劉晉強

陜西銀河電力儀表股份有限公司 陜西 西安 710119

引言

自2017年，NB-IoT技術(shù)大范圍推廣以來，以其明顯的技術(shù)優(yōu)勢迅速覆蓋到眾多領(lǐng)域，智能水、電表領(lǐng)域廠商也積極參與，應(yīng)用規(guī)模增長很快，同時也遇到了一些技術(shù)問題，應(yīng)用難度較大。近年來，隨著CAT-1技術(shù)的興起 ，提供了更高的傳輸速率，以及支持TCP連接的可靠傳輸，使得實施應(yīng)用更為直接、簡單，趨于替代部分NB-IoT的行業(yè)應(yīng)用。但對于大部分電池供電設(shè)備，NB-IoT節(jié)能效果好，對于智能電表方面，NB-IoT有關(guān)技術(shù)方法和創(chuàng)新，對未來智能電表通信技術(shù)應(yīng)用，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展也有很好的推動作用。

1 NB-loT技術(shù)簡介

NB-IoT是新一代窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，由中國華為制定標準并在全球推廣實施。較傳統(tǒng)2G網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT技術(shù)支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)連接，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。該技術(shù)具有低功耗、低成本、海量連接、增強覆蓋等特點。①低功耗：NB-IoT應(yīng)用（如智能抄表、環(huán)境監(jiān)控、智能農(nóng)業(yè)等）安裝環(huán)境沒有電源供應(yīng)，需要使用電池，為了滿足電池達到5～10年壽命的需求，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)引入PSM和eDRX技術(shù)極大降低了終端功耗，可使設(shè)備在生命周期絕大部分時間處于極低功耗狀態(tài)，從而保障電池的使用壽命。②低成本：NBIoT終端采用窄帶技術(shù)，基帶復(fù)雜度低，只使用單天線，采用半雙工方式，射頻模塊成本低。③海量連接：NB-IoT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，NB-IoT可比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50～100倍的接入數(shù)，單小區(qū)可支持5萬級別的用戶規(guī)模。④深度覆蓋：在底下車庫、地下室、底下管道等信號難以到達的地方也能較好覆蓋[1]。

NB-IoT業(yè)務(wù)承載于各省NB-IoT蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)4G核心網(wǎng)專用網(wǎng)元、集約IT系統(tǒng)，通過集約IT系統(tǒng)受理、開通、計費和銷賬。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在無線側(cè)均通過各省移動網(wǎng)具備NB-IoT功能的基站接入，通過各省4G核心網(wǎng)（MME設(shè)備、SGW）接入后，統(tǒng)一匯聚到物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)網(wǎng)元（PGW），經(jīng)過PGW設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到上層應(yīng)用，實現(xiàn)終端與電信自建平臺、客戶平臺的數(shù)據(jù)通信。

2 社區(qū)服務(wù)

該應(yīng)用場景包括“三供一業(yè)”運營管理、社區(qū)物業(yè)、配售電公司、綜合能源管理等。主要應(yīng)用需求為計量收費，電表和水表可接受抄表周期為1天，但對下發(fā)的實時命令敏感，NBIoT通信速率和性能完全可以滿足需求。水表為實現(xiàn)低功耗目的，需要采用PSM模式，即設(shè)備主動激活連接，要實現(xiàn)命令及時送達，需要人工干預(yù)。電表既可以采用PSM模式，也可以采用EDRX模式，為了給客戶更好的體驗和方便管理，一般采用EDRX模式，單體設(shè)備采用EDRX模式后，激活狀態(tài)一次通信指令周期約3～5s，尋呼狀態(tài)一次通信指令周期約15～60s，測試狀態(tài)下通信性能明顯高于載波和ZIGBEE通信方式。

現(xiàn)代化智慧社區(qū)區(qū)域布局相對比較集中，NB-IoT信號覆蓋良好，個別信號盲區(qū)或遮擋區(qū)域，也可以通過增益天線解決，使用NB-IoT水表運行良好，但同區(qū)域可能安裝NB-IoT電表、門鎖、煙感、共享單車等各類NB-IoT通信設(shè)備，隨著設(shè)備密度增加，通信可靠性有所影響，尤其同區(qū)域高頻通信請求的NB-IoT設(shè)備會嚴重干擾既有設(shè)備通信。若NB-IoT電表采用PSM模式，工作模式與水表類似，對區(qū)域內(nèi)NB-IoT設(shè)備通信影響很小，若采用EDRX模式，在上報周期短、設(shè)備數(shù)量多、安裝集中的情況下，會導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)NB-IoT設(shè)備通信擁堵無法正常工作。

該類應(yīng)用與收費管理業(yè)務(wù)綁定，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動支付技術(shù)，迅速改變用戶消費模式，對于用戶更加便利友好，有助于提升物業(yè)服務(wù)效率和水平。NB-IoT作為通信方式，較傳統(tǒng)的載波、ZIGBEE等，安裝簡單，免維護，降低了社區(qū)物業(yè)設(shè)備管理負擔(dān)，提高了通信系統(tǒng)維護質(zhì)量，但對于運維過程中出現(xiàn)的問題束手無策，更加依賴于服務(wù)廠商支持。設(shè)備安裝部署環(huán)境多樣，個別區(qū)域信號覆蓋差，需要采用替代通信技術(shù)方案。

3 智慧建筑

該應(yīng)用場景包括商場、市場、商業(yè)綜合體、辦公建筑等。既有計量收費管理需求，又有能耗管理需求，更加期望節(jié)能、用能的綜合分析，以及能源綜合利用和節(jié)能支持，計量信息的綜合利用性強，對于考核計量點，可接受抄表周期為1小時，非考核計量點，抄表周期2小時以內(nèi)。建筑布局高度集中，需要針對性的NB-IoT信號加強，現(xiàn)場布局復(fù)雜多樣，為NB-IoT現(xiàn)場安裝調(diào)試較為復(fù)雜的場景。而NB-IoT設(shè)備的低功耗、信號強、免維護等特點，也使得這一領(lǐng)域用戶高度關(guān)注并積極應(yīng)用于建設(shè)或改造項目。

該類應(yīng)用使用NB-IoT水表，在實施信號增強措施后，運行良好，而智能電表由于信息需求量較大，數(shù)據(jù)通信較為頻繁，為滿足較高的管控效率，通信模式也采用EDRX模式，安裝部署也很集中，諸多因素導(dǎo)致在設(shè)備并發(fā)通信規(guī)模超過一千后出現(xiàn)連接請求異常，若頻繁重發(fā)請求，大量連接請求占用網(wǎng)絡(luò)資源，使得應(yīng)用數(shù)據(jù)無法正常傳輸。從而使得實際成功應(yīng)用，采取優(yōu)秀的上報分散措施，并且降低上報頻次，基本滿足了項目需求。

然而NB-IoT技術(shù)對于該場景下，煙感、安防、環(huán)境監(jiān)測、智能門鎖方面，由于并發(fā)通信概率很小，應(yīng)用前景非常好。而對于能耗監(jiān)測和計量收費管理方面的需求，仍然會隨著服務(wù)水平的提高而進一步增長，除非NB-IoT技術(shù)在根本上解決并發(fā)擁堵問題，才能在這一領(lǐng)域大范圍推廣。

4 校園

學(xué)校用于能耗的開支費用日益增加，各園區(qū)管理部門均想方設(shè)法節(jié)約能耗開支，隨著國家政策支持和資金配套加大，校園迫切需要應(yīng)用新技術(shù)完成節(jié)能改造，成為NB-IoT技術(shù)應(yīng)用的一個主要場景。

目前，大多學(xué)校沒有對園區(qū)內(nèi)的各個建筑進行用電核算。大多管理者只是掌握著總用電情況，對單個建筑、各個建筑內(nèi)用電情況以及園區(qū)內(nèi)功能性區(qū)分用電情況并不了解。同時，校園內(nèi)還存在較大的節(jié)電潛力。 教室、實驗室、辦公室長明燈、少人開多燈、自然光照充分的情況下開燈等現(xiàn)象仍然存在；辦公室、教室、宿舍等空調(diào)使用中存在超標使用，如：不按溫度管理要求開空調(diào)、開門窗時開空調(diào)等；學(xué)生公寓中未安裝電表、 學(xué)生存在使用大功率電器等現(xiàn)象，既費電又存在安全隱患。校園內(nèi)景觀燈、路燈等管理不合理、開關(guān)時間設(shè)置不合理等。大多學(xué)校對于校內(nèi)用水沒有很好的管理辦法，水資源浪費現(xiàn)象嚴重，加上一些學(xué)校建筑建設(shè)年代較久，地下管網(wǎng)老化嚴重，管道破裂導(dǎo)致的水資源流失更是無法估計。造成水資源浪費。

校園能控管理，傾向于精細化管理，用能模式特殊，需求多樣，管控要素較多，要求設(shè)備滿足特定需求，并且具備一定的靈活性和可擴展性，數(shù)據(jù)采集要求更為完善，能耗分析更加全面，并且融入校園既有的學(xué)生管理系統(tǒng)，設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用開發(fā)復(fù)雜度較高。由于不同校園能源計量管理程度不同，方案各異，信息化程度也不同，NB-IoT技術(shù)主要用于全新安裝設(shè)備，這使得設(shè)計涵蓋同類行業(yè)的技術(shù)方案困難，不確定因素較多。

5 節(jié)能與能耗管理

該應(yīng)用場景應(yīng)用，一方面對于企業(yè)，適合跨區(qū)域計量信息采集和能耗管理，如電信運營商的基站、工礦企業(yè)用能監(jiān)測、工業(yè)企業(yè)能耗管理、環(huán)保設(shè)備用能監(jiān)測等。

采集系統(tǒng)需要開放設(shè)計，允許能耗管理系統(tǒng)、政府能耗監(jiān)管系統(tǒng)、企業(yè)自建系統(tǒng)獲取準確數(shù)據(jù)，通過各種計量表、傳感器采集水、電、燃氣等數(shù)據(jù)；可對關(guān)注的主要數(shù)據(jù)進行監(jiān)測（如：電流、電壓、溫度等），防止安全隱患的發(fā)生，對電表、水表等集中采集、控制，為能耗管理系統(tǒng)提供通信采集和控制賦能，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或者決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

相對節(jié)能效率，對設(shè)備成本不十分敏感，可以接受小幅變化及較高的設(shè)備成本。主要特點是布局分散；同區(qū)域設(shè)備數(shù)量較少；數(shù)據(jù)密度要求高，主要考核點要求15分鐘一次；需要采集電能、電流、電壓、功率等多種參數(shù)。因此，NB-IoT通信在該應(yīng)用領(lǐng)域可以滿足需求，也有一定優(yōu)勢，但信號覆蓋和通信速率是短板，而CAT-1等新興技術(shù)通信效率和質(zhì)量更具有競爭力。

6 結(jié)束語

NB-IoT業(yè)務(wù)規(guī)模發(fā)展與所承載業(yè)務(wù)模型密切相關(guān)，其能適用場景是“小流量、上報為主、長期休眠、功耗敏感性、低移動性”應(yīng)用，也即NB-IoT技術(shù)不適宜于大流量、高并發(fā)的場景，若應(yīng)用于該類場景需要對技術(shù)方案深度研究和重構(gòu)。而實際智能水表、電表的應(yīng)用場景，尤其對新技術(shù)敏感、投資建設(shè)意向突出的智慧建筑等領(lǐng)域，寄希望于NB-IoT技術(shù)提升工作效率，但仍沿用既有的技術(shù)方案和運作模式。智能水表、電表廠商積極開發(fā)新產(chǎn)品投入市場，將NB-IoT作為另一種優(yōu)秀的通信方式，直接應(yīng)用于既有產(chǎn)品方案，也往往在出現(xiàn)問題后才改進升級。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)單扇區(qū)容量達到5萬接入用戶的能力，是基于NB-IoT小數(shù)據(jù)的特征，通過減少終端工作的頻次和強度、拉長終端休眠的時間等機制實現(xiàn)的。3GPPNB-IoT業(yè)務(wù)模型假定平均每小時每用戶接入次數(shù)僅0.467次，也就是平均每用戶每小時接入網(wǎng)絡(luò)1次都不到，大部分時間都在休眠。由此可見，NB網(wǎng)絡(luò)海量接入容量，是建立在大量用戶上報周期長，絕大部分終端長時間處于休眠的特定業(yè)務(wù)場景下達到。NB-IoT終端信號強度，可以確保其與基站設(shè)備連通性，但不足以表明應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

對于時延特別敏感的應(yīng)用，可以考慮使用EDRX模式或DRX模式（DRX尋呼周期最短1.28s），從而縮短數(shù)據(jù)下發(fā)到終端的時延。但是平臺同時下發(fā)數(shù)據(jù)到大量EDRX模式或DRX模式終端時，會導(dǎo)致NB資源耗盡，出現(xiàn)無法正常下發(fā)數(shù)據(jù)到終端的情況。因此，平臺在對終端下發(fā)數(shù)據(jù)時，應(yīng)避免集中時刻下發(fā)。將采集信息按正常周期采集，以較長周期上報，是一種可行的應(yīng)對方法。

當(dāng)前國內(nèi)主要運營商采用現(xiàn)有EPC核心網(wǎng)，在原有EPC設(shè)備基礎(chǔ)上，進行NB-IoT功能增強，以滿足NB-IoT特性需求承載NB-IoT業(yè)務(wù)。但海量的設(shè)備接入引起大量的附著、業(yè)務(wù)請求、TAU等，在設(shè)備請求失敗時，大量頻繁重復(fù)請求可導(dǎo)致系統(tǒng)過載，設(shè)備在附網(wǎng)失敗時，應(yīng)分散、延遲重發(fā)請求。不支持non-IP數(shù)據(jù)類型non-IP類用戶數(shù)據(jù)經(jīng)常被應(yīng)用在海量傳感器網(wǎng)絡(luò)，未來NB-IoT業(yè)務(wù)應(yīng)用也會有non-IP類用戶數(shù)據(jù)的需求，現(xiàn)有EPC不支持此功能。