPRS和3G、4G模塊。運營商維護成本較傳統(tǒng)網(wǎng)絡低許多，且政府會出臺相關政策提供一定的補貼，大大降低了智能空調的市場價格。

3.7 環(huán)境監(jiān)控

環(huán)境監(jiān)控包括污染、噪音、雨、風、河流流速、健康危害、數(shù)據(jù)搜集與實時監(jiān)控等。我國幅員遼闊、河流、湖泊、地下水分布廣泛，需要對工業(yè)用水，農(nóng)業(yè)用水以及飲用水等水質進行監(jiān)控，且檢測標準不一，具有監(jiān)測點多，監(jiān)測面廣，監(jiān)測量大等特點。

以水庫的水質檢測系統(tǒng)為例，水庫作為城市飲用水的大水缸，其水質關系著千萬群眾的身體健康。傳統(tǒng)的水質監(jiān)測系統(tǒng)通過在水庫中投放很多嵌入水質監(jiān)測傳感器的浮標來獲取該片水域的水質參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過GPRS將數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)中心以供分析，以便及時監(jiān)測水庫的水質情況。

分布于水庫中的傳感器數(shù)量多，分布面積廣，且水庫常常遠離居民區(qū)，運營商不可能大面積布網(wǎng)，信號的強度和覆蓋也是問題。

NB-IoT硬件的超低功耗和超長待機可以滿足傳感器在河流湖泊中長達數(shù)年的使用。NB-IoT創(chuàng)造性地引入了PSM （Power Saving Mode，PSM）模式，雖然終端設備依舊注冊在線，但信令卻不可達，從而使設備較長時間停留在一個深度睡眠的狀態(tài)以達到節(jié)省功耗的目的。同時NB-IoT在野外的超強覆蓋能力也決定了它是水庫水質監(jiān)測系統(tǒng)的不二選擇。

4 結 語

隨著城市信息基礎設施建設的日漸成熟，人們對城市智慧化的需求也越來越迫切。對物聯(lián)網(wǎng)這一智慧城市的關鍵技術的研究更是箭在弦上。NB-IoT將改變物聯(lián)網(wǎng)M2M行業(yè)標準不統(tǒng)一的現(xiàn)狀，刺激物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迎來爆炸式發(fā)展。可以預見，在不久的將來，NB-IoT在智慧城市建設中扮演的作用會越來越重要，并就此開啟萬物互聯(lián)的新領域、新時代。

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