淺析NB—IoT技術(shù)和LoRa技術(shù)在智能抄表中的應(yīng)用

譚丹 田仲平 張文濤

摘 要：針對傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)效率低、成本高等弊端，文中綜合分析了LoRa和NB-IoT的技術(shù)特點，并基于這兩種技術(shù)在智能抄表系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)部署，淺析其優(yōu)勢和劣勢。同時對NB-IoT技術(shù)在智能表市場中的應(yīng)用情況做了概括，列舉了NB-IoT在其他業(yè)務(wù)場景中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：低功耗廣域網(wǎng)；LoRa；NB-IoT；智能抄表

中圖分類號：TP39；TH814.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

隨著信息化的日益普及，當(dāng)今社會已步入物聯(lián)網(wǎng)時代。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，已成為新一代信息技術(shù)的重要組成部分。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWA）技術(shù)能夠解決物聯(lián)網(wǎng)通信層長距離與低功耗的矛盾，未來將成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域中的重要組成部分。

智能抄表是低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用場景之一，對系統(tǒng)成本、性能、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度、時效性、壽命等具有較高要求。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在針對智能抄表系統(tǒng)的通信解決方案中具有很大的優(yōu)勢，可滿足物聯(lián)網(wǎng)中遠(yuǎn)距離和低功耗的通信需求。目前低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可分為兩類：非授權(quán)頻段技術(shù)，如LoRa，SigFox等；授權(quán)頻段技術(shù)，如NB-IoT，LTE Cat-M等。工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持2G/3G/4G蜂窩通信技術(shù)。其中LoRa技術(shù)和NB-IoT技術(shù)是大家普遍關(guān)注的熱點，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 技術(shù)特點分析

1.1 LoRa技術(shù)特點

LoRa（Long Range，LoRa）是LPWAN成熟的通信技術(shù)中的一種，是Semtech公司研發(fā)的基于1 GHz以下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要為LoRaWAN，該協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。LoRaWAN的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要為星狀網(wǎng)架構(gòu)，通信距離可達(dá)15 km以上（與環(huán)境有關(guān)），在空曠地方甚至更遠(yuǎn)。其具體技術(shù)特點見表1所列。

1.2 NB-IoT技術(shù)特點

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是在3GPP release13立項的應(yīng)用于低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）市場的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，只消耗約180 kHz帶寬，直接部署于GPRS網(wǎng)絡(luò)，UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，可降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。

（1）覆蓋廣。NB-IoT的覆蓋范圍相比傳統(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)提升了20 dB。按照覆蓋面積計算，一個基站可以提供10倍的面積覆蓋。

（2）支持海量連接。相較于現(xiàn)有無線技術(shù)，NB-IoT提供了50～100倍的接入數(shù)量。一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接。

（3）低功耗。NB-IoT通信模組電池待機時間更長，可以獨立工作10年。

（4）低成本。NB-IoT模組的成本不超過5美元，NB-IoT技術(shù)在降低設(shè)備成本與設(shè)備功耗的同時，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

NB-IoT的技術(shù)特點如圖1所示。

2016 年，工信部批準(zhǔn)中國電信使用低頻段800 MHz作為LTE和NB-IoT廣域覆蓋的方案?；就瑫r支持LTE和NB-IoT與800 MHz LTE基站共享基帶、射頻及天饋資源。中國移動和中國聯(lián)通部署在900 MHz，1 800 MHz頻段，用于NB-IoT和VoLTE。

NB-IoT載波頻寬為200 kHz，除去保護(hù)帶后有效頻寬為180 kHz，相當(dāng)于LTE系統(tǒng)的1個RB。下行子載波間隔15kHz，與現(xiàn)有LTE系統(tǒng)兼容。目前全球NB-IoT大部分部署在1 GHz 以下，多在800～900 MHz之間。NB-IoT支持圖2所示的3種工作模式。

（1）獨立模式（Stand-alone），為NB-IoT設(shè)置獨立的載波，占用了200 kHz 帶寬，其中射頻帶寬為180 kHz ，保護(hù)帶帶寬左右各10 kHz；

（2）保護(hù)帶模式（Guard band），NB-IoT工作于LTE系統(tǒng)的保護(hù)帶，占用180 kHz 帶寬；

（3）帶內(nèi)模式（In-band），NB-IoT占用LTE載波的任意一個物理資源塊PRB，但邏輯上仍是獨立系統(tǒng)。

1.3 NB-IoT和LoRa技術(shù)對比

NB-IoT和LoRa主要技術(shù)參數(shù)對比見表2所列。

根據(jù)上述分析可知，NB-IoT和LoRа最主要的差別在于網(wǎng)絡(luò)部署和頻段利用的差異：從頻率資源來看，NB-IoT頻段穩(wěn)定，已成為窄帶物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域新的國際標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT帶寬窄，可利用LTE帶內(nèi)和保護(hù)帶帶寬資源，無需單獨申請或拍賣頻率；從網(wǎng)絡(luò)部署來看，可在現(xiàn)有4G LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上升級，利用LTE已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和全球廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)平滑過渡，快速升級支持NB-IoT發(fā)展。NB-IoT可與LTE共設(shè)備，基于已有LTE網(wǎng)絡(luò)快速升級，無需單獨建網(wǎng)，射頻和天線可復(fù)用，運營商可根據(jù)自身頻譜資源和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)情況，選擇合適的工作模式，通過新建或網(wǎng)絡(luò)升級的方式部署NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)。

2 基于LoRa技術(shù)和NB-IoT技術(shù)的遠(yuǎn)程智能抄表網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對比分析

2.1 基于LoRa技術(shù)的遠(yuǎn)程智能抄表網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

LoRa主要工作在非授權(quán)頻段，主要由終端（內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、云等組成?；贚oRa技術(shù)的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕ㄋ姎獗砑芾硐到y(tǒng)、終端采集節(jié)點即水電氣表（含LoRa射頻模塊）、運營商網(wǎng)絡(luò)、LoRa網(wǎng)關(guān)、云平臺等。具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。終端采集節(jié)點采集水電氣表的用量信息和狀態(tài)信息，LoRa網(wǎng)關(guān)將采集節(jié)點的數(shù)據(jù)通過運營商網(wǎng)絡(luò)或者以專線的方式傳到云平臺和水電氣集抄管理系統(tǒng)，組成3級通信組網(wǎng)架構(gòu)。LoRa網(wǎng)關(guān)和終端采集節(jié)點之間采用LoRa無線一對多的通信方式進(jìn)行連接和通信。

2.2 基于NB-IoT技術(shù)的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)

NB-IoT工作在授權(quán)頻段， 基于NB-IoT技術(shù)的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)主要由終端采集節(jié)點，帶NB-IoT通信模塊的水電氣表、NB-IoT通信基站、NB-IoT核心網(wǎng)、NB-IoT管理云平臺、客戶端網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、集抄管理系統(tǒng)等構(gòu)成。終端采集節(jié)點通過NB-IoT通信模塊搜尋附近的NB-IoT通信基站，將采集到的水電氣表的用量信息和狀態(tài)信息上傳至NB-IoT核心網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺，同時，終端采集節(jié)點也可以接收來自云平臺的控制數(shù)據(jù)消息。客戶端網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)從NB-IoT管理云平臺獲取實時抄收到的居民用水/電/氣數(shù)據(jù)，監(jiān)控各居民的實時使用情況，水電氣公司通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，可對用戶用水/電/氣進(jìn)行實時階梯調(diào)價控制，向居民推送每月的使用量情況和扣費情況等。

由于NB-IoT使用運營商頻段，因此通信運營商可實時獲悉每一戶居民的用水/電/氣情況，通過NB-IoT管理云平臺實現(xiàn)運營商對水電氣公司的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量管理和增值業(yè)務(wù)管理，保證了其QoS，同時大大降低了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)難度和成本。

2.3 對比分析

綜上分析，基于NB-IoT的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)較LoRa更勝一籌：

（1）部署更方便，成本更低：采用NB-IoT部署遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，只需將含有NB-IoT的模塊安裝在智能表中，即可與運營商基站實現(xiàn)通信，無需部署相應(yīng)的匯聚網(wǎng)關(guān)，再通過運營商網(wǎng)絡(luò)將采集節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳送至水電氣集抄管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)2級通信組網(wǎng)架構(gòu)，降低了網(wǎng)絡(luò)部署工作量。后續(xù)擴容亦無須考慮網(wǎng)絡(luò)兼容性問題。而LoRa網(wǎng)絡(luò)除了需要在智能表中安裝LoRa射頻模塊，還需要根據(jù)電表的數(shù)量部署相應(yīng)的匯聚網(wǎng)關(guān)，部署復(fù)雜度與成本較高。

（2）使用環(huán)境更安全：NB-IoT使用運營商頻段，加密性好，環(huán)境整潔。LoRaWAN使用免費的非授權(quán)頻段，且采用異步通信協(xié)議，是電池供電能量有限與低成本的最佳選擇。LoRa和LoRaWAN協(xié)議在處理干擾、網(wǎng)絡(luò)重疊、可伸縮性等方面具有獨特特性，但無法提供類似蜂窩協(xié)議的服務(wù)質(zhì)量（QoS）信息。

（3）網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量管理優(yōu)化：運營商對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和管理，降低企業(yè)成本，提供運營商級別網(wǎng)絡(luò)保障。運營商可基于已有網(wǎng)絡(luò)快速搭建一張具有連續(xù)深度覆蓋、低成本、低功耗、可漫游、質(zhì)量有保障等特點的窄帶專用物聯(lián)網(wǎng)，拓展新興業(yè)務(wù)領(lǐng)域。LoRa需要由廠家維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)，雖增加了運營費用，但方便對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)管理。

雖然LoRaWAN協(xié)議也是公開協(xié)議，但在實際運用中，大多數(shù)廠家對LoRa設(shè)備和協(xié)議都有特殊定制，導(dǎo)致兼容性并不理想。

總體來看，通過NB-IoT搭建穩(wěn)定、安全、高可靠的雙向通信網(wǎng)絡(luò)后，水電氣公司可實現(xiàn)實時抄表、在線監(jiān)控、實時控制、實時報警、實時分析等功能，減少人力投入，提高運營效率，提供更具有針對性和科學(xué)性的動態(tài)管理，有效提高能源利用和管理水平。

3 NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用情況

3.1 NB-IoT在智能表中的市場應(yīng)用情況

在政策和網(wǎng)絡(luò)部署方面，中國政府對NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)給予了大力支持，中國工業(yè)和信息化部在2017年6月初下發(fā)了《關(guān)于全面推進(jìn)移動物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設(shè)發(fā)展的通知》，要求到2020年中國NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的基站規(guī)模達(dá)到150萬個，實現(xiàn)對全國的普遍覆蓋及深度覆蓋。國內(nèi)三大電信運營商也加快了建設(shè)步伐，一年內(nèi)，將在全國部署超過50萬個NB-IoT基站。全球20多個國家在今年底將會建設(shè)30多張NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

在國內(nèi)市場，2017年3月份，全球第一個NB-IoT智慧水務(wù)——深圳水務(wù)正式規(guī)模商用，在2020年之前將完成58萬個NB-IoT智能水表的部署；6月份，福州智慧水務(wù)項目宣布正式啟動規(guī)模商用部署，30萬個NB-IoT智能水表將開始部署；10月份，鷹潭10萬個NB-IoT智能水表商用上線，標(biāo)志著全球第一個萬量級的NB-IoT智能水表商用項目在鷹潭正式落地。

在國際市場上，葡萄牙JANZ公司于2017年7月發(fā)布了全球首款支持NB-IoT的電表，并計劃在2020年前，在葡萄牙全面部署基于NB-IoT的智能水電氣表。意大利也在今年公布了計劃，將在2020年部署超過1 500萬個NB-IoT智能水氣表。丹麥KAMSTRUP公司和中國華為公司一起在南美進(jìn)行了NB-IoT水表的試點工作。

3.2 NB-IoT技術(shù)在其他典型業(yè)務(wù)場景中的應(yīng)用

NB-IoT具有窄帶寬、低功耗、廣覆蓋、接入數(shù)量多等特點。除了在智能抄表業(yè)務(wù)場景中具有優(yōu)勢外，在城市管理、公共服務(wù)、智慧家居等行業(yè)也具有廣泛應(yīng)用。

（1）智慧煙感：通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)組建聯(lián)網(wǎng)型智能煙霧報警器，實現(xiàn)對公共場所及家庭住宅火災(zāi)隱患區(qū)域的監(jiān)測。便于各地街道辦、居委會、網(wǎng)格辦等部門實時了解現(xiàn)場情況，保障現(xiàn)場人身和財產(chǎn)安全。

（2）智能井蓋：井蓋監(jiān)控器終端內(nèi)置NB-IoT 模塊和加速傳感器等。通過加速傳感器感應(yīng)井蓋的位移和角度變化，并通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳，經(jīng)平臺分析后將告警信息推送給維修人員。

（3）智能鎖：基于NB-IoT通信技術(shù)實現(xiàn)智能門鎖的遠(yuǎn)程開啟、開門記錄統(tǒng)計、異常警報通知、身份識別管理、權(quán)限管理等功能，適用于智慧家庭、智能酒店、智能辦公等領(lǐng)域。

4 結(jié) 語

本文從技術(shù)特點和智能抄表應(yīng)用方面對NB-IoT和LoRa技術(shù)做了對比分析，兩者分別有各自的特點和商業(yè)模式，在IoT市場上都將有一席之地。但筆者認(rèn)為，有運營商支持和推動的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)可以有效減少公共事業(yè)公司網(wǎng)絡(luò)運維費用和人力成本支出，在智能抄表領(lǐng)域，必將受到越來越多公共事業(yè)公司的青睞。

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