NB-IOT技術(shù)在水資源智能監(jiān)控方面的應(yīng)用

□侯爽劉淼王微

2011年，《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》和中央水利工作會議均明確提出“推進(jìn)水利信息化建設(shè)”、“提高水資源調(diào)控和工程運(yùn)行的信息化水平，以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化”。這些論述均強(qiáng)調(diào)了在水利信息化在當(dāng)前水利發(fā)展、水資源管理中發(fā)揮的重要作用。為全面貫徹文件精神，減少水資源浪費(fèi)，自2012年—2018年，水利部與財政部聯(lián)合組織實(shí)施了國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目，全國各地在響應(yīng)國家號召的同時，也陸續(xù)開展了本地水資源監(jiān)控能力建設(shè)。

然而，隨著科技的進(jìn)步以及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)狀水資源監(jiān)控使用的傳輸方式，在一定程度上制約了水利信息化的進(jìn)一步發(fā)展。因此，如何引入新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)化水資源智能監(jiān)控建設(shè)，提高水資源監(jiān)控的效率，降低投入成本，已經(jīng)成為水利信息化的重要要求。

1 .水資源智能監(jiān)控現(xiàn)狀傳輸方式及存在問題

1.1 水資源智能監(jiān)控傳輸現(xiàn)狀

一是監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。目前，根據(jù)國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目總部署，水資源監(jiān)控能力建設(shè)主要內(nèi)容可以簡單概述為“四網(wǎng)一平臺”，“四網(wǎng)”指的是4個監(jiān)測站網(wǎng)，即地下水位監(jiān)測站網(wǎng)、取用水量監(jiān)測站網(wǎng)、水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)、?。ㄊ校┙鐢嗝嫠勘O(jiān)測站網(wǎng)，其作用是通過硬件傳感器（如水位計、流量計等）分別對地下水位、取用水戶取用水量以及灌區(qū)渠首水量、水功能區(qū)以及飲用水水源地水質(zhì)、省界以及市界斷面的流入流出水量進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)作為水資源管理、保護(hù)、節(jié)約等的依據(jù)。“一平臺”指的是水資源管理信息平臺，監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至水資源管理信息平臺，平臺作為數(shù)據(jù)處理、分析、使用、展示的窗口。監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

如圖1所示，監(jiān)測站網(wǎng)按照一定的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并統(tǒng)一將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由政務(wù)外網(wǎng)的傳輸方式發(fā)送至水資源管理信息平臺。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

二是流量監(jiān)測站點(diǎn)。為了方便理解監(jiān)測站網(wǎng)，下面以水量監(jiān)測站網(wǎng)為例，介紹其組成結(jié)構(gòu)和工作原理。水量監(jiān)測站網(wǎng)是由若干個流量監(jiān)測站點(diǎn)組成的，單個流量監(jiān)測站組成結(jié)構(gòu)圖見圖2。

如圖2，流量監(jiān)測站點(diǎn)是由流量計、遙測終端機(jī)、通訊模塊以及供電系統(tǒng)組成，流量計作為硬件傳感器，以一定的頻次進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)由信號線傳輸至遙測終端機(jī)，遙測終端機(jī)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理以及計算，并由通訊模塊以一定的傳輸方式被發(fā)送至水資源管理信息平臺，進(jìn)行分析以及展示。供電系統(tǒng)為遙測終端機(jī)等設(shè)備供電，現(xiàn)狀供電系統(tǒng)一般分成3類：市電交流電、太陽能/蓄電池供電、鋰電池供電。

圖2 流量監(jiān)測站點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)圖

通訊模塊的硬件配置情況直接影響了數(shù)據(jù)的傳輸方式，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可劃分為兩類：一是其他移動通信技術(shù)（即以短距Wi-Fi、藍(lán)牙等為主的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）；二是全球移動通信網(wǎng)（又名移動蜂窩技術(shù)，一般情況下指2G/3G/4G及其他技術(shù)）?，F(xiàn)狀水資源監(jiān)測站網(wǎng)中，監(jiān)測站點(diǎn)的硬件通訊模塊一般需要配備專用的物聯(lián)網(wǎng)卡，其使用的通訊方式為移動蜂窩技術(shù)中的2G/3G/4G技術(shù)。

1.2 現(xiàn)狀傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)

移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2G/3G/4G）的優(yōu)點(diǎn)是速度快、傳輸數(shù)據(jù)量大，但是在水資源監(jiān)控建設(shè)的應(yīng)用中，仍然存在如下問題。

一是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不足。水資源智能監(jiān)控的應(yīng)用范圍較廣，智能監(jiān)測站的安裝位置較為復(fù)雜，對于安裝位置為樓宇室內(nèi)或者平原等通信信號較好的地帶，移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2G/3G/4G）能夠有效覆蓋傳輸，但是對于安裝位置處于地下以及邊遠(yuǎn)山區(qū)等通信信號較差的情況，移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2G/3G/4G）的指標(biāo)規(guī)劃無法滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包等情況，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不足。

二是終端能耗高。利用移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2G/3G/4G）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時終端耗電量較大，主要原因包括終端自身具有較大的功耗，同時數(shù)據(jù)重傳也造成一定的能量消耗。部分水資源智能監(jiān)控終端監(jiān)測站部署位置環(huán)境較為惡劣，尤其處于野外、山區(qū)等位置的監(jiān)測站點(diǎn)，現(xiàn)場不具備市電交流電的供電環(huán)境，太陽能供電系統(tǒng)易遭到破壞或者丟失，因此只能選擇電池供電并對整個監(jiān)測站點(diǎn)加以保護(hù)，但是由于電池電量固定，過高的終端能耗會降低電池使用壽命，增大后期維護(hù)成本，因此，降低終端能耗，延長終端使用壽命是進(jìn)一步推廣智能監(jiān)控的重要手段之一。

三是數(shù)據(jù)連接量小?，F(xiàn)狀情況下三大運(yùn)營商的基站部署基本成型，經(jīng)調(diào)研，利用移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2G/3G/4G）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時每個基站可同時連接約1K左右個終端節(jié)點(diǎn)，連接量較小，容易造成數(shù)據(jù)包沖突、網(wǎng)絡(luò)容量不足的情況。

四是終端成本高。隨著水資源智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的推廣，終端監(jiān)測站種類繁多，但是開發(fā)門檻高，通信模塊成本高，造成終端監(jiān)測站的綜合成本較高。

五是2G/3G網(wǎng)絡(luò)退網(wǎng)。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，4G、5G技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，但是有限的頻譜資源限制了通信技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，為了節(jié)約頻譜資源，國內(nèi)三大運(yùn)營商都明確提出退網(wǎng)方案，其中聯(lián)通退網(wǎng)2G、移動退網(wǎng)3G、電信退網(wǎng)2G/3G，運(yùn)營商的退網(wǎng)方案使得部分傳統(tǒng)智能監(jiān)控終端無法滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。

2 .低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

為了進(jìn)一步擴(kuò)大水資源監(jiān)控應(yīng)用，降低建設(shè)成本，將低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LowPowerWideArea，LPWA）技 術(shù)引入水資源智能監(jiān)控建設(shè)中。

2.1 低功耗廣域網(wǎng)介紹及分類

為了更加清晰明了，我們利用下圖3進(jìn)行簡單介紹。

如圖3所示，橫軸代表覆蓋要求。根據(jù)通信距離長短可以劃分為長距離通信和短距離通信，傳統(tǒng)的2G/3G/4G技術(shù)通信不受范圍限制，短距離通信技術(shù)（如wifi、藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)等）覆蓋范圍受限，不適用于水資源智能監(jiān)控技術(shù)。長距離通信主要代表技術(shù)是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internetof Things,NB-IOT）、LoRa、SigFox技術(shù)等，我們將這類技術(shù)稱為低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)。

圖3 低功耗廣域網(wǎng)分類示意圖

縱軸代表速率要求?；究蓜澐譃楦摺⒅?、低3個速率等級，網(wǎng)絡(luò)能耗隨著速率的增加逐漸增大。

根據(jù)上述分析可知，短距離通信技術(shù)無法適用于傳輸距離較長的水資源智能監(jiān)控系統(tǒng)；相比較NB-IoT、LoRa、SigFox等技術(shù)，eMTC技術(shù)具有更高的能量消耗以及相對較低的覆蓋能力；LoRa技術(shù)屬于私有技術(shù)制式，需獨(dú)立建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，造成硬件成本過高；Sigfox技術(shù)不適配國內(nèi)無執(zhí)照波段。綜上所述，NB-IOT技術(shù)作為一種低功耗廣域網(wǎng)，能耗較低，性能較好，應(yīng)用較為簡便。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT特點(diǎn)

NB-IOT技術(shù)是低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的一種，其帶寬約為180KHz，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，不需要額外獨(dú)立建網(wǎng)，因此被逐步推廣使用。其主要特點(diǎn)如下。

一是NB-IOT的超強(qiáng)覆蓋能力。NB-IOT要比GPRS覆蓋增強(qiáng)20db，通俗來講，相當(dāng)于能夠多穿透水泥制成的3棟墻體。其主要實(shí)現(xiàn)方法有3個：一是提升功率譜密度（7db）；二是重傳（12db）；三是多天線增益（0-3db）。

二是NB-IOT小功耗。NB-IOT具有較小的功耗，其主要原因如下。

（1）非連續(xù)接收機(jī)制(DiscontinuousReception，DRX)

系統(tǒng)通過非連續(xù)接收機(jī)制令終端休息，使終端進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，在終端休息時，關(guān)閉發(fā)信機(jī)以及收信機(jī)，以節(jié)省能耗。

（2）節(jié)能模式(PowerSavingMode,PSM)

節(jié)能模式指的是空閑態(tài)的子狀態(tài)，在節(jié)能模式下，終端射頻關(guān)閉，此時下行不可達(dá)，上行數(shù)據(jù)可以觸發(fā)終端進(jìn)入連接態(tài)。通過這種方式節(jié)能模式下耗電量是普通空閑態(tài)耗電量的二百分之一。但是，由于下行數(shù)據(jù)不可達(dá)，被叫業(yè)務(wù)響應(yīng)不及時。

（3）非連續(xù)擴(kuò)展接收(Extended DiscontinuousReception,eDRX)

為了方便理解，我們將非連續(xù)擴(kuò)展接收狀態(tài)分為空閑態(tài)eDRX和連接態(tài)的eDRX，根據(jù)前面分析可知，NB-IOT終端大部分時間處于空閑態(tài)，因此此處主要介紹空閑態(tài)eDRX的實(shí)現(xiàn)原理。

eDRX的中心思想是減少尋呼監(jiān)聽的次數(shù)。傳統(tǒng)的尋呼間隔對IoT終端的電量消耗較大，而在下行數(shù)據(jù)發(fā)送頻率小時，通過核心網(wǎng)和終端的協(xié)商配合，終端跳過大部分的尋呼監(jiān)聽，從而達(dá)到省電的目的。

2.3 NB-IoT低成本

簡單的數(shù)據(jù)通信復(fù)用技術(shù)。NBIoT使用頻分半雙工技術(shù)（Half-Duplex Frequency Division Duplex，HDFDD），頻分雙工是指上行鏈路和下行鏈路分別在兩個分離的對稱頻率信道上進(jìn)行接收和傳送，用以保護(hù)頻段來分離接收和傳送信道。半雙工技術(shù)是指發(fā)送和接收數(shù)據(jù)在同一個時間段內(nèi)只能發(fā)生其中一個動作的傳輸方式。數(shù)據(jù)通信復(fù)用技術(shù)示意圖如下圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)通信復(fù)用技術(shù)示意圖

基于成本考慮，NB-IOT僅支持頻分半雙工技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是終端實(shí)現(xiàn)簡單，可只保留一套收發(fā)信機(jī)，節(jié)省硬件成本，缺點(diǎn)是終端監(jiān)測站無法同時進(jìn)行上下行收發(fā)信息。

小帶寬及信道簡化。NB-IOT終端的工作帶寬為200K左右，因此不需要復(fù)雜的均衡算法；此外數(shù)據(jù)通信所需的速率較低，對緩存的要求不高；同時NB-IOT的終端不需要復(fù)雜的信道，從而使得終端監(jiān)測站點(diǎn)運(yùn)算量大幅度減小。

減少不必要功能。NB-IOT通過減少語音功能、非競爭性隨機(jī)接入功能、切換功能等，降低不必要的成本投入。

2.4 NB-IOT大連接

NB-IOT的理論容量是單基站連接數(shù)達(dá)到50K。其主要原因?yàn)椋阂皇荖BIOT的話務(wù)模型決定。物聯(lián)網(wǎng)的話務(wù)模型終端很多，但每個終端發(fā)送的包都比較小，發(fā)送包對時延的要求不敏感，因此可以設(shè)計更多的用戶接入。二是上行調(diào)度顆粒小，效率高。因?yàn)镹BIOT帶寬較窄，使得上行調(diào)度顆粒小，資源的利用率較高。

3 .物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT在水資源智能監(jiān)控中的應(yīng)用

通過上述分析，我們可知NB-IOT技術(shù)具有覆蓋范圍廣、終端能耗小、基站連接量大、硬件成本低等優(yōu)點(diǎn)。將NB-IOT技術(shù)應(yīng)用到水資源智能監(jiān)控建設(shè)中，對于所處位置較為惡劣（如山區(qū)、地下等情況）的部分終端監(jiān)測站點(diǎn)，能夠有效增強(qiáng)信號覆蓋范圍，降低數(shù)據(jù)的丟包現(xiàn)象，提高數(shù)據(jù)上傳率；其次，對于現(xiàn)場不具備市電以及太陽能供電條件的終端監(jiān)測站點(diǎn)，通過利用NB-IOT技術(shù)降低終端能耗，利用電池供電即可，避免出現(xiàn)頻繁更換電池的情況，降低后期的運(yùn)維成本；最后，NB-IOT技術(shù)能夠降低終端監(jiān)測站點(diǎn)的硬件成本，減小資金投入，增大水資源智能監(jiān)控建設(shè)性價比，提高智能監(jiān)控建設(shè)效率。

但是，在看到NB-IOT優(yōu)點(diǎn)的同時，我們也不能忽略其局限性。首先，由于NB-IOT的帶寬較小，每次傳輸攜帶的數(shù)據(jù)量較小，不適用于數(shù)據(jù)量要求較大的情況；其次，NB-IOT能耗較小，導(dǎo)致其下行傳輸無法及時響應(yīng)，在一定程度上影響了水資源智能監(jiān)控的召測功能；最后，NB-IOT支持頻分半雙工的通信方式，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性相對較差。

4 .結(jié)論

全文介紹了水資源智能監(jiān)控現(xiàn)狀，給出水資源智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，并以取水量監(jiān)測站網(wǎng)為例介紹了流量監(jiān)測站點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)，闡述了現(xiàn)狀通信傳輸方式；其次通過分析現(xiàn)狀傳輸模式在水資源智能監(jiān)控建設(shè)過程中存在的優(yōu)點(diǎn)以及問題，引入低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)的概念；最后對低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行介紹和分析，重點(diǎn)說明了其分類與特點(diǎn)，并分析其在水資源智能監(jiān)控中發(fā)揮的作用、功效以及可能存在的問題?！?/p>