| 标题 | 基于NB—IoT及LORA的技术分析和应用展望 |
| 范文 | 吴毅 夏婷婷 李润青 [摘 要] 如今将物联网和城市综合管理相结合是城市发展的一种趋势。而NB-IoT和LoRa作为两种大容量、广覆盖、低功耗、低成本、高稳定性的广域物联网技术为其提供了发展支撑。基于NB-IoT和LORA技术原理，设计了几种基于这两种技术的建设的应用案例方案，以更好的支持智慧城市的建设。 [关键词] NB-IoT；LORA；城市物联网；智慧城市应用 doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 03. 067 [中圖分类号] TN915 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）03- 0162- 03 1 背景概述 当今，物联网技术得到了广泛的发展与应用。在生活的各个方面也处处见到物联网技术的身影。如今在感知与智能方面已经有了新的进展，采用面向物与物互联的WiFi、蓝牙、ZigBee技术。然而上述技术往往存在一个问题即不能同时实现数据的长距离传输和低功耗，并且在用户接入数量上有时也并不能满足实际需求。 基于终端接入网络的上述问题，近年来发展了如LPWAN（低功耗广域网）的网络技术，包括LoRa，Sigfox，LTE-M，NWave。以及基于2G、3G、4G、技术的蜂窝物联网技术，包括NB-IoT，e-MTC等技术。其中根据综合技术指标以及实际的推广应用NB-IoT和LoRa属于其中的佼佼者。 NB-IoT是基于蜂窝网络的窄带物联网通信技术，具备广域传输、海量介入、超低功耗、低成本等特征。从2015年9月NB-IoT的标准化开始到2016年7月标准确定，全球超过50家公司的积极参与使得NB-IoT系统技术和生态链逐步成熟。满足了覆盖广，低功耗，海量接入等技术指标。 LoRa是LPWAN通信技术的一种，是Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术超远距离无线传输方案。在此方案上研发出了一种新型1 GHz下的超长距低功耗数据传输技术（简称LoRa）的芯片。LoRa技术在远距离传输，延长电池寿命，扩大系统容量拥同样有着不俗的表现。 2 NB-IoT及LORA关键技术 2.1 NB-IoT主要技术及优势 NB-IoT的技术标准是基于LTE的基础上发展起来的。基于原有的LTE技术，根据自身特点对其进行了标准简化以及技术改进。 NB-IoT分为三种部署方式：独立部署（Stand alone）、保护带部署（Guard band）和带内部署（In-band）。独立部署适用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200 kHz，这刚好为NB-IoT 180 KHz带宽辟出空间，且两边还有10 kHz的保护间隔。保护带部署利用LTE边缘保护频带中未使用的180 kHz带宽的资源块。带内部署可利用LTE载波中间的任何资源块。 NB-IoT技术的优势在广覆盖，低成本，低功耗。 广覆盖：在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增加20 dB，覆盖面积扩大100倍。 低成本：通过减少协议栈处理开销和减少不必要的硬件来降低成本。 低功耗：NB-IoT处理降低芯片复杂度来减少耗电外采用非连续接收DRX（Discontinuous Reception），eDRX就是扩展的不连续接收，延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动。 2.2 LORA主要技术及优势 LORA和NB-IoT相似有着广覆盖，低成本，低功耗，容量大等优点。 LoRaWAN是LoRa技术所采用的网络协议，它可以为使用电池供电的无线设备提供区域、国家或全球的网络连接。LoRaWAN的网络架构是一个典型的星形拓扑结构。在这个网络架构中，网关为透明中继，连接前端的终端设备和后端的中央服务器。 LoRa的优势主要体现在以下几个方面： 低功耗：高达157 dB的链路预算使其通信距离可达15公里（与环境有关）。其接收电流仅10 mA，睡眠电流200 nA，这大大延迟了电池的使用寿命。 大容量：如果把网关安装在现有移动通信基站的位置，发射功率20 dBm（100 mW），那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达10公里。 支持测距和定位：LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI（Received Signal Sterngth Ind-ication），而定位则基于多点（网关）对一点（节点）的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m（假设10km的范围）。 3 NB-IoT及LORA应用分析 3.1 基于NB-IoT的应用案例分析 基于NB-IoT技术具有广覆盖、低功耗、低成本、大连接特性，能满足低传输速率以及对时延要求不高的应用场景。 3.1.1 基于NB-IoT的智慧路灯方案 目前，在诸多城市中路灯系统都有着许多共通的问题，例如：节能管理不足，故障检测不能实时，没有其他数据采集。而基于NB-IoT技术的智慧路灯系统设计方案能有效解决上述问题。相比于LoRa技术，NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本都是复用，并且拥有相对低的延时。 基于NB-IoT技术的智慧路灯实施方案主要实现功能： 数据采集：通过每个路口路灯上安装的传感器对各个路段车流量进行定时数据采集，并且可以将采集的车流量数据传输到路灯管理中心和交通数据中心。 节能管理：路灯管理中心可通过对不同时段的车流量分析来控制个路段的路灯点亮数目及亮度，从而有效对城市路灯进行节能管理。 安全检测：通过实时采集路灯线路中各个支路的电流/电压值以及能耗数据和基准数据进行比较，并对异常数据进行报告上传从而能及时发现各线的故障，避免进一步的损失。 智慧路灯终端：负责路灯所在路段的车流量的信息采集，和对路灯内部线路电流/电压值以及能耗的数据采集，通过无线网络，直接完成与中心管理平台之间的数据交互。 NB-IoT通信网络：负责网络数据传输，可利用上述三种部署方案进行传输（独立部署、保护带部署、和帶内部署），为整个系统网络支撑能力。 数据监测中心：实时监测能耗。车流量数据分析结果决定监测中心对每个路段路灯的的亮暗和点亮个数控制。电流/电压值以及能耗的数据分析比对常态数值，发现异常情况，立刻产生告警和提示信息。 路灯管理平台：主要有终端管理，对智慧路灯终端的远程开关控制。报警和日志管理，报警告设置、查询，对报警回溯和数据记录。 3.1.2 基于NB-IoT的智慧停车方案 随着城市交通的不断发展，车辆的快速增长但随之带来的是车位持续不足，加之许多车主的乱停乱放，致使道路交通极易堵塞。 基于NB-IoT的智能停车方案通过安放在路边停车位的地刺车位检测器，来感知车辆停放信息。NB-IoT无需重新建网，且拥有较低的延时，所以更适合用于数据延时要求相对较高的市政占道停车案例。 传感器终端：通过地磁车位检测器检测车辆停放信息，每个地磁车位检测器内部存有GIS信息。终端通过基于NB-IoT的组网技术将信息传送到智能停车运营平台。由于NB-IoT支持多信道通信、信道修改等，对于开放频段的无线设备，保障了长期通讯的稳定性，降低其他无线设备对终端的干扰。 停车运营平台：监测每个停车点的车辆停放信息，并对其进行定期管理。对附近车辆进行停车导航，给出车辆到停车位的运行线路。设定用户端预约支付平台，方便用户车辆进行停车缴费预约。 3.2 基于LoRa的应用案例分析 LoRa技术因为其低功耗、深度覆盖、容易部署等优势使得其非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用，如道路、安防等应用和领域。 3.2.1 基于LORA的智慧道路方案 城市高速公路和各个国省干道的快速发展，但各个主要道路车辆的增多随之而来的交通事故和道路拥堵问题也不断困扰着城市交通的发展。基于LORA优异的信号覆盖提出一种智慧道路方案解决某些存在的道路突发状况和拥堵问题。 应急终端：当发生交通事故或车与遇到车辆抛锚等情况时可通过安装在路灯杆上的应急终端按钮项向道路管理云平台发送求助信息，由于应急终端内含有该地点的GIS信息，道路管理云平台能准确找到事发地点节约处理事故时间。 道路管理云平台：道路管理云平台主要有两个功能：接收管理应急终端的求助信息；向手机APP客户端发送路况拥堵信息预警，提示车主的路段拥堵情况。 手机APP客户端：车主用户可以通过该客户端收到道路管理云平台发送的路况拥堵信息即使调整行驶路径方案，车主也可以根据自己车辆算在路段向道路管理云平台发送路况信息，这样整个智慧道路管理系统拥有良好的即时性。 3.2.2 基于LORA的智慧安防方案 随着城市的基础建设不断发展，越来越多的高楼大厦拔地而起，与之相伴的消防问题也随之而来。目前在传统的城市消防系统存在种种问题，如：消防栓，消火栓故障及缺失不能即使发现；火情发现和处置滞后酿成灾祸；或请报警系统布线施工复杂等。 基于LORA技术的智慧消防方案，包括智能烟感报警器，消防栓监控系统等。 传感器终端：传感器终端又可细分为防火传感器终端，消防设施故障检测终端以及报警终端。防火传感器终端主要是智能烟感报警器使用LORA通信，发现火情立即声光报警并向消防监控云平台发出火情信息。消防设施故障检测终端通过传感器用来检测消防栓水压等参数以及报警器的电路是否损坏，及时将故障信息报告给消防监控云平台。而报警终端在发生火情时可以通过手动按钮直接通过LORA通信通知119火警指挥中心并传送内部存有的GIS数据信息来准确定位。 消防监控云平台：消防监控云平台用来管理各个终端的数据信息如消防栓水压等参数以及报警器的电路信息分析各个参数用于故障监测。该平台还管理防火传感器终端实时信息，如有发生火情，平台立即将向119火警中心发送防火传感器的GIS信息。 119火警指挥中心：通过终端和云平台发送的即时信息可迅速做出灭火扑救方案，及时赶到火灾现场减小火情带来的损失以及组织火灾进一步的扩大。 4 结 语 我国正处于城市化高速发展之中，高速的城市建设与发展带来了诸如高耗能，高拥堵，高排放等问题。此外，复杂的城市运营管理往往是高成本，高功耗，不易管理。将物联网技术和和城市综合管理相结合能有效改善城市管理。而NB-IoT，LORA技术为代表的广覆盖、低功耗、低成本、大连接特性的传输技术为城市综合物联网体系应用的具体试试带来了可能性。相信NB-IoT、LORA技术会在智慧城市建设中发挥越来越重要的作用。 主要参考文献 [1]黄海峰. 电信、ofo、华为联手发掘NB-IoT共享单车“金矿”[J]. 通信世界，2017（6）：46. [2]王明浩，吴韶波. 基于智慧城市建设的NB-IoT应用研究[J]. 物联网技术，2017，7（7）：79-82. [3]范乐昊，陈千. NB-IoT解决方案及应用研究[J]. 江苏通信，2016，32（6）：51-53. [4]米沃奇. NB-IoT为物联网产业发展开辟新道路[J]. 电脑知识与技术，2016（6）：114-115. [5]严益强. NB-IoT技术简介及其在智慧城市中应用研究[J]. 广东通信技术，2016，36（11）：6-8. [6]邹玉龙，丁晓进，王全全. NB-IoT关键技术及应用前景[J]. 中兴通讯技术，2017，23（1）：43-46. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。