浅析NB—IoT技术和LoRa技术在智能抄表中的应用

谭丹 田仲平 张文涛

摘 要：针对传统抄表系统效率低、成本高等弊端，文中综合分析了LoRa和NB-IoT的技术特点，并基于这两种技术在智能抄表系统中的网络部署，浅析其优势和劣势。同时对NB-IoT技术在智能表市场中的应用情况做了概括，列举了NB-IoT在其他业务场景中的应用。

关键词：低功耗广域网；LoRa；NB-IoT；智能抄表

中图分类号：TP39；TH814.2 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

随着信息化的日益普及，当今社会已步入物联网时代。物联网结合智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，已成为新一代信息技术的重要组成部分。低功耗广域网络（LPWA）技术能够解决物联网通信层长距离与低功耗的矛盾，未来将成为物联网技术领域中的重要组成部分。

智能抄表是低功耗广域网络的典型应用场景之一，对系统成本、性能、数据准确度、时效性、寿命等具有较高要求。低功耗广域网络技术在針对智能抄表系统的通信解决方案中具有很大的优势，可满足物联网中远距离和低功耗的通信需求。目前低功耗广域网络技术可分为两类：非授权频段技术，如LoRa，SigFox等；授权频段技术，如NB-IoT，LTE Cat-M等。工作于授权频谱下，3GPP支持2G/3G/4G蜂窝通信技术。其中LoRa技术和NB-IoT技术是大家普遍关注的热点，具有广阔的发展前景。

1 技术特点分析

1.1 LoRa技术特点

LoRa（Long Range，LoRa）是LPWAN成熟的通信技术中的一种，是Semtech公司研发的基于1 GHz以下的超长距低功耗数据传输技术。LoRa技术的网络层协议主要为LoRaWAN，该协议定义了网络通信协议和系统架构。LoRaWAN的通信系统网络主要为星状网架构，通信距离可达15 km以上（与环境有关），在空旷地方甚至更远。其具体技术特点见表1所列。

1.2 NB-IoT技术特点

基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是在3GPP release13立项的应用于低功耗广域网（LPWA）市场的蜂窝网络技术，只消耗约180 kHz带宽，直接部署于GPRS网络，UMTS网络或LTE网络，可降低部署成本、实现平滑升级。

（1）覆盖广。NB-IoT的覆盖范围相比传统GSM网络提升了20 dB。按照覆盖面积计算，一个基站可以提供10倍的面积覆盖。

（2）支持海量连接。相较于现有无线技术，NB-IoT提供了50～100倍的接入数量。一个扇区能够支持10万个连接。

（3）低功耗。NB-IoT通信模组电池待机时间更长，可以独立工作10年。

（4）低成本。NB-IoT模组的成本不超过5美元，NB-IoT技术在降低设备成本与设备功耗的同时，优化了网络架构。

NB-IoT的技术特点如图1所示。

2016 年，工信部批准中国电信使用低频段800 MHz作为LTE和NB-IoT广域覆盖的方案。基站同时支持LTE和NB-IoT与800 MHz LTE基站共享基带、射频及天馈资源。中国移动和中国联通部署在900 MHz，1 800 MHz频段，用于NB-IoT和VoLTE。

NB-IoT载波频宽为200 kHz，除去保护带后有效频宽为180 kHz，相当于LTE系统的1个RB。下行子载波间隔15kHz，与现有LTE系统兼容。目前全球NB-IoT大部分部署在1 GHz 以下，多在800～900 MHz之间。NB-IoT支持图2所示的3种工作模式。

（1）独立模式（Stand-alone），为NB-IoT设置独立的载波，占用了200 kHz 带宽，其中射频带宽为180 kHz ，保护带带宽左右各10 kHz；

（2）保护带模式（Guard band），NB-IoT工作于LTE系统的保护带，占用180 kHz 带宽；

（3）带内模式（In-band），NB-IoT占用LTE载波的任意一个物理资源块PRB，但逻辑上仍是独立系统。

1.3 NB-IoT和LoRa技术对比

NB-IoT和LoRa主要技术参数对比见表2所列。

根据上述分析可知，NB-IoT和LoRа最主要的差别在于网络部署和频段利用的差异：从频率资源来看，NB-IoT频段稳定，已成为窄带物联网领域新的国际标准，NB-IoT带宽窄，可利用LTE带内和保护带带宽资源，无需单独申请或拍卖频率；从网络部署来看，可在现有4G LTE网络基础上升级，利用LTE已有成熟的产业链和全球广覆盖网络，实现平滑过渡，快速升级支持NB-IoT发展。NB-IoT可与LTE共设备，基于已有LTE网络快速升级，无需单独建网，射频和天线可复用，运营商可根据自身频谱资源和现有网络情况，选择合适的工作模式，通过新建或网络升级的方式部署NB-IoT无线网络。

2 基于LoRa技术和NB-IoT技术的远程智能抄表网络系统对比分析

2.1 基于LoRa技术的远程智能抄表网络系统

LoRa主要工作在非授权频段，主要由终端（内置LoRa模块）、网关（或称基站）、云等组成。基于LoRa技术的远程智能抄表系统总体网络拓扑主要包括水电气表集抄管理系统、终端采集节点即水电气表（含LoRa射频模块）、运营商网络、LoRa网关、云平台等。具体网络拓扑结构如图3所示。终端采集节点采集水电气表的用量信息和状态信息，LoRa网关将采集节点的数据通过运营商网络或者以专线的方式传到云平台和水电气集抄管理系统，组成3级通信组网架构。LoRa网关和终端采集节点之间采用LoRa无线一对多的通信方式进行连接和通信。

2.2 基于NB-IoT技术的远程智能抄表系统

NB-IoT工作在授權频段， 基于NB-IoT技术的远程智能抄表系统总体网络拓扑结构如图4所示。该系统主要由终端采集节点，带NB-IoT通信模块的水电气表、NB-IoT通信基站、NB-IoT核心网、NB-IoT管理云平台、客户端网络管理系统、集抄管理系统等构成。终端采集节点通过NB-IoT通信模块搜寻附近的NB-IoT通信基站，将采集到的水电气表的用量信息和状态信息上传至NB-IoT核心网和物联网云平台，同时，终端采集节点也可以接收来自云平台的控制数据消息。客户端网络管理系统从NB-IoT管理云平台获取实时抄收到的居民用水/电/气数据，监控各居民的实时使用情况，水电气公司通过监测到的数据，可对用户用水/电/气进行实时阶梯调价控制，向居民推送每月的使用量情况和扣费情况等。

由于NB-IoT使用运营商频段，因此通信运营商可实时获悉每一户居民的用水/电/气情况，通过NB-IoT管理云平台实现运营商对水电气公司的网络质量管理和增值业务管理，保证了其QoS，同时大大降低了网络的维护难度和成本。

2.3 对比分析

综上分析，基于NB-IoT的远程智能抄表系统较LoRa更胜一筹：

（1）部署更方便，成本更低：采用NB-IoT部署远程抄表系统，只需将含有NB-IoT的模块安装在智能表中，即可与运营商基站实现通信，无需部署相应的汇聚网关，再通过运营商网络将采集节点采集的数据传送至水电气集抄管理系统，可实现2级通信组网架构，降低了网络部署工作量。后续扩容亦无须考虑网络兼容性问题。而LoRa网络除了需要在智能表中安装LoRa射频模块，还需要根据电表的数量部署相应的汇聚网关，部署复杂度与成本较高。

（2）使用环境更安全：NB-IoT使用运营商频段，加密性好，环境整洁。LoRaWAN使用免费的非授权频段，且采用异步通信协议，是电池供电能量有限与低成本的最佳选择。LoRa和LoRaWAN协议在处理干扰、网络重叠、可伸缩性等方面具有独特特性，但无法提供类似蜂窝协议的服务质量（QoS）信息。

（3）网络质量管理优化：运营商对网络进行优化和管理，降低企业成本，提供运营商级别网络保障。运营商可基于已有网络快速搭建一张具有连续深度覆盖、低成本、低功耗、可漫游、质量有保障等特点的窄带专用物联网，拓展新兴业务领域。LoRa需要由厂家维护和管理网络，虽增加了运营费用，但方便对网络进行维护管理。

虽然LoRaWAN协议也是公开协议，但在实际运用中，大多数厂家对LoRa设备和协议都有特殊定制，导致兼容性并不理想。

总体来看，通过NB-IoT搭建稳定、安全、高可靠的双向通信网络后，水电气公司可实现实时抄表、在线监控、实时控制、实时报警、实时分析等功能，减少人力投入，提高运营效率，提供更具有针对性和科学性的动态管理，有效提高能源利用和管理水平。

3 NB-IoT技术的应用情况

3.1 NB-IoT在智能表中的市场应用情况

在政策和网络部署方面，中国政府对NB-IoT网络的建设给予了大力支持，中国工业和信息化部在2017年6月初下发了《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》，要求到2020年中国NB-IoT网络的基站规模达到150万个，实现对全国的普遍覆盖及深度覆盖。国内三大电信运营商也加快了建设步伐，一年内，将在全国部署超过50万个NB-IoT基站。全球20多个国家在今年底将会建设30多张NB-IoT网络。

在国内市场，2017年3月份，全球第一个NB-IoT智慧水务——深圳水务正式规模商用，在2020年之前将完成58万个NB-IoT智能水表的部署；6月份，福州智慧水务项目宣布正式启动规模商用部署，30万个NB-IoT智能水表将开始部署；10月份，鹰潭10万个NB-IoT智能水表商用上线，标志着全球第一个万量级的NB-IoT智能水表商用项目在鹰潭正式落地。

在国际市场上，葡萄牙JANZ公司于2017年7月发布了全球首款支持NB-IoT的电表，并计划在2020年前，在葡萄牙全面部署基于NB-IoT的智能水电气表。意大利也在今年公布了计划，将在2020年部署超过1 500万个NB-IoT智能水气表。丹麦KAMSTRUP公司和中国华为公司一起在南美进行了NB-IoT水表的试点工作。

3.2 NB-IoT技术在其他典型业务场景中的应用

NB-IoT具有窄带宽、低功耗、广覆盖、接入数量多等特点。除了在智能抄表业务场景中具有优势外，在城市管理、公共服务、智慧家居等行业也具有广泛应用。

（1）智慧烟感：通过NB-IoT网络组建联网型智能烟雾报警器，实现对公共场所及家庭住宅火灾隐患区域的监测。便于各地街道办、居委会、网格办等部门实时了解现场情况，保障现场人身和财产安全。

（2）智能井盖：井盖监控器终端内置NB-IoT 模块和加速传感器等。通过加速传感器感应井盖的位移和角度变化，并通过NB-IoT网络将数据上传，经平台分析后将告警信息推送给维修人员。

（3）智能锁：基于NB-IoT通信技术实现智能门锁的远程开启、开门记录统计、异常警报通知、身份识别管理、权限管理等功能，适用于智慧家庭、智能酒店、智能办公等领域。

4 结 语

本文从技术特点和智能抄表应用方面对NB-IoT和LoRa技术做了对比分析，两者分别有各自的特点和商业模式，在IoT市场上都将有一席之地。但笔者认为，有运营商支持和推动的NB-IoT网络可以有效减少公共事业公司网络运维费用和人力成本支出，在智能抄表领域，必将受到越来越多公共事业公司的青睐。

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