淺析NB-IoT技術(shù)和LoRa技術(shù)在智能抄表中的應(yīng)用

引 言

隨著信息化的日益普及，當(dāng)今社會(huì)已步入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)， 已成為新一代信息技術(shù)的重要組成部分。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWA）技術(shù)能夠解決物聯(lián)網(wǎng)通信層長(zhǎng)距離與低功耗的矛盾， 未來(lái)將成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域中的重要組成部分。

智能抄表是低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用場(chǎng)景之一，對(duì)系統(tǒng)成本、性能、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度、時(shí)效性、壽命等具有較高要求。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在針對(duì)智能抄表系統(tǒng)的通信解決方案中具有很大的優(yōu)勢(shì)，可滿足物聯(lián)網(wǎng)中遠(yuǎn)距離和低功耗的通信需求。目前低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可分為兩類(lèi) ：非授權(quán)頻段技術(shù)， 如LoRa，SigFox 等；授權(quán)頻段技術(shù)，如 NB-IoT，LTE Cat-M 等。工作于授權(quán)頻譜下，3GPP 支持 2G/3G/4G 蜂窩通信技術(shù)。其中LoRa 技術(shù)和 NB-IoT 技術(shù)是大家普遍關(guān)注的熱點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 技術(shù)特點(diǎn)分析

1.1 LoRa 技術(shù)特點(diǎn)

LoRa（Long Range，LoRa） 是 LPWAN 成 熟 的 通 信 技術(shù)中的一種，是 Semtech 公司研發(fā)的基于 1 GHz 以下的 超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。LoRa 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主 要為 LoRaWAN，該協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。 LoRaWAN 的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要為星狀網(wǎng)架構(gòu)，通信距離可達(dá) 15 km 以上（與環(huán)境有關(guān)），在空曠地方甚至更遠(yuǎn)。其具體技 術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表 1 所列。

1.2 NB-IoT 技術(shù)特點(diǎn)

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）是在 3GPP release13 立項(xiàng)的應(yīng)用于低功耗廣域網(wǎng) （LPWA）市場(chǎng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，只消耗約 180 kHz 帶寬，直接部署于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，UMTS 網(wǎng)絡(luò)或 LTE 網(wǎng)絡(luò)，可降低部署 成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

（1）覆蓋廣。NB-IoT 的覆蓋范圍相比傳統(tǒng) GSM 網(wǎng)絡(luò)提 升了 20 dB。按照覆蓋面積計(jì)算，一個(gè)基站可以提供 10 倍的 面積覆蓋。

（2）支持海量連接。相較于現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)，NB-IoT 提供 了 50 ～100 倍的接入數(shù)量。一個(gè)扇區(qū)能夠支持 10 萬(wàn)個(gè)連接。

（3）低功耗。NB-IoT 通信模組電池待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)，可以 獨(dú)立工作 10 年。

（4）低成本。NB-IoT 模組的成本不超過(guò) 5 美元，NB- IoT 技術(shù)在降低設(shè)備成本與設(shè)備功耗的同時(shí)，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

NB-IoT 的技術(shù)特點(diǎn)如圖 1 所示。

2016 年，工信部批準(zhǔn)中國(guó)電信使用低頻段 800 MHz 作為L(zhǎng)TE 和 NB-IoT 廣域覆蓋的方案。基站同時(shí)支持LTE 和 NB- IoT 與 800 MHz LTE 基站共享基帶、射頻及天饋資源。中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通部署在 900 MHz，1 800 MHz 頻段， 用于NB-IoT 和VoLTE。

NB-IoT 載波頻寬為 200 kHz，除去保護(hù)帶后有效頻寬為 180 kHz， 相當(dāng)于LTE 系統(tǒng)的 1 個(gè) RB。下行子載波間隔15 kHz，與現(xiàn)有 LTE 系統(tǒng)兼容。目前全球 NB-IoT 大部分部署在 1 GHz 以下，多在 800 ～900 MHz 之間。NB-IoT 支持圖 2 所示的 3 種工作模式。

(1) 獨(dú)立模式（Stand-alone），為 NB-IoT設(shè)置獨(dú)立的載波，占用了 200kHz帶寬，其中射頻帶寬為 180kHz，保護(hù)帶帶寬左右各 10kHz；

(2) 保護(hù)帶模式（Guardband），NB-IoT 工作于LTE系統(tǒng)的保護(hù)帶，占用180kHz帶寬；

(3) 帶內(nèi)模式（In-band），NB-IoT占用LTE載波的任意一個(gè)物理資源塊PRB，但邏輯上仍是獨(dú)立系統(tǒng)。

圖 2 NB-IoT 支持的 3 種工作模式

1.3 NB-IoT和LoRa技術(shù)對(duì)比

NB-IoT 和LoRa 主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表 2 所列。

根據(jù)上述分析可知，NB-IoT 和 LoRа最主要的差別在于 網(wǎng)絡(luò)部署和頻段利用的差異 ：從頻率資源來(lái)看，NB-IoT 頻段 穩(wěn)定，已成為窄帶物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT 帶寬窄， 可利用 LTE 帶內(nèi)和保護(hù)帶帶寬資源，無(wú)需單獨(dú)申請(qǐng)或拍賣(mài)頻 率 ；從網(wǎng)絡(luò)部署來(lái)看，可在現(xiàn)有 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上升級(jí)，利 用 LTE 已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和全球廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡， 快速升級(jí)支持 NB-IoT 發(fā)展。NB-IoT 可與 LTE 共設(shè)備，基于 已有 LTE 網(wǎng)絡(luò)快速升級(jí)，無(wú)需單獨(dú)建網(wǎng)，射頻和天線可復(fù)用， 運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)自身頻譜資源和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)情況，選擇合適的工 作模式，通過(guò)新建或網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的方式部署 NB-IoT 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

2 基于 LoRa 技術(shù)和 NB-IoT 技術(shù)的遠(yuǎn)程智能抄表網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 對(duì)比分析

2.1 基于 LoRa 技術(shù)的遠(yuǎn)程智能抄表網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

LoRa 主要工作在非授權(quán)頻段，主要由終端（內(nèi)置 LoRa 模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱(chēng)基站）、云等組成。基于 LoRa 技術(shù)的遠(yuǎn)程 智能抄表系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕ㄋ姎獗砑芾硐到y(tǒng)、 終端采集節(jié)點(diǎn)即水電氣表（含 LoRa 射頻模塊）、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)、 LoRa 網(wǎng)關(guān)、云平臺(tái)等。具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3 所示。終端 采集節(jié)點(diǎn)采集水電氣表的用量信息和狀態(tài)信息，LoRa 網(wǎng)關(guān)將 采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)或者以專(zhuān)線的方式傳到云平臺(tái) 和水電氣集抄管理系統(tǒng)，組成 3 級(jí)通信組網(wǎng)架構(gòu)。LoRa 網(wǎng)關(guān) 和終端采集節(jié)點(diǎn)之間采用 LoRa 無(wú)線一對(duì)多的通信方式進(jìn)行連 接和通信。

2.2 基于 NB-IoT 技術(shù)的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)

NB-IoT 工作在授權(quán)頻段，基于 NB-IoT 技術(shù)的遠(yuǎn)程智能 抄表系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 4 所示。該系統(tǒng)主要由終端 采集節(jié)點(diǎn)，帶 NB-IoT 通信模塊的水電氣表、NB-IoT 通信基 站、NB-IoT 核心網(wǎng)、NB-IoT 管理云平臺(tái)、客戶端網(wǎng)絡(luò)管理系 統(tǒng)、集抄管理系統(tǒng)等構(gòu)成。終端采集節(jié)點(diǎn)通過(guò) NB-IoT 通信模 塊搜尋附近的 NB-IoT 通信基站，將采集到的水電氣表的用量 信息和狀態(tài)信息上傳至 NB-IoT 核心網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，同時(shí)， 終端采集節(jié)點(diǎn)也可以接收來(lái)自云平臺(tái)的控制數(shù)據(jù)消息?？蛻舳?網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)從 NB-IoT 管理云平臺(tái)獲取實(shí)時(shí)抄收到的居民用 水 / 電 / 氣數(shù)據(jù)，監(jiān)控各居民的實(shí)時(shí)使用情況，水電氣公司通 過(guò)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，可對(duì)用戶用水 / 電 / 氣進(jìn)行實(shí)時(shí)階梯調(diào)價(jià)控 制，向居民推送每月的使用量情況和扣費(fèi)情況等。

由于 NB-IoT 使用運(yùn)營(yíng)商頻段，因此通信運(yùn)營(yíng)商可實(shí)時(shí) 獲悉每一戶居民的用水 / 電 / 氣情況，通過(guò) NB-IoT 管理云平 臺(tái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商對(duì)水電氣公司的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量管理和增值業(yè)務(wù)管理， 保證了其 QoS，同時(shí)大大降低了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)難度和成本。

2.3 對(duì)比分析

綜上分析，基于 NB-IoT 的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)較 LoRa 更 勝一籌 ：

（1）部署更方便，成本更低 ：采用 NB-IoT 部署遠(yuǎn)程抄 表系統(tǒng)，只需將含有 NB-IoT 的模塊安裝在智能表中，即可與 運(yùn)營(yíng)商基站實(shí)現(xiàn)通信，無(wú)需部署相應(yīng)的匯聚網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)運(yùn) 營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)將采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳送至水電氣集抄管理系統(tǒng)， 可實(shí)現(xiàn) 2 級(jí)通信組網(wǎng)架構(gòu)，降低了網(wǎng)絡(luò)部署工作量。后續(xù)擴(kuò)容 亦無(wú)須考慮網(wǎng)絡(luò)兼容性問(wèn)題。而 LoRa 網(wǎng)絡(luò)除了需要在智能表 中安裝 LoRa 射頻模塊，還需要根據(jù)電表的數(shù)量部署相應(yīng)的 匯聚網(wǎng)關(guān)，部署復(fù)雜度與成本較高。

（2）使用環(huán)境更安全：NB-IoT 使用運(yùn)營(yíng)商頻段，加密性好， 環(huán)境整潔。LoRaWAN 使用免費(fèi)的非授權(quán)頻段，且采用異步通 信協(xié)議，是電池供電能量有限與低成本的最佳選擇。LoRa 和 LoRaWAN 協(xié)議在處理干擾、網(wǎng)絡(luò)重疊、可伸縮性等方面具有 獨(dú)特特性，但無(wú)法提供類(lèi)似蜂窩協(xié)議的服務(wù)質(zhì)量（QoS）信息。

（3）網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量管理優(yōu)化 ：運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和管理， 降低企業(yè)成本，提供運(yùn)營(yíng)商級(jí)別網(wǎng)絡(luò)保障。運(yùn)營(yíng)商可基于已 有網(wǎng)絡(luò)快速搭建一張具有連續(xù)深度覆蓋、低成本、低功耗、 可漫游、質(zhì)量有保障等特點(diǎn)的窄帶專(zhuān)用物聯(lián)網(wǎng)，拓展新興業(yè)務(wù) 領(lǐng)域。LoRa 需要由廠家維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)，雖增加了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用， 但方便對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)管理。

雖然 LoRaWAN 協(xié)議也是公開(kāi)協(xié)議，但在實(shí)際運(yùn)用中， 大多數(shù)廠家對(duì) LoRa 設(shè)備和協(xié)議都有特殊定制，導(dǎo)致兼容性并 不理想。

總體來(lái)看，通過(guò) NB-IoT 搭建穩(wěn)定、安全、高可靠的雙向 通信網(wǎng)絡(luò)后，水電氣公司可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)抄表、在線監(jiān)控、實(shí)時(shí)控 制、實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)分析等功能，減少人力投入，提高運(yùn)營(yíng)效 率，提供更具有針對(duì)性和科學(xué)性的動(dòng)態(tài)管理，有效提高能源 利用和管理水平。

3 NB-IoT 技術(shù)的應(yīng)用情況

3.1 NB-IoT 在智能表中的市場(chǎng)應(yīng)用情況

在政策和網(wǎng)絡(luò)部署方面，中國(guó)政府對(duì) NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè) 給予了大力支持，中國(guó)工業(yè)和信息化部在 2017 年 6月初下發(fā)了 《關(guān)于全面推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設(shè)發(fā)展的通知》，要 求到 2020 年中國(guó) NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的基站規(guī)模達(dá)到 150 萬(wàn)個(gè)，實(shí) 現(xiàn)對(duì)全國(guó)的普遍覆蓋及深度覆蓋。國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商也加快 了建設(shè)步伐，一年內(nèi)，將在全國(guó)部署超過(guò) 50 萬(wàn)個(gè) NB-IoT 基站。 全球 20 多個(gè)國(guó)家在今年底將會(huì)建設(shè) 30 多張 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)。

在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，2017 年 3月份，全球第一個(gè) NB-IoT 智慧水 務(wù)——深圳水務(wù)正式規(guī)模商用，在 2020 年之前將完成 58 萬(wàn) 個(gè) NB-IoT 智能水表的部署 ；6月份，福州智慧水務(wù)項(xiàng)目宣布 正式啟動(dòng)規(guī)模商用部署，30 萬(wàn)個(gè) NB-IoT 智能水表將開(kāi)始部署； 10 月份，鷹潭 10 萬(wàn)個(gè) NB-IoT 智能水表商用上線，標(biāo)志著全 球第一個(gè)萬(wàn)量級(jí)的NB-IoT智能水表商用項(xiàng)目在鷹潭正式落地。

在國(guó)際市場(chǎng)上，葡萄牙 JANZ 公司于 2017 年 7月發(fā)布了 全球首款支持 NB-IoT 的電表，并計(jì)劃在 2020 年前，在葡萄 牙全面部署基于 NB-IoT 的智能水電氣表。意大利也在今年公 布了計(jì)劃，將在 2020 年部署超過(guò) 1 500 萬(wàn)個(gè) NB-IoT 智能水氣 表。丹麥 KAMSTRUP 公司和中國(guó)華為公司一起在南美進(jìn)行 了 NB-IoT 水表的試點(diǎn)工作。

3.2 NB-IoT 技術(shù)在其他典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景中的應(yīng)用

NB-IoT具有窄帶寬、低功耗、廣覆蓋、接入數(shù)量多等特 點(diǎn)。除了在智能抄表業(yè)務(wù)場(chǎng)景中具有優(yōu)勢(shì)外，在城市管理、公 共服務(wù)、智慧家居等行業(yè)也具有廣泛應(yīng)用。

（1）智慧煙感 ：通過(guò) NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)組建聯(lián)網(wǎng)型智能煙霧報(bào) 警器，實(shí)現(xiàn)對(duì)公共場(chǎng)所及家庭住宅火災(zāi)隱患區(qū)域的監(jiān)測(cè)。便于 各地街道辦、居委會(huì)、網(wǎng)格辦等部門(mén)實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，保障 現(xiàn)場(chǎng)人身和財(cái)產(chǎn)安全。

（2）智能井蓋：井蓋監(jiān)控器終端內(nèi)置 NB-IoT 模塊和加速 傳感器等。通過(guò)加速傳感器感應(yīng)井蓋的位移和角度變化，并 通過(guò) NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳，經(jīng)平臺(tái)分析后將告警信息推送 給維修人員。

（3）智能鎖 ：基于 NB-IoT 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能門(mén)鎖的遠(yuǎn)程 開(kāi)啟、開(kāi)門(mén)記錄統(tǒng)計(jì)、異常警報(bào)通知、身份識(shí)別管理、權(quán)限管 理等功能，適用于智慧家庭、智能酒店、智能辦公等領(lǐng)域。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從技術(shù)特點(diǎn)和智能抄表應(yīng)用方面對(duì) NB-IoT 和 LoRa 技術(shù)做了對(duì)比分析，兩者分別有各自的特點(diǎn)和商業(yè)模式，在 IoT 市場(chǎng)上都將有一席之地。但筆者認(rèn)為，有運(yùn)營(yíng)商支持和推 動(dòng)的 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)可以有效減少公共事業(yè)公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維費(fèi)用和 人力成本支出，在智能抄表領(lǐng)域，必將受到越來(lái)越多公共事 業(yè)公司的青睞。