王明浩++吴韶波

摘 要：城市的快速化发展带来了交通堵塞、环境污染等一系列严峻的挑战，其中智慧城市作为传统数字城市进化形成的高级形态，为解决城市发展问题，创造良好的生活环境提供了更好的机遇，将成为城市治理模式创新的重点。智慧城市的发展离不开物联网。NB-IoT作为即将到来的5G时代的三大标准之一，主要面向物联网场景，以其容量低、覆盖广、成本低和功耗低等优点在智慧城市建设中扮演着重要角色。文中简要介绍了NB-IoT技术，并详细探讨了其在智慧城市建设过程中的实际应用。

关键词：智慧城市；物联网技术；NB-IoT；5G

中图分类号：TP391；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）07-00-04

0 引 言

智慧城市是以最新一代物联网科技为基石打造的高度现代化的城市状态。在互联网媒体、AIP、Living Lab等途径的辅助下，城市将具备无时不有的互联、无处不在的感知，高度智慧型的应用以及全面协调可持续的创新等特征。其实质是将万物互联的思想理念通过现代信息技术在城市建设中予以实现，以期达到对城市的智能化管理，提高城市居民的生活品质，便利人们的日常生活。

物联网即物与物相连的网络，以传统互联网为框架，将网络定义延伸至任意物品之间的通信和互联。从技术手段层面上说，物联网主要分为网络层、应用层和感知层。感知层如同人类神经系统中的神经末梢，遍布低功耗传感器，用于采集原始信息和起到对物体进行认知的作用。网络层就好比人类的神经元，由四通八达的通信网络组成，负责对“神经末梢”收集的信息进行传递和加工。应用层为用户和物联网之间搭建了一个桥梁，通过对市场需求的精确分析，为用户提供智能化的应用。

物联网技术是实现城市信息化、智能化的必要工具和手段，而智慧城市也是物联网行业发展的重要目标之一。二者相辅相成，相互促进。

1 NB-IoT技术

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）即基于蜂窝的窄带物联网，作为传统蜂窝网络的升级，它可由电信运营商直接部署在传统LTE网络上，升级较为方便且只占用大约180 kHz的频带。即将到来的5G时代要求我们实现高可靠低时延的数据通信、移动宽带的极大增强和万物之间的信息互联，而万物互联网的一个重点发展方向便是NB-IoT。

NB-IoT的诞生是为了迎合现阶段物联网部署对支持大系统容量大规模连接的强烈需求，它要求我们在尽可能降低信令开销的同时，保证低成本低功耗设备在广域网中实现高质量的蜂窝互联。

物联网组网技术分为有线和无线两种类型，基于蜂窝网络的NB-IoT属于低功耗广域网，即无线组网中的长距离无线通信技术。

NB-IoT上行链路采用了具有單载波特性的SC-FDMA多址方式，使用BPSK或QPSK进行调制。为了使NB-IoT终端功耗尽可能降低以延长设备待机时间，上行链路引入了单频传输模式，单频传输模式共占用48个子载波，除了原来LTE网络中规范的15 kHz子载波间隔，还重新加入了3.75 kHz的子载波间隔以求达到更大的系统容量。上行链路传输理论速率约在160～200 kb/s之间。与单频模式对应的多频模式子载波间隔为15 kHz，传输速率在160～250 kb/s之间。相比而言，多频方式能达到更高的峰值速率，而单频方式能有效降低终端功耗，实现更大的容量和更广的覆盖。

NB-IoT下行链路为了尽可能与现有LTE下行链路保持一致以便平滑升级，采用了间隔为15 kHz的OFDMA子载波，调制方式为QPSK，传输速率在160～250 kb/s间，最多有AP0和AP1两个天线端口可以支持。

NB-IoT和传统网络相比具有更低的设备功耗、更广的信号覆盖、更低的硬件成本、更大的系统容量。

1.1 大容量

随着物联网设备数量的不断增多，现有的TD-LTE和FDD-LTE网络显然无法继续承担连接这些设备的艰巨任务，网络容量的增加刻不容缓。NB-IoT技术的引进使得网络容量比现有的蜂窝网络容量理论上增加了50～100倍，而将近十万个设备可以在NB-IoT的一个基站覆盖下使用。

1.2 广覆盖

NB-IoT室内覆盖能力极强，测试结果显示，NB-IoT在采用独立部署模式的情况下，能达到约160 dB的覆盖强度。在180 kHz传输带宽下比传统网络增强了100倍的覆盖能力，与WiFi等现有短距离传输技术相比更具有十分突出的优势。可对广大农村地区，工厂厂房，水库河流，下水道等地域偏远、信号不易覆盖的地方进行深度覆盖。

1.3 低功耗

NB-IoT设备功耗极低，由于网络的覆盖能力强，上行链路又加入了单频模式，其极限发送功率比GPRS极限发送功率降低了约90%。同时芯片模块在制造工艺的发展下进一步优化升级，实现了低功耗低电流运作，进一步延长了设备的待机时间，使位于高山荒漠等偏远地区的传感器设备在恶劣的自然环境下也能拥有数年之久的续航。

1.4 低成本

NB-IoT由于不仅具有速率低，功耗低，信令简化等特点，其硬件成本也比传统通信模块低廉，芯片价格预计均为五美元，目前市场上3G通信模块均为十几美元，4G通信模块则需二十多美元，因此低成本的NB-IoT设备将在市场上更具有价格竞争力。

2 NB-IoT网络架构

NB-IoT网络由NB-IoT终端，NB-IoT基站，NB-IoT核心网，NB-IoT云平台和垂直行业中心组成，其网络结构如图1所示。

图1 NB-IoT网络结构

（1）NB-IoT终端

NB-IoT终端主要由各种物联网通信设备组成，包含各种传感器和嵌入式芯片，可以方便快捷地接入NB-IoT网络中为用户服务。

（2）NB-IoT基站

NB-IoT基站支持独立部署、保护带部署、带内部署三种部署方式。独立部署即NB-IoT网络利用与LTE频带不相重叠的独立频带进行部署，可以利用带宽为200 kHz的GSM频段进行NB-IoT网络部署。保护带部署指使用目前还没有被开发的LTE网络边缘频段中的180 kHz带宽来部署网络。带内部署即直接使用LTE频带中的任意资源块对网络进行部署。基站的建设要充分考虑区域特点，在降低建设成本的同时提高资源利用率。

（3）NB-IoT 核心网

NB-IoT核心网负责NB-IoT基站和云之间的连接，它在移动性和安全性等方面的表现要大大优于传统网络，并且能够高效进行流量调度和拥塞控制。

（4）NB-IoT 云平台

NB-IoT云平台负责对各种业务进行处理和调度，比如应用层协议栈的适配及对大数据的分析等。处理后的信息将会被传递给NB-IoT终端设备或垂直行业中心。

（5）垂直行业中心

垂直行业中心可对NB-IoT终端进行控制并监测业务数据。

3 基于NB-IoT的智慧城市应用

NB-IoT技术的业务适用范围主要包括设备待机时间较久，信号覆盖领域较广，对时延敏感程度较弱，系统容量较大的低速率应用，相对而言更加适合静态环境业务或需要实时传输数据的业务场景。

GSM联盟识别了共7大类24小类的低功耗广域网应用类型。

3.1 城市基础设施

城市基础设施包括智慧停车场、智能垃圾桶、智能公交车站、智能路灯管控等。以智慧停车系统为例，作为智慧城市的重要基石，智慧停车场虽然十分基础但却不可或缺。我国汽车制造业的蒸蒸日上与汽车市场的一片红火密不可分。快速增长的汽车数量与有限的停车资源之间的矛盾愈演愈烈，停车难、停车贵成为了困扰万千车主的心病。在不久的将来，智慧停车系统必然遍布大街小巷。

传统智慧停车场可借助停车场安装的智能感应装置，与进入停车场的用户智能手机进行数据通讯，用户通过手机App将请求参数发送至停车场管理后台，由后台管理系统进行实时调度，将车位信息和导航信息传回用户手机，同时对停车场内所有行驶车辆进行跟踪定位，合理疏导车流，以防发生事故。

由于停车场多处于商场负一层，网络信号覆盖较差，对于车主而言，需要实时接收到后台系统的导航信息以保证行车安全，因此传统网络可能无法满足用户需求。

NB-IoT的一个突出优势就是比传统LTE网络覆盖深度更深，基于NB-IoT技术的智慧停车系统通过对现有蜂窝网络进行优化升级，无需重新部署，其信号覆盖强度是GPRS网络的100倍，是现有LTE网络的10倍，接入能力更大大强于其他技术，即使在地下车库也可以使车主实时不间断地接收后台信息。

车检器采用NB-IoT硬件设备，具有超强的抗干扰能力，同时大大降低了设备成本，NB-IoT设备功耗较低，寿命长达数年之久。电池电量如果低于阈值，便会由数据中心及时发出预警，维修人员快速进行电池更换，平均一人仅半天就可更换100个电池。

3.2 工业物联网应用

工业物联网应用包括煤炭与石油的开采监控、设备的工作状态监控、工厂作业安全监控等。城市的建设离不开工业的发展，而工业厂房的信息互联既是安全作业的必然要求也是城市信息化的重要体现。工业互联网是集高级分析，精确计算和传感技术于一体的特殊互联网。众多密切关联的工业系统之间需要时刻保持通讯，并对数据的收集和转发进行统一管理。为了刺激工人的积极性以保证工厂的生产效率，需要对工厂进行实时监控，因此工业物联网对网络的可靠性有很高的要求。

目前以西门子为典型的工业控制系统均使用有线网络，工厂会逐步在生产线上嘗试使用无线连接技术以优化制造流程，可是目前像WiFi这样的无线连接技术的可靠性较低，存在严重的安全隐患。

NB-IoT的诞生为工业互联网应用带来了强有力的技术支持。由于NB-IoT网络是由原LTE网络升级而来，因此保留了4G网络的安全性能。为保证使用者数据的安全，NB-IoT网络还支持空口严格加密和双向鉴权技术。基于NB-IoT窄带集群的无线工厂解决方案使用了操作简单易于管理的先进工业级设计，厂房内各类业务的不同需求都能得到完美的技术支持，以达到工业园区的智能互联，机器运转的安全监控及工人工作的效率监督。NB-IoT网络可以为各类型的企业建立持续性强、可靠性高、安全性好、实时通讯的无线通信网络，为工厂信息化打下坚实的基础。

3.3 医疗行业的应用

医疗行业的应用包括智能穿戴设备、智能血压计、智慧医院、智能临床监控等。在可以预见的未来，医疗行业也将成为物联网技术大放异彩的舞台。人工智能将把医疗服务业推上一个新高度。

医疗行业以智能血压计为例，智能终端将测量数据通过无线网络自动上传至数据中心进行整理和分析，同时生成便于老人读懂的健康分析和图表报告并给出相关建议，分析结果被发送至用户的手机App，使用户可在任何时间任何地点获取自己及家人的身体健康状况。

传统智能血压计基于GPRS网络进行数据传输，在许多信号覆盖不好的地方，用户数据不易发送至云端，严重影响用户的使用体验。

NB-IoT技术具有硬件价格低廉，功耗低的优势，且其室内覆盖性极好，远远强于GPRS网络，能够提供电信级的可靠接入。使用了NB-IoT技术的智能血压计具有极强的抗干扰能力，即使在恶劣环境下也能及时将用户的健康信息上传。

3.4 城市公共事业

城市公共事业包括智能水表、气表、电表等。在智能电、水、气表等领域相关的公司和部门要求在延迟较低的情况下进行高频次、高速率的通信。供电公司和供水公司等需要计算用户的使用量并计费，同时对用户线网进行实时监控以便发现安全问题，如漏水、漏电、漏气可以及时应对处理。

以智能气表系统为例，该系统由数据中心、数据采集器和户机终端组成。数据中心负责对采集到的数据进行保存和分析，同时将分析结果返回给用户。

数据采集器用于对用户信息进行实时采样、故障判断，并将采集到的数据传递给数据中心。数据采集器与户机终端之间采用多芯电缆完成消息传输。户机有直读远传户表和燃气泄漏报警器等。直读远传户表可将用户使用量等数据直接反馈给用户，当系统检测到室内可燃气体浓度超标时，报警器会鸣笛示警，阀门自动关闭，系统生成错误报告在屏幕上显示。

由于这些智能气表由电源供电，所以并没有超低功耗和长电池使用寿命的需求，但传统网络的可靠性和容量则远远逊色于NB-IoT网络。对于小区里的一幢公寓楼来说，少则有上百个智能气表需要接入网络，而随着智能家居的普及，越来越多的设备都将接入网络，传统网络资源将越发吃紧，为了服务更多用户，NB-IoT网络无疑是更好的选择。另外从智能表需要进行高速传输和频繁通信这两个角度来说，NB-IoT也更加符合智能表的需求。

3.5 后勤保障

后勤保障包括智慧物流追踪、智慧物流车辆调度等。伴随着工业4.0发展理念的形成和“互联网+”的新常态经济模式的提出，我国现代化物流服务体系也在逐渐健全，低功耗传感器等各种技术应用如雨后春笋般出现，智能化物流产业逐步取代了古老的物流模式。物流企业可以根据定位需要在运输车、物流分拣站、物流仓库安装低功耗传感器，将收集到的信息数据汇集成一个全新的物流信息云，形成连接人、货、车及数据管理中心的全过程可视化物联网追踪体系。

由于智慧物流系统的数据采集和跟踪大约只需100 Kb传输量，因此更适宜采用数据传输量较小的NB-IoT技术。基于NB-IoT技术的传感器結构简单，安装便利，无需布线就可接入网络。NB-IoT与GPS技术相结合，能够实现精度小于10m的定位，并且能够在物流运送周期内进行实时监控。由于NB-IoT网络由电信运营商经营，无需集中器或网关，对于厂商和业主来说，仅关心自己的核心业务即可，无需关心网络维护，用户可以更加灵活地获取自己想要的数据。

3.6 智慧建筑

智慧建筑包括报警系统、采暖通风与空调系统等。建筑的智能化要求我们在建筑中加入温湿度、安全、有害气体等传感器并定时将监测到的数据上传，用户可使用手机App遥控建筑内的各项环境参数使其达到适宜人居住的范围。

以智慧建筑中的智慧空调系统为例，空调应当包含温度控制，湿度控制，气流速度控制，空气洁净度控制等几个主要功能。对于居民住宅，空调系统需要时刻保持房间内的空气湿度、环境温度在一个合适的范围内变化，而对于养殖场、农场等特殊场所，由于生产需要，必须让环境内的各项参数按照一定的函数规律变化以增加产量，因此要支持人工设置变化函数的功能。

空调作为南方家庭夏天消暑降温的必备电器，其价格的高低是决定其能否进入普通百姓家庭的关键因素，如果一台智能空调的价格高达数万元，那么就失去了普及和便民的意义。现如今，市场上的普通空调动辄要四五千元，更不必说加入了3G、4G模块和各种传感器的智能化空调了。NB-IoT芯片价格低于2G主芯片，在大规模使用情况下，单块成本可降至1美元，其模块价格也仅需2美元，远远低于GPRS和3G、4G模块。运营商维护成本较传统网络低许多，且政府会出台相关政策提供一定的补贴，大大降低了智能空调的市场价格。

3.7 环境监控

环境监控包括污染、噪音、雨、风、河流流速、健康危害、数据搜集与实时监控等。我国幅员辽阔、河流、湖泊、地下水分布广泛，需要对工业用水，农业用水以及饮用水等水质进行监控，且检测标准不一，具有监测点多，监测面广，监测量大等特点。

以水库的水质检测系统为例，水库作为城市饮用水的大水缸，其水质关系着千万群众的身体健康。传统的水质监测系统通过在水库中投放很多嵌入水质监测传感器的浮标来获取该片水域的水质参数数据，并通过GPRS将数据传回数据中心以供分析，以便及时监测水库的水质情况。

分布于水库中的传感器数量多，分布面积广，且水库常常远离居民区，运营商不可能大面积布网，信号的强度和覆盖也是问题。

NB-IoT硬件的超低功耗和超长待机可以满足传感器在河流湖泊中长达数年的使用。NB-IoT创造性地引入了PSM （Power Saving Mode，PSM）模式，虽然终端设备依旧注册在线，但信令却不可达，从而使设备较长时间停留在一个深度睡眠的状态以达到节省功耗的目的。同时NB-IoT在野外的超强覆盖能力也决定了它是水库水质监测系统的不二选择。

4 结 语

随着城市信息基础设施建设的日渐成熟，人们对城市智慧化的需求也越来越迫切。对物联网这一智慧城市的关键技术的研究更是箭在弦上。NB-IoT将改变物联网M2M行业标准不统一的现状，刺激物联网产业迎来爆炸式发展。可以预见，在不久的将来，NB-IoT在智慧城市建设中扮演的作用会越来越重要，并就此开启万物互联的新领域、新时代。

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