NB-IoT 的技術優(yōu)勢及在電網(wǎng)中的應用研究*

鄭忠斌，王朝棟，蔡佳浩

（1.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心（上海）有限公司,上海 200032；2.上海大學，上海 201900）

0 引言

隨著社會的進步，人與人之間的聯(lián)系已接近飽和，無法進一步刺激經(jīng)濟增長。旨在實現(xiàn)萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)應運而生，并已成為下一代蜂窩網(wǎng)絡革命的關鍵驅(qū)動力。LPWAN 是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要動力。自2016 年以來，LPWAN 中的連接數(shù)量迅速增加，到2019 年已達到14 億個連接，并超過了傳統(tǒng)的蜂窩連接[1-2]。預計到2021 年使用LPWAN 技術的IoT 連接數(shù)量將占鏈接總數(shù)的11%。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)

LPWAN 網(wǎng)絡的核心特征是電池壽命長，設備成本低，部署成本低，覆蓋范圍廣，支持大量設備以及高質(zhì)量的服務[3]。當前的LPWAN 技術主要分為非3GPP 技術和3GPP 技術[4]。非3GPP 技術包括LoRa，SixFog，Zigbee 等，其中以LoRa 技術為代表，而3GPP 技術包括NB-IoT，LTE-M，EC-GSM 等，其中NB-IoT 技術為代表。LPWAN 技術的分類如下圖1 所示[5]。

圖1 LPWAN 技術的分類

在LTE 版13 中，3GPP 標準化了一種稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的新無線接入網(wǎng)絡（RAN）技術。NB-IoT 技術可以在200 kHz 的載波下運行[6]。NBIoT 支持三種部署模式：帶內(nèi)部署，保護區(qū)部署和獨立部署；圖2 是獨立部署模式；圖3 是帶內(nèi)部署模式。圖4 是保護帶部署模式[7-10]。

帶內(nèi)部署在LTE 載波中占用一個物理資源塊。

保護頻帶部署利用LTE 載波保護頻帶中未使用的物理資源塊。

獨立部署依賴于重耕當前的GSM 頻率。

圖2 獨立部署

圖3 帶內(nèi)部署

圖4 保護帶部署

NB-IoT 上行鏈路同時支持單頻傳輸和多頻傳輸技術，并且下行鏈路使用OFDMA 15 khz 子載波。圖5 顯示了單頻傳輸和多頻傳輸技術的子載波圖[11-12]。

圖5 單頻傳輸和多頻傳輸

1.2 能源

能源是社會進步的重要動力。由于當今化石燃料的枯竭，風能、水力發(fā)電和太陽能等各種可再生能源在能源領域中發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，隨著發(fā)電的多樣化，配置的優(yōu)化昂貴[13-14]，節(jié)能和需求響應之間的矛盾越來越突出，這是現(xiàn)有電網(wǎng)較為棘手的問題。隨著無線通信技術的發(fā)展，設備之間的數(shù)據(jù)交換變得越來越容易，能源物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為電網(wǎng)中存在的“最后一英里”問題[15]提供了完美的解決方案。在解決各種可再生能源接入問題的同時，提高了電力服務的質(zhì)量，并迎合了未來智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

1.3 研究問題

1.3.1 最后一英里

智能電網(wǎng)結(jié)合了自動化和通信技術。智能電網(wǎng)中的每個設備都可以看作是一個連接的對象。每個設備都會自動將有關網(wǎng)格基礎結(jié)構(gòu)的信息報告給網(wǎng)格信息管理平臺?，F(xiàn)有的通信技術只能將收集到的數(shù)據(jù)報告給管理系統(tǒng)，而不能處理管理系統(tǒng)發(fā)布的指令?，F(xiàn)有電網(wǎng)中的某些設備位于地下深處或相對偏遠的山區(qū)，基站覆蓋的信號較差[16]。同時，現(xiàn)有的2G/ 3G/ 4G 基站不支持大量設備，如何將設備連接到網(wǎng)絡以解決“最后一英里”問題迫在眉睫。

1.3.2 高成本

智能電網(wǎng)對接入網(wǎng)的要求是不同的。某些具有大數(shù)據(jù)量和高實時性要求的設備具有更嚴格的帶寬要求，例如實時環(huán)境監(jiān)控。但是，某些設備需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量很小（僅幾百個字節(jié)）并且實時性要求較低，每半小時發(fā)送一次數(shù)據(jù)或每天發(fā)送一次數(shù)據(jù)。如果使用WiFi 或4G 網(wǎng)絡上傳數(shù)據(jù)將導致帶寬浪費，并且芯片終端和網(wǎng)絡部署的成本相對較高[17]。

2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢

2.1 電池壽命長

NB-IoT 終端使用AA 電池，初步估計電池壽命可以超過十年（具體使用時間與具體應用和流量模型有關），為了減少NB-IoT 終端的功耗并擴展電池壽命[18-19]，NB-IoT 的關鍵芯片采用了一系列低功耗關鍵技術[20]：

關鍵技術1：降低芯片復雜度，降低工作電流。

關鍵技術2：簡化空中接口信令，降低單個數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓摹?/p>

關鍵技術3：提供覆蓋級別的控制和訪問，減少單個數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。

關鍵技術4：省電模式（PSM）節(jié)能模式，終端功耗僅為15uW。

關鍵技術5：擴展不連續(xù)接收（eDRX），延長周期不連續(xù)接收時間，降低了終端監(jiān)聽網(wǎng)絡的頻率。

關鍵技術6：使用長周期TAR/ RAU 減少終端發(fā)送位置更新的次數(shù)。

關鍵技術7：僅支持小區(qū)選擇和重選的移動性管理，減少了測量開銷。

NB-IoT 終端有99%的時間處于PSM 狀態(tài)，僅消耗小于終端運行時1%的功耗。NB-IOT 終端設備處理完數(shù)據(jù)后，RRC 連接被釋放并進入空閑狀態(tài)。同時，激活了活動計時器（T3324），計時器時間在0～255 秒之間。計時器到期后，進入PSM 模式，并啟動TAU 循環(huán)請求計時器T3412。在3GPP 協(xié)議中，TAU 周期請求計時器默認為54 分鐘，最大值可以達到31 小時。

在PSM 模式下，NB-IOT 終端會關閉信號的收發(fā)和AS（接入層）相關功能，相當于部分關機，進而可以減少射頻、天線、信令處理等功耗消耗。在PSM 期間，NB-IOT 終端不接受任何網(wǎng)絡尋呼，并且數(shù)據(jù)，SMS 和電話無法接入。對于下行網(wǎng)絡側(cè)，此時的NB-IOT 終端無法訪問。盡管在PSM 模式下，NB-IOT 終端不再監(jiān)聽尋呼，但在網(wǎng)絡中依舊保持注冊，因此，當需要傳輸數(shù)據(jù)時，無需重新建立連接或建立PDN 連接[21]。

當TAU 周期請求計時器（T3412）超時或UE有上行數(shù)據(jù)要處理時，NB-IOT 終端將退出PSM 模式。圖6 是PSM 模式的原理。

圖6 PSM 模式原理

eDRX 是不連續(xù)的接收。eDRX 是DRX 技術的增強，它支持更長周期的尋呼，以實現(xiàn)節(jié)能目的。DRX 的尋呼周期為1.28/ 2.56 s，eDRX 的尋呼周期可以在ATTACH 和TAU 中自定義?？梢栽O置為20 s，40 s，80 s 等，最大值可以設置為40 min。eDRX 延長了DRX 時間，并降低了DRX 頻率和NB-IoT 終端接收數(shù)據(jù)的頻率。eDRX 可以在空閑模式和連接模式下工作。在連接模式下，eDRX 將接收間隔延長到10.24 s。在空閑模式下，eDRX 將尋呼監(jiān)視和TAU 更新間隔延長到40 分鐘以上。圖7 是DRX 的示意圖，圖8 是eDRX 的示意圖

圖7 DRX 示意

圖8 eDRX 示意

2.2 廣覆蓋

廣覆蓋是NB-IoT 技術的最大功能之一，可用于滿足農(nóng)村，工廠，地下車庫和井蓋的需求。某些NB-IoT 終端的位置不佳。與智能手機相比，高度差導致信號損失4 dB。如果計算額外的10 dB 損耗（如井蓋），則與GSM 網(wǎng)絡相比，您需要將增益提高20 dB。為了使NB-IOT 終端的網(wǎng)絡覆蓋范圍增加20 dB，采用了三種關鍵技術：

關鍵技術1：上行功率譜密度提高17 dB。

NB-IoT 技術使用的載波帶寬為3.75/ 15 Khz，而現(xiàn)有的2G/ 3G/ 4G 上行鏈路使用200 Khz 的載波帶寬，保護帶寬實際上為180 Khz。功率譜密度（PSD）增益約為11 dB。因此，有可能覆蓋更遠的距離[22]。

發(fā)射功率A 是NB-IoT 終端的發(fā)射功率，帶寬A 是NB-IoT 技術的帶寬，發(fā)射功率B 是2G/ 3G/4G 終端的發(fā)射功率，帶寬B 是 2G/ 3G/ 4G 終端的帶寬。此時，發(fā)射功率A 為200 mv，帶寬A 為15 khz，發(fā)射功率B 為200 mv，帶寬B 為180 khz，PSD 增益為10.7 dB。

關鍵技術2：重復傳輸增強6～16 dB。

與傳統(tǒng)技術相比，NB-IoT 技術支持重復傳輸數(shù)據(jù)。重復傳輸數(shù)據(jù)可以帶來重復的收益，但是卻以數(shù)據(jù)傳輸速率為代價。重復傳輸次數(shù)每增加一倍，數(shù)據(jù)傳輸速率將降低一半，但增益為3 dB。3GPP標準定義了NB-IoT 上行鏈路的重復傳輸次數(shù)最多可以達到128次。但是，考慮到傳輸速率和基站容量，NB-IOT終端的上行鏈路重復次數(shù)通常限制為16倍，對應于12 dB 的增益，但實際上比NB-IoT 終端低3 dB。理論上是9 dB，圖9 顯示了NB-IoT 重復編碼示意圖。

圖9 NB-IoT 重復編碼示意

關鍵技術3：NB-IoT 技術采用低頻部署。

NB-IoT 技術理論上可以部署在任何頻段，但出于覆蓋范圍的考慮，通常選擇低于1 Ghz 的低頻段進行部署。因為低頻帶比高頻帶具有更低的路徑損耗和更強的衍射能力。

2.3 低成本

低成本是物聯(lián)網(wǎng)設備的另一個重要特征。NBIoT 網(wǎng)絡的低成本體現(xiàn)在兩個方面。首先，NB-IoT的部署成本相對較低，無需重建新基站?？梢允褂靡延械?G/ 3G/ 4G 基站進行升級部署。其次，通過簡化NB-IoT 終端的結(jié)構(gòu)來降低成本。NB-IoT 終端的當前成本為5 美元，并且預計到2020 年成本將降至1 美元。為了降低NB-IoT 終端的成本，使用了五項關鍵技術。圖10 是NB-IoT 的芯片結(jié)構(gòu)，圖11 是NB-IoT 的協(xié)議堆棧結(jié)構(gòu)。

關鍵技術1：180 kHz 窄帶系統(tǒng)，基帶復雜度低。

關鍵技術2：采樣率低，緩存Flash/RAM 要求?。?8 kByte）。

關鍵技術3：單天線，半雙工，射頻成本低。

關鍵技術4：低峰均比，功放效率高，23 dBm發(fā)射功率可支持單芯片SoC 內(nèi)置功率放大器PA，進一步降低成本。

關鍵技術5：簡化協(xié)議棧（500 kByte），減少片上FLASH/ RAM。

圖10 NB-IoT 的芯片結(jié)構(gòu)

圖11 NB-IoT 的協(xié)議堆棧結(jié)構(gòu)

2.4 大連接

關鍵技術1：提升上行等效功率（36 通道*23 dBm），大大提高了信道容量。

關鍵技術2：減少空口信令開銷，提高頻譜效率。

關鍵技術3：基站優(yōu)化。

獨立的準入擁塞控制

終端上下文信息存儲

關鍵技術4：核心網(wǎng)優(yōu)化。

土料是道路橋梁工程中非常重要的原材料，對其進行實驗檢測，可以進一步保證施工質(zhì)量。以下對土料的檢測方式及相關參數(shù)進行分析。

終端上下文存儲

下行數(shù)據(jù)緩存

圖12 NB-IoT 的連接數(shù)

圖13 NB-IoT 的延遲要求

3 NB-IoT 在能源中的應用

電力能源工業(yè)主要由四個部分組成：發(fā)電，輸電，配電和用戶。NB-IoT 的低功耗、低成本、覆蓋面廣和連接性強的特點完全適合能源行業(yè)的需求，為電力和能源行業(yè)的“最后一英里”問題提供了完美的解決方案，因此得到了廣泛的應用。在電力行業(yè)的發(fā)電，輸電，配電和用戶中，它用于監(jiān)視系統(tǒng)運行，故障安全管理和遠程控制。NB-IoT 應用的總體框架如圖14 所示。

NB-IoT 整體框架主要有三層架構(gòu)組成，包括數(shù)據(jù)采集層，網(wǎng)絡傳輸層和平臺應用層。

數(shù)據(jù)采集層位于NB-IoT 整體框架的底層，由采集電流、電壓等各式各樣的傳感器與NB-IoT 無線模塊組成，傳感器負責采集設備實時運行的數(shù)據(jù)，NB-IoT 模塊將采集到的實時數(shù)據(jù)通過NB-IoT 網(wǎng)絡實時上傳。

網(wǎng)絡傳輸層由NB-IoT 基站和NB-IoT 核心網(wǎng)組成，NB-IoT 基站與數(shù)據(jù)采集層的NB-IoT 終端建立連接，接收實時上傳的數(shù)據(jù)并下發(fā)數(shù)據(jù)，同時將接收到的NB-IoT 上傳的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至NB-IoT 核心網(wǎng)，NB-IoT核心網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至NB-IoT應用平臺。

平臺應用層負責實時接收上傳的數(shù)據(jù)，并對此進行存儲和數(shù)據(jù)處理等，可以實時監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，并根據(jù)需求下發(fā)控制命令。

圖14 NB-IoT 應用的整體框架結(jié)構(gòu)

3.1 發(fā)電

發(fā)電廠是能源，將各種可再生和不可再生能源轉(zhuǎn)化為電能。如今，發(fā)電廠的組成已經(jīng)多樣化，具有風力，光伏發(fā)電，火電，核電和其他功能。

每個主要發(fā)電廠都由一個復雜的結(jié)構(gòu)組成?；鹆Πl(fā)電廠最關鍵的四大關鍵部分包括：鍋爐、汽輪機、凝汽器和發(fā)電機。水力發(fā)電廠的關鍵部件包括：水輪機和發(fā)電機等。核能發(fā)電廠的關鍵部件包括：汽輪機和發(fā)電機等。風力發(fā)電廠的關鍵部件包括：大型槳葉、發(fā)電機等。不管是火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠，還是核能發(fā)電廠、風力發(fā)電廠，都存在著大量應用傳感器的場景，用于采集電壓、電流和運行狀態(tài)等不同的參數(shù)。因此，NB-IoT 技術在大型發(fā)電廠中具有廣泛的應用前景，可用于發(fā)電監(jiān)控，緊急廣播通信和泄漏監(jiān)控等不同的場景。馬華玲將窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術應用于光伏發(fā)電的遠程監(jiān)控[23]；馮思維將NB-IoT 技術集成到核電站的應急廣播系統(tǒng)中[24]；謝志遠設計了基于NB 的高精度光伏電站泄漏監(jiān)測系統(tǒng)-IoT 技術[25]；李帥設計了結(jié)合NB-IoT技術的風力發(fā)電機閃電數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)[26]；王建祥將NB-IoT 技術集成到工業(yè)風力發(fā)電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)中[27]；陳童開發(fā)了基于NB-IoT 技術的太陽能發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)[28]。

3.2 輸電

電力傳輸系統(tǒng)（Power Transmission System）是指將電力從發(fā)電廠傳輸?shù)脚潆娤到y(tǒng)的系統(tǒng)。它主要由高壓電纜，鐵塔（或水泥桿，木桿）和多套變壓器組成。通過在輸電過程中增加電壓來減少輸電過程中的功率損耗。

NB-IoT 技術可用于電力傳輸系統(tǒng)中不同的場景，例如電力變壓器，高壓電纜等。NB-IoT 技術的使用可以降低電力傳輸系統(tǒng)的人工維護成本和運行效率。Su Pan 設計的電力變壓器遠程監(jiān)控系統(tǒng)集成了NB-IoT 技術[29]，電力變壓器遠程監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)傳輸終端，透明傳輸云平臺和數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺組成，即傳感層，傳輸層和應用層。整個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊負責收集相關的工作參數(shù)以及變壓器電壓，電流和溫度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)由NB-IoT 終端封裝并發(fā)送到監(jiān)視平臺，以進行數(shù)據(jù)管理，分層歷史記錄和報告。

3.3 配電

配電是電力系統(tǒng)中的鏈接，直接連接到用戶并向用戶分配能量。配電系統(tǒng)由配電變電站，高壓配電線路，配電變壓器，低壓配電線路以及相應的控制和保護設備組成。

智能配電網(wǎng)的接入網(wǎng)和隔離器為NB-IoT 技術提供了廣泛的應用場景。劉鄭建議使用窄帶IoT 技術為智能配電網(wǎng)絡構(gòu)建無線訪問專用網(wǎng)絡[30]；田全利將NB-IoT 技術應用于工業(yè)控制和配電中的信號隔離器[31]；褚紅云將窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術應用于視頻監(jiān)控運維智能電源單元[32]；NB-IoT 模塊負責通過NBIoT 基站和NB-IoT 核心網(wǎng)將收集到的相關電流和電壓轉(zhuǎn)發(fā)到平臺應用層。平臺應用層實現(xiàn)配電網(wǎng)設備質(zhì)量監(jiān)控，智能故障分析與處理以及終端在線管理。

3.4 用戶

NB-IoT 技術被廣泛應用于日常生活中。從當前流行的智能家居市場到路邊的智能路燈和智能充電樁，都已通過NB-IoT 技術連接到物聯(lián)網(wǎng)。

電動自行車自動充電系統(tǒng)，智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)和智能電能計量系統(tǒng)由四個部分組成。配備NB-IoT模塊的智能終端用于收集所需的電源信息，計費信息等，并接收應用程序?qū)影l(fā)出的控制命令。NB-IoT 基站和NB-IoT 核心網(wǎng)負責上載智能終端收集的信息并發(fā)布平臺層控制命令。平臺層負責存儲，計劃和分析上載的數(shù)據(jù)，并將其推送到應用程序?qū)印脤迂撠煾鶕?jù)實時設備狀況監(jiān)視和發(fā)布控制命令。

尹旭平設計了基于NB-IoT 技術的道路照明智能控制系統(tǒng)[33]；祝恩國設計了基于NB-IoT 技術的智能電能計量裝置[34]；孟憲宇設計了基于NB-IoT 技術的充電樁數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)[35]；鮑建科將NB-IoT 技術應用于冰箱，電飯鍋和洗衣機等設備[36]；盛慶華設計了一種結(jié)合NB-IoT 技術的電動自行車充電系統(tǒng)[37]；李慶設計了基于NB-IoT 的電動汽車智能充電系統(tǒng)[38]。

4 結(jié)語

本文回顧了當前能源互聯(lián)網(wǎng)中存在的問題以及研究現(xiàn)狀，并重點介紹了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術的優(yōu)勢，同時涉及了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術在能源行業(yè)中的應用。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術的優(yōu)勢主要分為四個部分：低功耗、低成本、覆蓋范圍廣和連接大。本文對NB-IoT 技術的每個部分都分別進行了分析。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術為電力和能源物聯(lián)網(wǎng)領域的“最后一英里”問題提供了完美的解決方案。將來它將應用于更多的電能領域。