物联网LPWA通信技术(1):NB-IOT通信特点及主要场景应用

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​编辑导语:随着科技的发展,除了我们平常用到的网络之外,还有一个连接设备与设备之间的物联网;它把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理;本文作者分享了关于物联网LPWA通信技术,我们一起来看一下。

01 什么是NB-IoT?

要明白什么是NB-IOT,我们首先要了解什么是低功耗广域网,它的英文全称为Low Power Wide Area Network(简写:LPWAN)  ,即低功耗广域网络,是区别于我们日常所熟知的3-4-5G远距离通讯网络;它是一种远距离低功耗的无线通信网络技术,主要包含NB-IOT、LoRa、Sigfox、eMTC四种,其中NB-IOT、LoRa近年来备受市场的关注和追捧尤其是NB-IOT。

我们都知道物联网是万物互联,随着我们第6版互联网协议(IPv6)的诞生,支持2^128个网络地址,就意味着地球上每平方英寸可分配4.3×10^20网络地址,而这为每一个物联设备尤其是传感器都能分配一个网络地址扫除了障碍。

未来每一个设备都能够基于自己的网络地址实现“上网”、与其他设备“交流”,我们日常接触的3-4-5G,主要是用于人与人之间的网络通讯;而LPWAN存在的意义我们可以理解为,为设备之间的通讯打好通信网络基础,而且这种通讯技术具有网络覆盖范围广、终端功耗低等特点比较适合大规模的物联网应用部署。

说完LPWAN,开始来介绍其中的主角,NB-IOT。

NB-IOT全称之为Narrow Band-Internet of Things,窄带物联网;基于蜂窝网络,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,部署成本低;它的传输距离可达十几公里,每个网络单元可以支持接入50,000个设备终端。

速度方面,NB-IoT的频射网络带宽为200kHz。传输速率一般在160kbps-250kbps之间;又由于NB-IOT通讯结构及设备本身的数据接收及上报模式的设置等因素,NB-IOT通讯常会具有10s内的传输延时。

02 NB-IoT组网通讯及工作方式?

NB-IoT通讯通常具有以下几个部分:

  1. NB-IoT通讯模块:具有NB-IoT通讯模块的相关设备就可具备NB-IoT通讯能力;
  2. 供电模块:设备运行需要用电。对时延有高要求的业务需要采取持续有线供电,如智慧路灯;若是对时延要求不高的业务场景,则会采用纽扣电池或家里常见的5号电池,如埋在地下的用电池的NB-IoT水表,一用就是3-5年。
  3. 物联网卡:给设备上网用的流量卡,用于设备通讯,可对应理解为人们上网需要开通流量包;
  4. NB-IoT通讯基站:NB-IoT设备获取到的信息需要发送给专门的NB-IoT基站,不支持自组网模式;目前国内的3大运营商甚至华为等厂商都已经在积极布局NB-IoT基站,国外如沃达丰、德国电信、日本软银等十几家运营商也都纷纷入局参与NB-IoT基站网络的建设。
  5. 用户服务器:基站收到设备的数据发送到对应的用户服务器,并基于服务器的数据在对应的PC、手机APP端进行相关的数据管理及页面展示。

NB-IoT三种工作模式

设备除了本身上报数据之外可能还需要进行相应的业务动作,如关煤气阀门等,这时候操作指令需要下发至设备,被设备接收并执行;但是发送指令首先要搜索到相关设备,于是就存在了以下几种工作模式。

模式一:随时待命模式

DRX,随时接收数据,和随时监视一样,所以耗电量最高,(DRX待机功率约为1mA),但随时可以搜到设备。

模式二:间歇性休眠偷懒模式

eDRx:是指打开网络一段时间,然后关闭网络一段时间;数据on时可以接收,但停止时不能接收;停止时间可以设定为数十秒到数小时(每隔5分钟eDRX的待机功率约为0.2mA)——睡眠不工作、省电,找到设备需要几分钟甚至1-2h。

模式三:间歇性休眠偷懒模式PLUS+

PSM:eDRX省电升级版,降低eDRX交换网络的频率,低到每隔几天开放一次网络的程度,找到设备可能需要一两天时间;同样,网络打开时可以接收数据,但网络没有打开时不能接收数据(在PSM模式下,待机功耗是微安全级别,在这种情况下,“一个电池一般可用5年”)。

总结:

各种模式的存在的核心还是在于满足各场景应用需求、最大限度的降低设备运行能耗,延长设备工作时间和寿命。

各模式可转换,通过相关传感器实现工作状态的切换,如加速度传感器、动作切换触发器;如智能井盖,加速度传感器检测到反转,可以由“偷懒休息模式”切换到DRX(随时待命)模式,随时准备上报最新的井盖状态,做好安全防范。

03 NB-IoT适用于什么条件?哪些场景、?

NB-IoT网络通讯比较适合于终端较为分散、环境网络信号不好、没有稳定电源、传输速率要求相对较高、中&高频上行数据传输等情况。

主要场景应用有,共享单车、智慧门锁、智慧路灯、智慧监控、水电抄表、智慧烟感等。

04 NB-IoT典型应用介绍——水电抄表

NB-IoT通讯技术,目前在能源电力行业应用的最为成熟,只要装一个具有NB-IoT通讯模块的水电表就能实现远程抄表,而且NB水电表通常都是通过电池来进行供电。

一般来说,NB水、电表设备15分钟(可DIY)采集一次实时数据,既每天96个数据,数据可以通过既定的协议采取实时发送(比较耗电),也可以一天上报一次,几天上报一次都可以,只需要将采集好的数据打包好就行。

如图,水电表将收集上的数据定时定点通过NB-IoT通讯模块上传到NB-IoT通讯基站,由基站将收到的数据发送到对应的服务器上;并且PC管理后台、手机应用端都是基于服务器来进行相应的数据展示及管理。

05 NB-IoT优、缺点?

NB-IoT优点:

  • 连接多:每个单元可以支持50,000个设备终端连接管理。
  • 信号好:NB-IoT比LTE提升20dB增益,相当于发射功率提升了100倍,即覆盖能力提升了100倍,即使将水表埋在人孔的复盖下,NB-IoT也不会影响信号的收发。
  • 不需要网关组网:成本低、组网运行更灵活、简单。
  • 低功耗:待机可用10年。

NB-IoT缺点:

  • 高密度网络不适合使用中央管理模式,一个单元可以支持100,000个NB-IoT终端访问,轮训增加系统负担。
  • 模块成本高:相较而言,NB-IoT模块比ZigBee、lora等芯片NB-IoT更贵。
  • 相关人力及实施成本如:如硬件成本、安装成本、服务成本较高。

 

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题图来自Unsplash,基于CC0协议。

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