基于NB-IoT的智能水表的探討

姚美菱，吳蓬勃，曲文敬，孫青華

（石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050031）

長期以來供水行業(yè)在運(yùn)營管理中存在許多痛點(diǎn)。目前，大多數(shù)供水企業(yè)都是通過人工以一兩個(gè)月甚至更長時(shí)間為周期抄讀一次水表數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題的周期長、歷史用水狀況無法還原，需耗費(fèi)大量人力物力解決糾紛。同時(shí)，由于水表人工管理周期長，易產(chǎn)生違法用水行為，從而增加了供水企業(yè)的產(chǎn)銷差，每年由于管網(wǎng)漏損、計(jì)量損失、人情水、盜用水、無收益用水等導(dǎo)致的產(chǎn)銷差居高不下，直接影響供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)產(chǎn)銷差問題，國內(nèi)許多供水企業(yè)采取了眾多防控措施，但由于供水區(qū)域大、人工監(jiān)控成本高、人工管理滯后等原因，產(chǎn)銷差控制形勢(shì)依然嚴(yán)峻，仍高達(dá)20%以上。水表作為供水企業(yè)與客戶進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)，一旦出現(xiàn)故障或者人工抄錄數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等情況，也會(huì)給客戶或供水企業(yè)帶來損失。為此許多供水企業(yè)開始使用智能水表。

1 無線智能水表技術(shù)的發(fā)展

2010年左右基于M-BUS的智能水表開始在新樓盤使用，大量布線使得基于M-BUS的智能水表不適合舊小區(qū)，于是基于無線技術(shù)的智能水表應(yīng)運(yùn)而生[1]。

應(yīng)用在智能水表類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的無線通信技術(shù)，按照通信距離可以分為兩類，一類是短距離通信技術(shù)，一類是長距離通信技術(shù)。短距離通信主要代表技術(shù)有Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等；長距離通信主要代表技術(shù)是LoRa、Sigfox、GPRS、NB-IoT等。

短距離通信較早應(yīng)用在智能水表，由于其覆蓋范圍受限，而水表又大多安裝在角落和比較密閉的管道井內(nèi)，通信效果不好。之后是LoRa、Sigfox應(yīng)用在智能水表中。LoRa技術(shù)是由法國Cycleo公司提出的技術(shù)，LoRa的接收靈敏度可達(dá)-148 dBm，可以高度確保連接的可靠性和深度覆蓋要求。Sigfox技術(shù)是由法國一家公司提出的超窄帶（UNB）的技術(shù)，每秒只能處理10～1 000 bit的數(shù)據(jù)，其最大的殺手锏就是價(jià)格便宜，每年的設(shè)備連接維護(hù)費(fèi)僅為1歐元，這為其推廣帶來了巨大的潛力。LoRa、Sigfox技術(shù)雖然都滿足了智能水表的深度覆蓋要求，但是同短距離通信技術(shù)一樣，是基于非授權(quán)頻譜建立的自組網(wǎng)，容易出現(xiàn)信號(hào)干擾、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較差，無法保障無線水表大面積應(yīng)用過程中信號(hào)的有效覆蓋和通信的穩(wěn)定性問題。眾多小區(qū)域單獨(dú)管理的模式，增加了供水企業(yè)的管理難度和成本；不同供應(yīng)商生產(chǎn)的智能水表通訊方式不統(tǒng)一，供水企業(yè)在未來大規(guī)模使用智能水表時(shí)，需耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力解決智能水表間的互聯(lián)互通問題，而且數(shù)據(jù)管理技術(shù)水平良萎不齊，數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理的安全令人擔(dān)憂。

2013年左右，隨著GPRS流量費(fèi)大幅下降，原來只在集中器之類設(shè)備上應(yīng)用的GPRS技術(shù)開始向終端轉(zhuǎn)移。GPRS是由運(yùn)營商統(tǒng)一管理的基于授權(quán)頻段的網(wǎng)絡(luò)，可有效解決干擾、安全問題，但是由于GPRS是為手機(jī)通信而非物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的緣故，大面積使用過程中有部分水表因位置較深信號(hào)不好，無法保證通信的穩(wěn)定性；一般GPRS通信模塊功耗過大，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向通信，只能采取定向喚醒通信方式；而且GPRS已經(jīng)運(yùn)營20余年，面臨退網(wǎng)的可能性，不是一項(xiàng)面向未來的持久性技術(shù)。

低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)是個(gè)極其龐大的產(chǎn)業(yè)，為爭(zhēng)奪產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)，3GPP組織制定全新的技術(shù)NB-IoT。NB-IoT是3GPP專為滿足低速廣域物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，擺脫了為人與人通信設(shè)計(jì)的2G/3G/4G的限制，和2G/3G/4G空口完全不兼容，只繼承了4G主流標(biāo)準(zhǔn)LTE的一些參數(shù)設(shè)計(jì)，比如NB-IoT的載波帶寬為180 kHz，相當(dāng)于LTE一個(gè)PRB的寬度。NB-IoT同LoRa、Sigfox技術(shù)一樣都是LPWA（低功率廣域通信）的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具備LPWA的4個(gè)通用特征：強(qiáng)覆蓋、低功耗、低成本、大連接[2]。NB-IoT可用支持 100 K連接/扇區(qū)，與4G相比提升100倍以上；其與2G相比有20 dB覆蓋提升，可以多穿透一兩堵墻；NB-IoT是專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的，只針對(duì)窄帶、低速率的物聯(lián)網(wǎng)需求，只支持單天線、半雙工方式，另外簡(jiǎn)化了信令處理，通過這樣的方式達(dá)到低功耗、芯片價(jià)格到1美元的低價(jià)。當(dāng)然1美元是其目標(biāo)成本，目前成本還達(dá)不到此水平。憑借其技術(shù)優(yōu)勢(shì)及3GPP的影響力，自2016年標(biāo)準(zhǔn)完成，NB-IoT推廣應(yīng)用迅速開展，涵蓋智能停車、智能抄表、智能監(jiān)控、物流跟蹤、智慧農(nóng)業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。

2 基于NB-IoT的智能水表

基于NB-IoT的智能水表是圍繞水務(wù)公司精細(xì)化運(yùn)營管理需求構(gòu)建的端到端行業(yè)解決方案，借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，將海量水務(wù)信息進(jìn)行及時(shí)采集、分析與處理，以提升運(yùn)營管理效率、改進(jìn)服務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)智能化決策。

2.1 基于NB-IoT的智能水表系統(tǒng)架構(gòu)

基于NB-IoT的智能水表按照端、管、云的系統(tǒng)架構(gòu)來建設(shè)，從下到上依次為終端層、網(wǎng)絡(luò)層（包括基站側(cè)的無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)）、IoT平臺(tái)和水務(wù)應(yīng)用層[3]，如圖1所示，通過物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)將各個(gè)層面整合為一體，以滿足未來演進(jìn)的需求。

圖1 基于 NB-IoT的智能水表系統(tǒng)架構(gòu)

NB-IoT UE：系統(tǒng)終端其內(nèi)部集成NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)模組，可以通過空中接口連接到NB-IoT BTS(基站)。終端作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)載體，通過增加用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水壓監(jiān)測(cè)、流量監(jiān)測(cè)等的傳感器、NB-IoT通信模塊使得終端可控、可管、可互通，由原有的啞終端逐步向智能終端演進(jìn)。

NB-IoT BTS：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-lite接口與NB-IoT核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將來自終端的非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。NB-IoT BTS可以獨(dú)立組網(wǎng)，也可以與FDDLTE融合組網(wǎng)。

NB-IoT Core：承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，完成UE業(yè)務(wù)簽約管理、UE認(rèn)證鑒權(quán)、并將NB-IoT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到NB-IoT平臺(tái)進(jìn)行處理。核心網(wǎng)可以單獨(dú)組網(wǎng)，也可以與LTE共用核心網(wǎng)。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，為了減少物理網(wǎng)元的數(shù)量，可將部分核心網(wǎng)元如MME、SGW、PGW合一部署，稱為IoT服務(wù)網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)。

IoT平臺(tái)：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)到相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用處理器進(jìn)行處理，完成連接管理（如設(shè)備管理、業(yè)務(wù)簽約、數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)等)、使能管理（如數(shù)據(jù)分析、能力開放、應(yīng)用生命周期管理等）、數(shù)據(jù)管理（如數(shù)據(jù)采集、分類、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)調(diào)用、使用量分析，提供分析性的業(yè)務(wù)定制報(bào)表）、連接感知、連接診斷、連接控制等連接狀態(tài)查詢等功能。平臺(tái)通過統(tǒng)一的協(xié)議與接口實(shí)現(xiàn)不同終端的接入，上層行業(yè)應(yīng)用無需關(guān)心終端設(shè)備具體物理連接和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)終端對(duì)象化管理。

應(yīng)用服務(wù)器：是IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的上層控制核心，根據(jù)客戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作。在NB-IoT平臺(tái)的基礎(chǔ)上，可聚焦自身的應(yīng)用開發(fā)，通過IoT平臺(tái)獲取來自設(shè)備層的數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一管理水表、流量計(jì)等各種水務(wù)設(shè)備。

2.2 基于NB-IoT智能水表工作過程

智能水表像手機(jī)一樣需要配備一張用戶識(shí)別卡（SIM卡），來存儲(chǔ)用戶的數(shù)據(jù)信息、安全信息。SIM卡由SIM卡商生產(chǎn)，運(yùn)營商向SIM卡商購買，然后提供IMSI 、Key、鑒權(quán)算法、網(wǎng)絡(luò)選擇等信息給SIM卡商寫入SIM卡；IoT服務(wù)商（水務(wù)公司）從運(yùn)營商購買SIM卡安裝到NB-IoT終端（智能水表）當(dāng)中；IoT服務(wù)商通過運(yùn)營商Portal激活SIM卡，終端上電，完成認(rèn)證鑒權(quán)，接入到網(wǎng)絡(luò)中，可以收發(fā)數(shù)據(jù)。

為了適配數(shù)據(jù)傳輸特性，NB-IoT協(xié)議引入了兩種傳輸優(yōu)化方案：CP方案和UP方案。CP方案通過控制面NAS信令傳輸數(shù)據(jù)，不需要建立數(shù)據(jù)無線承載，小數(shù)據(jù)分組通過NAS信令隨路傳到MME，然后發(fā)往IoT平臺(tái)。UP方案與LTE系統(tǒng)類似，引入RRC懸掛、恢復(fù)流程，當(dāng)有數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)臅r(shí)候，需要建立數(shù)據(jù)面承載，然后通過數(shù)據(jù)面直接進(jìn)行傳輸；當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，終端、基站、MME中該用戶的上下文暫時(shí)掛起，有數(shù)據(jù)報(bào)傳輸時(shí)迅速恢復(fù)。兩方案相對(duì)于LTE均能實(shí)現(xiàn)空中接口信令交互減少，從而降低功耗的目的。

從上面過程可見，SIM卡管理流程繁瑣，SIM卡發(fā)行面向人，而物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)管理者通常需要同時(shí)管理海量處于各種環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，管理繁瑣導(dǎo)致會(huì)管理成本過高。故希望物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通過自動(dòng)化規(guī)則進(jìn)行管理，于是eSIM (嵌入式SIM)卡方案受到大部分運(yùn)營商、終端商和卡商的重視。所謂eSIM卡，就是將SIM卡變成一片嵌入式芯片被嵌入在終端設(shè)備內(nèi)，具有網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程寫卡功能[4]。用戶僅需在運(yùn)營商營業(yè)廳通過身份登記后，即可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程寫號(hào)平臺(tái)完成入網(wǎng)激活、換號(hào)甚至轉(zhuǎn)網(wǎng)等。eSIM帶來的用戶感知提升和運(yùn)營商管理的簡(jiǎn)化，但也一定程度是削弱了運(yùn)營商的控制力。

eSIM不是SIM卡演進(jìn)的終點(diǎn)，軟SIM可能會(huì)是其下一個(gè)演進(jìn)目標(biāo)。軟SIM沒有物理卡片，而是存儲(chǔ)在設(shè)備的操作系統(tǒng)中一款軟件，通過無線技術(shù)下載SIM卡的相關(guān)應(yīng)用，可重復(fù)編程[5]。軟SIM無需SIM卡物理硬件，設(shè)備成本低，同時(shí)減少設(shè)備體積，為增加新特性和新功能留出空間。但軟SIM讓用戶“自由”切換運(yùn)營商同時(shí)，損害了運(yùn)營商的利益，目前得到運(yùn)營商支持較少，全球發(fā)展緩慢。

2.3 基于NB-IoT的智能水表的優(yōu)勢(shì)

NB-IoT工作于授權(quán)頻段，授權(quán)頻段在信號(hào)穿透力和覆蓋度上擁有較大的優(yōu)勢(shì)，而且全網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃，干擾可控，能夠充分保障智能水表等業(yè)務(wù)在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。

中國3家運(yùn)營商都已開始NB-IoT建設(shè)，借助運(yùn)營商原有的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)資源，將能在全國范圍進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)快速推廣。運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)基于物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)專用網(wǎng)元，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)隔，防止惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊，可幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)終端訪問控制和流量控制以及企業(yè)內(nèi)外網(wǎng)隔離，為客戶提供安全穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，可以為物聯(lián)網(wǎng)客戶構(gòu)建與公眾互聯(lián)網(wǎng)隔離的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，滿足客戶的物聯(lián)網(wǎng)無線終端訪問客戶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的需求。

IoT平臺(tái)豐富的協(xié)議適配能力，可支持海量多樣化終端設(shè)備接入，基于統(tǒng)一協(xié)議和接口，IoT平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)不同品牌、不同型號(hào)水表的統(tǒng)一接入和管理，互聯(lián)互通。同時(shí)，開放的API可實(shí)現(xiàn)水務(wù)應(yīng)用快速集成，實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)建和部署。為水務(wù)公司提供可感知、可診斷、可控制的智能網(wǎng)絡(luò)，滿足客戶對(duì)終端的工作狀態(tài)、通信狀態(tài)實(shí)時(shí)自主查詢、管理的需求。

3 結(jié)束語

基于運(yùn)營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，智能水表信號(hào)更穩(wěn)定、抗干擾力更強(qiáng)、安全性更高；在數(shù)據(jù)傳輸方面不需要借助任何中間環(huán)節(jié)，從儀表直達(dá)數(shù)據(jù)平臺(tái)，方便實(shí)現(xiàn)直接的控制，可有效降低部署成本，NB-IoT技術(shù)將推進(jìn)智能水表的快速發(fā)展。

[1] 王宗輝, 張世豪, 姚靈. 智能水表技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 儀表技術(shù), 2014(06):45-48.

[2] Rashmi Sharan Sinha,Yiqiao Wei,Seung-Hoon Hwang. A survey on LPWA technology: LoRa and NB-IoT[J]. ICT Express,2017,3(1).

[3] 陳博, 甘志輝. NB-IoT網(wǎng)絡(luò)商業(yè)價(jià)值及組網(wǎng)方案研究[J]. 移動(dòng)通信, 2016,40(13):42-46+52.

[4] 方剛, 楊茂林, 張琳, 等. eSIM技術(shù)發(fā)展以及對(duì)運(yùn)營商的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù), 2016(08):78-82.

[5] 寧宇. Apple SIM會(huì)讓運(yùn)營商抓狂嗎?[N]. 通信產(chǎn)業(yè)報(bào), 2015-03-16(013).