NB-IoT在地震救援中的應(yīng)用前景研究

吳 飛 王博韜 毛晨曦 謝興紅 鐘曉玲

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川 610059

引言

地震，由于其強(qiáng)大的破壞性已經(jīng)成為嚴(yán)重危害人類(lèi)生命安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然災(zāi)害之一。我國(guó)近50%的城市、67%的大城市位于烈度VII度區(qū)域內(nèi)，并且隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市特別是大城市人口數(shù)量和密度大幅度增加，城市地震災(zāi)害發(fā)生的頻率越來(lái)越高，造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員的傷亡數(shù)都在逐年上升；一旦遭受破壞性地震，損失不可估量。地震中的人員傷亡，絕大部分都是由于房屋倒塌、地面凹陷使得被困人員被掩埋而無(wú)法及時(shí)得到救治導(dǎo)致的，因此地震后的救援工作對(duì)于減少人員傷亡有著重大意義。

目前的地震搜救主要有人工搜索、儀器搜索、犬搜索。其中儀器搜索目前使用的是紅外生命探測(cè)和雷達(dá)生命探測(cè)儀，紅外生命探測(cè)儀的原理是利用溫度差來(lái)檢測(cè)有無(wú)人員幸存，但是無(wú)法大面積快速地探測(cè)，也無(wú)法準(zhǔn)確定位[1-2]。在2015年提出的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)NBIoT(Narrowband Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng))，具有非常強(qiáng)的覆蓋能力、接入容量巨大和低功耗的特點(diǎn)，有效地克服了大部分傳統(tǒng)地震搜救設(shè)備的缺點(diǎn)，而且較低的成本也使得NB-IoT技術(shù)在實(shí)際投入使用中有較好的應(yīng)用前景，利用NB-IoT獨(dú)有的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在地震中對(duì)被困人員的定位也將大大提高對(duì)被困人員搜救的效率。

1 NB-IoT的產(chǎn)生背景以及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

1.1 NB-IoT的產(chǎn)生背景

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)可以從通信的距離上分為兩類(lèi)，一種是短距離的通信技術(shù)，例如Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，這些已經(jīng)比較廣泛地應(yīng)用于我們的智能家居行業(yè)。另一種就是低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)LPWAN(Low-Power Wide-Area Network)，主要應(yīng)用于智能抄表以及智能停車(chē)等業(yè)務(wù)。其中LPWAN又分為兩類(lèi)，一類(lèi)是需要自行組網(wǎng)、使用頻譜范圍非授權(quán)的LPWAN技術(shù)，主要為L(zhǎng)oRa、Sigfox這兩種技術(shù)[3]。而另一類(lèi)就是可疊加在現(xiàn)有的2G/3G/LTE的蜂窩網(wǎng)絡(luò)上的、基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的NB-IoT技術(shù)。

近些年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，M2M的發(fā)展前景被業(yè)內(nèi)廣泛看好，萬(wàn)物互聯(lián)的概念也逐步深入人心。其中對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以分為高速率的業(yè)務(wù)和低速率的業(yè)務(wù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)低速率業(yè)務(wù)占據(jù)主要地位，而且目前低速率業(yè)務(wù)還沒(méi)有與現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，因此低速率的廣域物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)有著非常大的發(fā)展空間[3]。NB-IoT正是在這種需求背景下產(chǎn)生的一種全新接入技術(shù)。

1.2 NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

2014年5 月以沃達(dá)豐、華為為首的CIoT(Cellular IoT)在3GPP GERAN工作組立項(xiàng)。在2015年5月，CIoT陣營(yíng)與高通的NB-OFDMA方案融合，最終形成了NBCIOT，2015年9月，NB-CIOT再次和愛(ài)立信的NB-LTE方案融合。最終由沃達(dá)豐、華為、高通、愛(ài)立信組成的工作組，在2015年12月提出了NB-IoT的技術(shù)方案[4-5]，在2016年6月獲得3GPP RAN批準(zhǔn)，并在2016年巴塞羅那世界移動(dòng)通信大會(huì)(MWC2016)上亮相，如圖1所示。

圖1 3GPP Rel-13中IoT項(xiàng)目關(guān)系

NB-IoT的3GPP核心標(biāo)準(zhǔn)部分也在2016年6月凍結(jié)，并在同年的9月份完成性能部分的標(biāo)準(zhǔn)制定，最后的標(biāo)準(zhǔn)制定也在2016年12月份完成。

2 NB-IoT的主要特性

3GPP NB-IoT工作項(xiàng)目總體上定義了一種有較大變動(dòng)的、對(duì)于E-UTRAN非后向兼容的物聯(lián)網(wǎng)接入新技術(shù)，以解決室內(nèi)信號(hào)覆蓋增強(qiáng)、支持巨量低速設(shè)備接入、低延時(shí)敏感、超低設(shè)備成本、低功耗等問(wèn)題。下面介紹NB-IoT的主要特性。

2.1 部署靈活

根據(jù)NB-IoT立項(xiàng)中RP-151621的規(guī)定，NB-IoT支持三種部署場(chǎng)景[6]，如圖2所示。

1)單獨(dú)部署(Stand-alone)，利用單獨(dú)的頻帶與LTE中的頻帶不重疊。

2)保護(hù)帶部署(Guard-band)，部署在LTE的保護(hù)頻帶之內(nèi)。

3)帶內(nèi)部署(In-band)，部署在LTE頻帶之內(nèi)。

圖2 NB-IoT的三種部署方式

2.2 高容量、高覆蓋率

NB-IoT可以直接部署于2G/3G/LTE網(wǎng)絡(luò)中，與現(xiàn)有的射頻天線也可以復(fù)用。根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，可以確定在獨(dú)立部署方式下，NB-IoT的覆蓋能力可達(dá)到148dB。對(duì)于小流量時(shí)延不敏感的情況下，NBIoT單個(gè)扇區(qū)可以支持5到10萬(wàn)個(gè)終端的接入[7]。

2.3 低成本、低延時(shí)敏感

NB-IoT的成本預(yù)估可控制在5美金之內(nèi)或者更少，因此要達(dá)到目前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，運(yùn)營(yíng)商只需很低的建設(shè)成本。在耦合損耗為164dB的環(huán)境下，由于大量的數(shù)據(jù)重傳將導(dǎo)致時(shí)延增加，目前3GPP IoT希望允許時(shí)延為10s，但實(shí)際可以支持更低到6s左右[8]。

2.4 低功耗、可移動(dòng)性弱

NB-IoT設(shè)計(jì)最初就是為了適用于移動(dòng)性不強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)景，在NB-IoT REL-13標(biāo)準(zhǔn)中不支持連接狀態(tài)的移動(dòng)性管理，包括相關(guān)測(cè)量、測(cè)量報(bào)告、切換等，達(dá)到了節(jié)省終端設(shè)備功耗的目的[9]，同時(shí)NB-IoT的設(shè)計(jì)也可以大大簡(jiǎn)化終端設(shè)備的復(fù)雜度，進(jìn)一步降低終端設(shè)備的功耗，而且由于維持接入的開(kāi)銷(xiāo)減少和終端工作方式上的低功耗和芯片與模塊工藝上的低電流、低功耗，使得NB-IoT在具體應(yīng)用中有低功耗優(yōu)勢(shì)，對(duì)于戶外應(yīng)用的位置跟蹤電池可用2～5年。

3 NB-IoT在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

GSMA的預(yù)測(cè)顯示，NB-IoT的出現(xiàn)將極大地促進(jìn)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在2020年將有30億物聯(lián)網(wǎng)連接承載在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上，相比現(xiàn)在有7倍的增長(zhǎng)。在NB-IoT方面，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商的商用進(jìn)展和規(guī)模已走在世界前列。

由于NB-IoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的潛在應(yīng)用價(jià)值大，因此我國(guó)在這方面也制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在3GPP的支持下，已在無(wú)線接入網(wǎng)技術(shù)規(guī)范組會(huì)議上順利通過(guò)，為該技術(shù)的高效利用提供了科學(xué)依據(jù)。

在國(guó)內(nèi)，三大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開(kāi)始搶占NB-IoT的潛在市場(chǎng)，中國(guó)移動(dòng)公司構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室來(lái)發(fā)展芯片和模組，并計(jì)劃在今年年底構(gòu)建一張基于NB-IoT的公共物聯(lián)網(wǎng)；中國(guó)聯(lián)通在廣州開(kāi)通了首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化NB-IoT的商用網(wǎng)絡(luò)，并積極爭(zhēng)取頻分復(fù)用的牌照和頻段的重耕；中國(guó)電信也在深圳完成了水務(wù)的NB-IoT業(yè)務(wù)試點(diǎn)。

就中國(guó)電信NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，該架構(gòu)通過(guò)重復(fù)利用站點(diǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施，減少了部署的成本，而且基于CloudEdge平臺(tái)優(yōu)化的IoT專(zhuān)用核心網(wǎng)，降低了連接的成本，如圖3所示。在基站的部署方面：NB-IoT與L800共站部署，在現(xiàn)有的L800設(shè)備的基礎(chǔ)上開(kāi)啟了NB-IoT licence，大大降低了基站的建設(shè)成本。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能方面：考慮到室外基站復(fù)雜的連片規(guī)模組網(wǎng)，需要在密集城市、郊區(qū)、農(nóng)村有著不同的覆蓋能力；室內(nèi)補(bǔ)盲方面：通過(guò)大數(shù)據(jù)分析綜合考慮室內(nèi)補(bǔ)盲，采用L800小基站等多種手段綜合評(píng)估投資效益最大化。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配置能力上功率配置2×5W基本滿足，2×10W可進(jìn)一步加深覆蓋[10]。

圖3 中國(guó)電信NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)示意圖

隨著我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)力的不斷提高及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，NB-IoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水平逐漸提升，相關(guān)器件性能得到優(yōu)化，并且全球蜂窩M2M模塊在智能電表、移動(dòng)支付等領(lǐng)域廣泛使用，為NB-IoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了非常好的發(fā)展空間，我國(guó)也會(huì)在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中重視該技術(shù)的發(fā)展，并進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，以便增強(qiáng)其適用性。

4 NB-IoT用于地震搜救中的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)以上分析我們可以知道NB-IoT是可以建立在原有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)之上的，這就為NB-IoT在地震搜救中的應(yīng)用提供了條件。一方面隨著智能手機(jī)普及率的大大提高，一旦發(fā)生地震我們可以通過(guò)手機(jī)快速定位基本的受災(zāi)地點(diǎn)；另一方面，建筑物的突然倒塌讓被困人員極大可能與手機(jī)同時(shí)掩埋在一個(gè)有限的空間內(nèi)，由于倒塌的房屋不容易直接造成手機(jī)的破壞而無(wú)法接收信號(hào)，這就使得利用手機(jī)對(duì)被困人員的搜救成為了可能。同時(shí)采用NB-IoT在地震救援時(shí)具有以下的優(yōu)勢(shì)。

4.1 能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的定位

在使用比如利用較高頻段的設(shè)備或系統(tǒng)定位時(shí)，例如Wi-Fi，由于Wi-Fi的頻段屬于2.4G頻段，對(duì)鋼筋混凝土的穿透能力很弱，衰減非常大，即使通過(guò)Wi-Fi中繼也不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。而NB-IoT由于其低延時(shí)、低敏感度和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及采用北斗定位模塊，具有精密授時(shí)功能，可以向用戶提供20ns～100ns的時(shí)間同步精度，具有極高的定位精度。

4.2 可接入的容量巨大、網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強(qiáng)

設(shè)備系統(tǒng)如果使用非授權(quán)的頻段自行組網(wǎng)，這種設(shè)備或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往比較復(fù)雜，不適用于地震搜救的場(chǎng)景。在發(fā)生地震時(shí)，被困人員的數(shù)量往往是非常大的，普通的搜救定位設(shè)備往往不能滿足這一數(shù)量要求。NBIoT的接入容量大于目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT的一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，并且其上行傳輸采用3.75kHz子載波，具備更高的功率譜密度。另外還可以通過(guò)編碼的方式進(jìn)一步提高增益。和GPRS相比，NBIoT的覆蓋率可以達(dá)到20dB。其覆蓋范圍更廣、更深，并且NB-IoT直接部署于LTE網(wǎng)絡(luò)，不占用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)帶寬，保證了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)同時(shí)穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行。

4.3 成本、功耗低

地震搜救通常是持續(xù)多天，而且在環(huán)境比較復(fù)雜的室外，一般針對(duì)手機(jī)或者其他媒介等搜救設(shè)備的功耗和成本比較高，而智能手機(jī)的電池最多堅(jiān)持1到2天，依靠這些來(lái)救援，對(duì)救援人員的時(shí)間和精力都有極大的限制[10]。如果設(shè)備或系統(tǒng)功耗大也不適用于長(zhǎng)時(shí)間的搜救過(guò)程。由于NB-IoT使維持接入的開(kāi)銷(xiāo)減少，包括空中接口的信令簡(jiǎn)化，終端發(fā)送位置信息的頻次減少，以及終端工作方式上的低功耗，廠家預(yù)期的單個(gè)連接模塊的成本不超過(guò)5美元，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十年，可以非常方便地應(yīng)用于室外的位置跟蹤以及靜態(tài)定位數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)。

5 NB-IoT在地震救援中實(shí)現(xiàn)定位的方法

將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于地震救援中，就是利用NBIoT實(shí)現(xiàn)對(duì)被困人員的定位。NB-IoT構(gòu)建于通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)，將先于5G其它技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，本身只消耗大約180kHz的帶寬，成本低，容量大，不占用正常的通信信道，同時(shí)NB-IoT基站可以提供全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋，方便海量智能手機(jī)、智能家居、設(shè)備標(biāo)簽等設(shè)備接入，為各類(lèi)終端提供了室內(nèi)外全天候無(wú)縫覆蓋的精準(zhǔn)位置服務(wù)，如表1所示。

利用NB-IoT基站獲得智能手機(jī)或者智能設(shè)備的Mac地址和信號(hào)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)后，再將獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)一定的算法減少輸入數(shù)據(jù)的誤差，提高準(zhǔn)確性，快速準(zhǔn)確地獲得被困人員的具體位置。

中興通訊NB-IoT定位團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用NB-IoT基站，依靠指紋匹配定位算法，采用指紋庫(kù)自建立、自學(xué)習(xí)、自更新的方案，最大限度減少了輸入數(shù)據(jù)的誤差，保證位置指紋庫(kù)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。與此同時(shí)，通過(guò)反復(fù)的技術(shù)和實(shí)踐驗(yàn)證，不斷優(yōu)化和改進(jìn)算法核心，已經(jīng)將室外NB-IoT宏站系統(tǒng)的定位算法誤差優(yōu)化到20m～30m，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代人和物的室外定位基本需求，且有望在未來(lái)與諸多定位方法融合，打造更高精度、更低延時(shí)、室內(nèi)外無(wú)縫連接的定位系統(tǒng)，這種定位思想也可以應(yīng)用于地震搜救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)被困人員的精確定位，提高地震救援的效率和質(zhì)量。

表1 傳統(tǒng)智能搜救方案和NB-IoT方案對(duì)比

6 NB-IoT實(shí)際應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題

6.1 需要為NB-IoT提供良好的商業(yè)模式

基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，要使與之相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)性能及可靠性增強(qiáng)，使不同要素之間能夠保持良好的互聯(lián)關(guān)系狀態(tài)，應(yīng)在NB-IoT目前的發(fā)展前提下，為NB-IoT提供良好的商業(yè)模式，才能讓NB-IoT的發(fā)展趨勢(shì)更加明顯，且讓物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平保持在一個(gè)較高的層面，適應(yīng)當(dāng)前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)變化，也會(huì)為我國(guó)信息化產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大給予必要的技術(shù)支持[11]。長(zhǎng)此以往才能豐富物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中所必要的通信方式，才能確保NBIoT在實(shí)踐應(yīng)用中的良好性。

6.2 保證數(shù)據(jù)安全與傳輸?shù)目煽啃?/h3>

從功耗的角度來(lái)看，NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)需要比較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存周期，然而重傳次數(shù)的增加也會(huì)降低NB-IoT終端設(shè)備的生存周期。而且隨著網(wǎng)絡(luò)信息重傳次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)信息的安全性和可靠性都會(huì)遭到破壞。此外，NB-IoT終端設(shè)備的增多也會(huì)消耗更多的LTE資源塊。隨著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的深入發(fā)展，海量的接入設(shè)備可能會(huì)導(dǎo)致NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)面臨嚴(yán)重的同頻干擾問(wèn)題，這也會(huì)顯著降低NB-IoT網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

6.3 NB-IoT的演進(jìn)問(wèn)題

NB-IoT有可能向?qū)拵锫?lián)網(wǎng)(WB-IoT)過(guò)渡演進(jìn)。據(jù)當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，IoT網(wǎng)絡(luò)中三分之二以上的終端設(shè)備都具有低速率屬性。然而隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，IoT網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的需求也會(huì)發(fā)生變化，可能演進(jìn)為低速率、中速率以及高速率并用的應(yīng)用場(chǎng)景，這也就導(dǎo)致當(dāng)前的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)不能滿足將來(lái)IoT設(shè)備的異構(gòu)需求。由于IoT網(wǎng)絡(luò)有比較嚴(yán)格的功率要求，目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)有可能不能滿足IoT未來(lái)的發(fā)展需要，因此WB-IoT的發(fā)展也可能成為未來(lái)的方向。

6.4 如何提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率

在NB-IoT窄帶低頻物聯(lián)網(wǎng)通信中，要求的傳輸性能比傳統(tǒng)的LTE傳輸性能更高，因此NB-IoT還要解決帶寬條件限制下的網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題和單小區(qū)的多數(shù)據(jù)傳播問(wèn)題。在R14 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)中，還需要解決多載波輸入的尋呼功能以保證數(shù)據(jù)資源的優(yōu)化配置與管理，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率，來(lái)促進(jìn)NB-IoT技術(shù)在將來(lái)能夠更廣泛地使用[12]。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的深入發(fā)展，無(wú)論是智慧城市還是行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)必將成為今后我們不可或缺的技術(shù)，各行各業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合也將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。NB-IoT技術(shù)與現(xiàn)有的地震搜救的技術(shù)相比有著低功耗、低成本、覆蓋面廣、低延時(shí)、低頻次的特點(diǎn)，綜合以上的特點(diǎn)，我們知道NB-IoT技術(shù)在地震救援中的應(yīng)用前景廣闊，但是要想讓NB-IoT技術(shù)真正廣泛應(yīng)用，還是需要NB-IoT技術(shù)繼續(xù)深入發(fā)展。就在2017年中國(guó)各大運(yùn)營(yíng)商陸續(xù)將NB-IoT技術(shù)投入商用，NB-IoT技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展也會(huì)逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會(huì)得到更加充分的發(fā)展與技術(shù)革新。另一方面隨著華為發(fā)布SingleRAN Pro解決方案，5G時(shí)代即將開(kāi)啟，屆時(shí)更多新型的方案也會(huì)投入到智能搜救領(lǐng)域當(dāng)中。