基于NB-IoT技术的无线传感网融合组网研究

2018-07-05吴小军沈士根赵金皓东华大学信息科学与技术学院上海060东华大学计算机科学与技术学院上海060

计算机应用与软件 2018年6期

吴小军沈士根赵金皓(东华大学信息科学与技术学院上海 060) (东华大学计算机科学与技术学院上海 060)

0 引言

无线传感网络WSN融合了现代感应技术、网络通信技术、嵌入式系统和计算机技术,实现了从信息获取、传输到数据处理都集成到一块集成电路上来完成，实现了对物理世界的数字感知。WSN在国防军事、环境保护监测、医疗、应急抢险救灾、智能交通及商业应用等领域具有十分广阔的应用前景[1]。

移动蜂窝网络逐步实现了区域的有效覆盖，除了基本的语音通话功能外，随着由2G向3G、4G的演进，数据传输的速率和质量也逐步提高，当前高速率的接入可以由LTE(3G，4G)来提供，中低速率的可以由2G网络来提供。学术界已经对将蜂窝网络用作各种不同功能的WSN的数据接入进行了研究并取得一批研究成果[2-4]。但在实际应用中由于移动蜂窝网络区域部署还不均衡,人口密度较低地区还不能实现高速数据传输，且同一蜂窝支持接入的容量有限，单接入点芯片和使用费用较高。因此直接将移动蜂窝网络大规模直接应用到WSN中进行数据接入目前还不现实。

由于WSN对接入网络的特定需求，对于能够满足WSN的低成本、低功耗、广覆盖和大容量需求的接入网络的研究已经受到广泛关注，如Lora、Sigfox等协议。由我国华为、中兴等公司牵头全球多家企业共同参与制订的基于移动蜂窝网络的窄带物联网标准NB-IoT在多种标准中脱颖而出。标准协议核心部分已于2016年通过3GPP标准化评估，移动通信公司已启动NB-IoT的商业化应用。

1 NB-IoT的优势及其部署场景

1.1 NB-IoT的优势

NB-IoT能够满足WSN地域分布广、运行时间长、数据量有限的需求。NB-IoT依托于已经覆盖全球90%的人口和超过50%的地理区域的移动蜂窝网络，实现了低速窄带宽环境下物联网的高效组建。与传统的物联网通信技术相比，NB-IoT对于移动蜂窝结构的优化使用使得NB-IoT在只占用180 kHz 频带的情况下就可以进行部署。以牺牲一定速率、时延、移动性等特性，换取了低功耗广域网的承载能力，极大地控制系统的建设开发成本，减少了不必要的资源浪费与人力损耗。这使得NB-IoT满足了智能交通如极大数量的共享单车、固定建筑或装置设备监测、分布广泛的城市公用事业如自来水表远程抄表等对于物联通信技术的使用需求[3]。

NB-IoT网络具备四大特点[5]：

(1) 覆盖更广更深。链路预算为164 dB，大大优于GSM、 LTE 系统，穿透能力强，提供更广更深的覆盖。在开阔区域，一个NB-IoT基站可提供7 倍于传统蜂窝的覆盖面积。从覆盖深度角度看，可以覆盖到位于地下室或隧道中的终端。

(2) 容量大。依据3GPP 45.820业务模型，NB-IoT系统具备“海量”连接的能力，即同一个扇区在24小时内能够支持约5万个终端连接。

(3) 能耗低。终端超低能量消耗，NB-IoT 模组的理论待机时间可长达10年。

(4) 低成本。极低的模组成本，目前单个模组的价格已经降到5美元以下，随着大规模的推广使用未来还将继续降低成本。

1.2 NB-IoT 部署场景

NB-IoT的射频发射带宽为180 kHz，共有 3 种部署方式：独立部署、保护带部署、带内部署，分别如图1-图3 所示[6]。

(1) 独立模式：可以利用单独的频带，在GSM频段中统一固定分配出一部分给NB-IoT。

(2) 保护带模式：可以充分利用LTE系统中边缘的无用频带。

(3) 带内模式：可以定义利用LTE 载波中间的任何资源块。

图1 NB-IoT部署的独立部署模式

图2 NB-IoT部署的保护带部署模式

图3 NB-IoT部署的带内部署模式

2 无线传感网的网络拓扑

2.1 典型WSN的组成结构

WSN由无线连接的汇聚节点、传感节点、簇头节点和应用网络接入等几部分构成。工作原理是[7]:随机地把众多的传感器节点部署在某个指定的监测区域内。通过无线传输方式将采集到的数据信息以多跳接力的方式传输给应用管理系统，从而实现用户对远程终端的监测和后续处理。组成结构分为不分层单跳结构、不分层多跳和分层多跳结构共3种组网方式[8-9]，分别如图4-图6所示。

图4 不分层单跳无线传感器网络体系结构

图5 不分层平面多跳无线传感器网络体系结构

图6 分层多跳无线传感器网络体系结构

2.2 无线传感器节点

单个WSN传感器节点主要由以下几部分组成[10]：一个采集被监测区域的特定指标数据信息并进行模拟数字转换的模拟信号传感芯片；一个用于执行数据的计算和网络指令的中央处理器；一个与其他节点进行通信、收发数据并交换控制信息的射频收发器。传感器节点由自身电池供电，单个节点的生存周期一般为几个月到几年。WSN中的传感器节点具备以下特点：小体积、低成本和少能耗。图7为无线传感器节点内部结构图。

图7 无线传感器节点内部结构图

2.3 WSN的关键技术

作为当今信息技术与计算机网络技术领域的研究热点之一，WSN的关键技术具有多项技术融合、多学科交叉等特征。目前WSN的关键技术研究在节能技术、网络拓扑、通信协议、网络安全、时间同步、定位技术、数据融合等诸多方面[11]。

1) 网络通信协议。WSN与传统固定网络有很大的不同：节点相对固定；数据包更小，导致数据传输开销更大；节点自身的计算、存储、通信能力有限；节点因能量耗尽而易失效；节点通信的能耗远远大于数据计算；节点数众多但没有类似TCP/IP网络的统一编码。WSN的上述特点使得众多传统网络的路由协议不能直接应用，需要单独设计一种WSN协议负责在汇聚节点和其余节点间可靠地传输数据。其中紫蜂协议(ZigBee)作为一种低速短距离传输的无线网络协议被广泛使用[12]。该协议共分物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层、应用层等5层。

2) 数据融合技术。不同于一般数据传输网络，WSN的显著特点就是通过处理对数据进行融合。大量密集的传感器节点获取的数据重复性很高，通过在网内进行数据融合能够减少带宽的占用，减少了重复的数据传输量，降低能量消耗，从而延长该WSN的生命周期。如何有效地在节点、簇头、会聚点或应用软件之间分配数据融合任务，设计延长网络生命周期的融合路径机制对WSN的高效运行至关重要。

2.4 WSN的不足之处

1) 传输效率低。分层的WSN需要在数据传输中进行标识,如果是多层结构需要在数据簇头增加较多的高层簇头，将导致传输效率的降低，数据传输的速度下降。

2) 安全问题突出。传感器节点要通过多次路由转发才能将数据传到相关的监测管理应用，容易存在数据被中途窃取、丢失等问题。

3) 接入困难。由于采用有线接入，WSN的实施区域受到较大局限，现有有线网络的分布在不同的区域是不均衡的，有些需要部署WSN的区域与有线网络的覆盖范围之间的距离遥远。这种情况下仅仅依靠无线多跳网络到达有线IP的边界是不现实的。

3 基于NB-IoT的WSN组网设计

随着WSN技术的发展，智能家庭、智能医疗等应用的不断成熟，WSN的移动性越来越多的受到专家和学者的关注。而蜂窝网能够为接入终端提供低延时和低能耗的平滑切换。NB-IoT技术借助于各大运营商的移动蜂窝网络，实现了广域的覆盖和无线的移动。随着技术的进一步成熟和芯片成本的降低，NB-IoT技术将在WSN的组网中得到越来越广泛的运用，现提出以下3种组网方案。

3.1 方案1：NB-IoT用于无线传感网接入应用的通道

此方案中NB-IoT用于替换原先的有线网络接入，大大降低原先有线网布网的难度，实现快速组建无线传感网。如图8所示。

图8 NB-IoT应用方案1示意图

3.2 方案2：NB-IoT作为双模汇聚节点

对原先WSN中的Sink节点进行改造，让该节点既能够作为汇聚节点，又作为数据输出的连接点。这样的双模节点能够简化WSN，提高数据传输效率，减少冗余数据传输。如图9所示。

图9 NB-IoT应用方案2示意图

3.3 方案3：NB-IoT集成到传感器

待NB-IoT大规模推广后，核心芯片及模组的单价大幅度下降，且集成度更高后，各类传感器可以直接通过NB-IoT接入到应用网络(NB-IoT无线传感器)。这将使得无线传感器技术发展到更加智能化、网络化阶段，摆脱对WSN的依赖。如图10所示。

图10 NB-IoT应用方案3示意图

3.4 方案比较分析

如表1所分析，在现有系统改造升级时，选择方案1代价最小，快速实现。在新建WSN时，选择方案2,网络简化，代价低，是当前建设和升级WSN的最佳选择。未来NB-IoT芯片和模组得到大规模应用成本大幅度降低后，可以将NB-IoT芯片直接集成到传感器，开发出新一代智能无线传感器，实现方案3。

表1 传统方案与3种方案的比较

4 NB-IoT-WSN网关数据融合方案

4.1 NB-IoT-WSN信息转发网关方案

双模网关是WSN传感器数据的汇聚点，也是数据传输到应用系统的上传通道。网关将采集到的数据转发到应用系统，由应用系统进行数据的融合处理。

4.2 NB-IoT-WSN网络层协议融合方案

通过对NB-IoT协议栈中部分协议的修改，或者对WSN中广泛使用的协议(如ZigBee)进行修改，使得NB-IoT网络和WSN内部使用的协议能够进行信息互通。

4.3 NB-IoT-WSN数据融合网关方案

该网关在以上方案的基础上，不仅转发信息，而且能对数据进行融合。实现数据融合，网关需要对各传感器进行管理，对传送任务进行管理，对数据进行处理。该方案易于实现，不必对协议进行修改。在本文后续的方案设计中采用该方案实现数据的传输和融合处理。

5 基于NB-IoT的WSN组网设计

5.1 网关硬件构造

NB-IoT-WSN网关由微处理器模块、无线通信模块、电源模块和相关辅助模块构成。微处理器模块主要作用是对ZigBee和NB-IoT异构网络数据包进行转换处理，同时进行数据融合[13]。如图11所示。无线通信模块包括ZigBee模块和NB-IoT模块，分别与WSN网络和基于移动通信平台的NB-IoT网络进行通信。

图11 NB-IoT-WSN网关示意图

5.2 数据帧格式

NB-IoT的下行采用正交频分多址(OFDMA)技术，帧结构与无线蜂窝网络的LTE帧结构相同[14]，见表2。ZigBee帧格式见表3。1个时常为10 ms无线帧包含了10个长度为1 ms的子帧，采用15 kHz的子载波间隔。NB-IoT上行采用单载波频分多址(SC-FDMA)技术，终端支持单子载波和多子载波技术，对应两种帧结构，子载波带宽为15 kHz的帧结构与LTE的下行帧结构相同，为NB-IoT新设计的一种帧结构是子载波带宽为3.75 kHz的帧结构。

表2 NB-IoT帧格式

表3 ZigBee帧格式

5.3 传输过程

数据传输时分为上行传输和下行传输。由NB-IoT-WSN网关进行数据帧的转换，在NB-IoT与ZigBee之间形成协调器[15]。串口接收的数据由DMA 通道以透明传输的方式传入,在网关建立Socket 服务器,协调器发来的数据传入，并通过一定的算法进行数据融合处理。最后由串口进行发送。

6 结语

本文在对窄带物联网NB-IoT技术及WSN深入研究的基础上，提出了3种利用NB-IoT技术来为WSN进行数据汇聚和数据传输的模型。并选择其中一种当前比较可行的模型进行了双模网关的结构设计，能够实现数据在不同网络之间的转换，也能够有效地进行数据融合减少冗余数据。随着移动通信网络LTE的不断演进和覆盖密度的增强，以及相关芯片、模组的成熟，NB-IoT可以在WSN应用领域得到进一步的深入应用。研究的下一步工作是编写网关中数据转换和融合的程序代码，并对系统的稳定性、传输效率、安全性等进行分析。

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