中科院廣州電子技術(shù)有限公司 郭壯龍 龔正平 武 果

引言

在網(wǎng)絡(luò)信息化的時(shí)代發(fā)展背景之下，物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入到快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)之中，它鏈接了各種傳感電子設(shè)備，將各種信息接入到互聯(lián)網(wǎng)之中，成為極其龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將人與物、物與物進(jìn)行緊密的連接，激發(fā)網(wǎng)絡(luò)社會(huì)中所有個(gè)體或組織的生產(chǎn)力潛能，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)社會(huì)化的大發(fā)展。

當(dāng)前的一些藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)、紅外、LTE等技術(shù)受到舊有的一些傳輸協(xié)議方面的局限性，存在傳輸范圍有所側(cè)重或小范圍的傳輸?shù)痊F(xiàn)象，缺乏專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)膮f(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)存在一定的差異，物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用各種不同的感知技術(shù)，由于每一種傳感器均為各自獨(dú)立的信息采集節(jié)點(diǎn)，具有不同的功能，因此會(huì)依據(jù)自己預(yù)先設(shè)定的頻率進(jìn)行信息的采集、上傳和處理，并表現(xiàn)出實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，成為一種新型的“泛在網(wǎng)絡(luò)”，為了確保對(duì)采集信息的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確傳輸，要求所有的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相適應(yīng)的性能，以達(dá)到對(duì)信息數(shù)據(jù)的采集、分析、處理和反饋，實(shí)現(xiàn)“智能工廠”、“智慧城市”的發(fā)展目標(biāo)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)還引入了大數(shù)據(jù)分析、行為識(shí)別等新興技術(shù)和手段，擴(kuò)展了數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的范圍，給人們的社會(huì)生活生產(chǎn)方式帶來了較大的變革和影響。

一、窄帶物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)內(nèi)容分析

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以其低功耗、低成本、高覆蓋和強(qiáng)鏈接的優(yōu)勢(shì)超越了其他的技術(shù)，它是一種適合于長(zhǎng)距離、多終端的低速率、低功耗技術(shù)，在窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程中，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)由最初華為提出的窄帶技術(shù)NBM2M逐漸發(fā)展成NBIOT標(biāo)準(zhǔn)，意味著窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入到規(guī)?；纳逃秒A段，正逐漸趨向扁平化的方向發(fā)展和進(jìn)步，以最終達(dá)到萬物互聯(lián)的目標(biāo)。它相較于其他接入技術(shù)而言，從覆蓋范圍、連接等方面都得到了極大的提升，在智能抄表、智能停車、可穿戴設(shè)備、環(huán)境監(jiān)控、通信等領(lǐng)域得到普及性的應(yīng)用。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)的主要特征具體表現(xiàn)為以下方面：（1）覆蓋廣。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以在相同的頻帶條件和環(huán)境之下，將覆蓋范圍擴(kuò)大到之前的一百倍，獲得比原有技術(shù)超出20dB的增益。（2）大連接。通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高容量平臺(tái)建構(gòu)及軟件升級(jí)、信號(hào)優(yōu)化的條件下，可以較好地支撐大連接，使數(shù)百萬個(gè)IOT設(shè)備能夠得以有效的鏈接和應(yīng)用。（3）低成本。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用NB-IOT標(biāo)準(zhǔn)極大地降低了峰值速率，減少了存儲(chǔ)需求和設(shè)備復(fù)雜程度，使其成本得以降低。（4）提升電池使用壽命。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用省電模式，在設(shè)備無須使用的狀態(tài)下保持休眠狀態(tài)，可以較好地延長(zhǎng)電池的使用壽命，適用于規(guī)模龐大的傳感器應(yīng)用場(chǎng)景。

二、窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案分析

NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)主要可以分為五大模塊，即：由芯片、模組、終端構(gòu)成的終端側(cè)模塊；新建FDDLTE網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)側(cè)通道模塊；無線網(wǎng)側(cè)模塊；新建C-SGN網(wǎng)元支持NB0IOT接入的核心網(wǎng)側(cè)模塊；IT支撐網(wǎng)模塊；移動(dòng)自有平臺(tái)或接入第三方的應(yīng)用平臺(tái)。在建構(gòu)這一窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的方案之中，要從兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，主要包括：（1）由端到端的鏈接。要在窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的架構(gòu)設(shè)置之中，將五個(gè)模塊進(jìn)行端到端的無縫鏈接。（2）累積業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。要在整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的過程中，積累核心網(wǎng)與業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，還要注重累積物聯(lián)云平臺(tái)與核心網(wǎng)及業(yè)務(wù)支撐網(wǎng)、應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的對(duì)接運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。并應(yīng)當(dāng)選取共站組網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，較好地實(shí)現(xiàn)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與服務(wù)。

1、核心技術(shù)的突破

在窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案之中，要突破以下關(guān)鍵核心技術(shù)：（1）RFID技術(shù)。這是非接觸式的自動(dòng)辨識(shí)技術(shù)，利用無線電訊號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定對(duì)象的數(shù)據(jù)辨識(shí)、采集和讀寫等操作，較好地避免其他干擾因素，實(shí)現(xiàn)智能追蹤、交通管理、郵遞管理的自動(dòng)化應(yīng)用。（2）MEMS傳感器。這是采用批量制作的方式，利用微型傳感器、信號(hào)處理及控制系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)在智能家居、可穿戴設(shè)備、汽車電子等方面的應(yīng)用。（3）M2M技術(shù)。它是在遠(yuǎn)距離通信、近距離通信及GPS等技術(shù)的應(yīng)用條件下，實(shí)現(xiàn)各機(jī)器之間的無線通信，利用自動(dòng)化業(yè)務(wù)流程和集成化的信息處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)綜合全面的信息化解決方案，實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)售貨、車輛管理、電動(dòng)機(jī)械等方面的應(yīng)用。

2、窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案的搭建

以某工業(yè)園區(qū)為試點(diǎn)，進(jìn)行基于FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)和搭建，具體的規(guī)劃和方案包括以下內(nèi)容：

（1）對(duì)站點(diǎn)附近的過高站和過低站進(jìn)行分析，確保FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)不會(huì)受到其他因素的干擾和影響。

（2）盡可能地多選擇一些NB-IOT站點(diǎn)，可以進(jìn)行不同組網(wǎng)方式的測(cè)試和分析，并盡量使之具有合理性和有效性。

（3）可以選取五個(gè)NB-IOT站點(diǎn)作為前期測(cè)試點(diǎn)，并使之與G網(wǎng)共站。

（4）測(cè)試并確定各樓層相同位置的信號(hào)差異狀態(tài)。

三、窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景研究

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合生成了全新的狀態(tài)，使社會(huì)進(jìn)入到“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代之下，它借助于傳感器和網(wǎng)絡(luò)鏈接了鐵路、公路、電網(wǎng)、交通等，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與原有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的整合和協(xié)同，并在超級(jí)計(jì)算集群的條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜數(shù)據(jù)、人員、設(shè)備及資源的實(shí)時(shí)調(diào)度和控制，以更為精細(xì)化的狀態(tài)改變了人們的生活生產(chǎn)方式。

1、窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點(diǎn)

根據(jù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，可以從NB-IOT所支持的各種應(yīng)用之中歸納出如下特點(diǎn)：（1）低速率。在窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于鐵路、公路、交通、電網(wǎng)等業(yè)務(wù)時(shí)，由于NB-IOT是采用低階調(diào)制的方式，因而可以較好地解決NB-IOT中低速率業(yè)務(wù)中的問題。（2）高時(shí)延。窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的信號(hào)傳輸要經(jīng)過反復(fù)多次的傳送，這就使之存在一定的通信時(shí)延，有時(shí)可能會(huì)達(dá)到10s。（3）低頻次。窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸要處于較低的頻次，避免過于頻繁的傳輸，以免增加NB-IOT終端的功率消耗。（4）移動(dòng)性弱。NB-IOT不支持連接狀態(tài)下的測(cè)量、切換等移動(dòng)性管理，以減少終端的功耗。

2、窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)踐

在加快物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的過程中，首先要依照一定的通信協(xié)議，使信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括有以下層級(jí)：感知層是實(shí)現(xiàn)對(duì)信息數(shù)據(jù)的采集、捕獲、辨識(shí)的智能感知功能；網(wǎng)絡(luò)層則是以公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為依托建構(gòu)相應(yīng)的業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的分析、共享、智能化處理和管理等；應(yīng)用層則是指監(jiān)控服務(wù)、智能電網(wǎng)、綠色農(nóng)業(yè)、智能家居、公共安全等各類應(yīng)用。

（1）智能抄表應(yīng)用

這是將窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用并集成于水表之中，在標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議前提下，建構(gòu)扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水表的智能化應(yīng)用，較好地節(jié)省中間網(wǎng)絡(luò)調(diào)測(cè)改造的成本。NB-LOT相較于GPRS而言，功耗更低、信號(hào)穿透力更高，可以屏蔽多家供應(yīng)商協(xié)議的多樣性，減少不同供應(yīng)商的集成復(fù)雜度，使之更具有實(shí)用性。

（2）智能停車應(yīng)用

針對(duì)當(dāng)前我國(guó)的車位緊張、市容混亂的問題，我國(guó)出臺(tái)了相關(guān)的智能停車扶持政策，研究和引入智能道路停車技術(shù)，引領(lǐng)我國(guó)智能停車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。這種新型的智能道路停車系統(tǒng)采用地埋式車檢器實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊磁場(chǎng)變化值的檢測(cè)，準(zhǔn)確快速地獲悉車位占用的具體狀態(tài)，并在窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用之下，可以傳輸智能停車的相關(guān)數(shù)據(jù)管理，包括停車自動(dòng)支付、APP支付、現(xiàn)場(chǎng)支付等，以此較好地促進(jìn)城市道路停車的智能化和現(xiàn)代化，成為未來城市道路停車的良好趨勢(shì)。

（3）智能家居應(yīng)用

這是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)為依托和支撐，鏈接家居生活設(shè)備及子系統(tǒng)，使之相互整合和集成，它主要包括門鎖安防系統(tǒng)、廚衛(wèi)安防、環(huán)境安全安防等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以在出現(xiàn)異常時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警，各相關(guān)電器會(huì)自動(dòng)處于應(yīng)急聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，并啟動(dòng)視頻監(jiān)控留存證據(jù)；在廚衛(wèi)安防系統(tǒng)之中可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)并控制燒水時(shí)間及溫度、煤氣泄漏情況；環(huán)境安全安防系統(tǒng)則主要可以對(duì)房間的溫度、濕度、通風(fēng)、光照等情況進(jìn)行控制。

（4）交通應(yīng)用

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以應(yīng)用于車載信息的智能服務(wù)領(lǐng)域，用于對(duì)車輛的防盜監(jiān)控、導(dǎo)航、車載定位視頻監(jiān)控、電動(dòng)自行車防盜應(yīng)用等，為人們的交通出行安全提供有力的保證。

（5）智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用

可以在農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖業(yè)的領(lǐng)域之內(nèi)利用NB-IOT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控等，較好地把握農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖的動(dòng)態(tài)變化情況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

（6）工業(yè)應(yīng)用

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在NB-IOT的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下可以提供智能工廠、智能工程機(jī)械產(chǎn)品等服務(wù)，極大地提升工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

綜上所述，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，要確定適宜的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并將其覆蓋應(yīng)用于交通、醫(yī)療、家居、工農(nóng)業(yè)等場(chǎng)景之中，可以極大地為社會(huì)帶來變革性的影響。

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