基于NB-IoT技术的智能水、电表应用研究

刘晋强

陕西银河电力仪表股份有限公司 陕西 西安 710119

引言

自2017年，NB-IoT技术大范围推广以来，以其明显的技术优势迅速覆盖到众多领域，智能水、电表领域厂商也积极参与，应用规模增长很快，同时也遇到了一些技术问题，应用难度较大。近年来，随着CAT-1技术的兴起 ，提供了更高的传输速率，以及支持TCP连接的可靠传输，使得实施应用更为直接、简单，趋于替代部分NB-IoT的行业应用。但对于大部分电池供电设备，NB-IoT节能效果好，对于智能电表方面，NB-IoT有关技术方法和创新，对未来智能电表通信技术应用，以及物联网技术发展也有很好的推动作用。

1 NB-loT技术简介

NB-IoT是新一代窄带物联网传输技术，由中国华为制定标准并在全球推广实施。较传统2G网络，NB-IoT技术支持低功耗设备在广域网的数据连接，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。该技术具有低功耗、低成本、海量连接、增强覆盖等特点。①低功耗：NB-IoT应用（如智能抄表、环境监控、智能农业等）安装环境没有电源供应，需要使用电池，为了满足电池达到5～10年寿命的需求，NB-IoT网络引入PSM和eDRX技术极大降低了终端功耗，可使设备在生命周期绝大部分时间处于极低功耗状态，从而保障电池的使用寿命。②低成本：NBIoT终端采用窄带技术，基带复杂度低，只使用单天线，采用半双工方式，射频模块成本低。③海量连接：NB-IoT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，NB-IoT可比现有无线技术提供50～100倍的接入数，单小区可支持5万级别的用户规模。④深度覆盖：在底下车库、地下室、底下管道等信号难以到达的地方也能较好覆盖[1]。

NB-IoT业务承载于各省NB-IoT蜂窝移动通信网络、物联网4G核心网专用网元、集约IT系统，通过集约IT系统受理、开通、计费和销账。NB-IoT网络在无线侧均通过各省移动网具备NB-IoT功能的基站接入，通过各省4G核心网（MME设备、SGW）接入后，统一汇聚到物联网专网网元（PGW），经过PGW设备转发到上层应用，实现终端与电信自建平台、客户平台的数据通信。

2 社区服务

该应用场景包括“三供一业”运营管理、社区物业、配售电公司、综合能源管理等。主要应用需求为计量收费，电表和水表可接受抄表周期为1天，但对下发的实时命令敏感，NBIoT通信速率和性能完全可以满足需求。水表为实现低功耗目的，需要采用PSM模式，即设备主动激活连接，要实现命令及时送达，需要人工干预。电表既可以采用PSM模式，也可以采用EDRX模式，为了给客户更好的体验和方便管理，一般采用EDRX模式，单体设备采用EDRX模式后，激活状态一次通信指令周期约3～5s，寻呼状态一次通信指令周期约15～60s，测试状态下通信性能明显高于载波和ZIGBEE通信方式。

现代化智慧社区区域布局相对比较集中，NB-IoT信号覆盖良好，个别信号盲区或遮挡区域，也可以通过增益天线解决，使用NB-IoT水表运行良好，但同区域可能安装NB-IoT电表、门锁、烟感、共享单车等各类NB-IoT通信设备，随着设备密度增加，通信可靠性有所影响，尤其同区域高频通信请求的NB-IoT设备会严重干扰既有设备通信。若NB-IoT电表采用PSM模式，工作模式与水表类似，对区域内NB-IoT设备通信影响很小，若采用EDRX模式，在上报周期短、设备数量多、安装集中的情况下，会导致区域内NB-IoT设备通信拥堵无法正常工作。

该类应用与收费管理业务绑定，结合物联网技术和移动支付技术，迅速改变用户消费模式，对于用户更加便利友好，有助于提升物业服务效率和水平。NB-IoT作为通信方式，较传统的载波、ZIGBEE等，安装简单，免维护，降低了社区物业设备管理负担，提高了通信系统维护质量，但对于运维过程中出现的问题束手无策，更加依赖于服务厂商支持。设备安装部署环境多样，个别区域信号覆盖差，需要采用替代通信技术方案。

3 智慧建筑

该应用场景包括商场、市场、商业综合体、办公建筑等。既有计量收费管理需求，又有能耗管理需求，更加期望节能、用能的综合分析，以及能源综合利用和节能支持，计量信息的综合利用性强，对于考核计量点，可接受抄表周期为1小时，非考核计量点，抄表周期2小时以内。建筑布局高度集中，需要针对性的NB-IoT信号加强，现场布局复杂多样，为NB-IoT现场安装调试较为复杂的场景。而NB-IoT设备的低功耗、信号强、免维护等特点，也使得这一领域用户高度关注并积极应用于建设或改造项目。

该类应用使用NB-IoT水表，在实施信号增强措施后，运行良好，而智能电表由于信息需求量较大，数据通信较为频繁，为满足较高的管控效率，通信模式也采用EDRX模式，安装部署也很集中，诸多因素导致在设备并发通信规模超过一千后出现连接请求异常，若频繁重发请求，大量连接请求占用网络资源，使得应用数据无法正常传输。从而使得实际成功应用，采取优秀的上报分散措施，并且降低上报频次，基本满足了项目需求。

然而NB-IoT技术对于该场景下，烟感、安防、环境监测、智能门锁方面，由于并发通信概率很小，应用前景非常好。而对于能耗监测和计量收费管理方面的需求，仍然会随着服务水平的提高而进一步增长，除非NB-IoT技术在根本上解决并发拥堵问题，才能在这一领域大范围推广。

4 校园

学校用于能耗的开支费用日益增加，各园区管理部门均想方设法节约能耗开支，随着国家政策支持和资金配套加大，校园迫切需要应用新技术完成节能改造，成为NB-IoT技术应用的一个主要场景。

目前，大多学校没有对园区内的各个建筑进行用电核算。大多管理者只是掌握着总用电情况，对单个建筑、各个建筑内用电情况以及园区内功能性区分用电情况并不了解。同时，校园内还存在较大的节电潜力。 教室、实验室、办公室长明灯、少人开多灯、自然光照充分的情况下开灯等现象仍然存在；办公室、教室、宿舍等空调使用中存在超标使用，如：不按温度管理要求开空调、开门窗时开空调等；学生公寓中未安装电表、 学生存在使用大功率电器等现象，既费电又存在安全隐患。校园内景观灯、路灯等管理不合理、开关时间设置不合理等。大多学校对于校内用水没有很好的管理办法，水资源浪费现象严重，加上一些学校建筑建设年代较久，地下管网老化严重，管道破裂导致的水资源流失更是无法估计。造成水资源浪费。

校园能控管理，倾向于精细化管理，用能模式特殊，需求多样，管控要素较多，要求设备满足特定需求，并且具备一定的灵活性和可扩展性，数据采集要求更为完善，能耗分析更加全面，并且融入校园既有的学生管理系统，设备开发和应用开发复杂度较高。由于不同校园能源计量管理程度不同，方案各异，信息化程度也不同，NB-IoT技术主要用于全新安装设备，这使得设计涵盖同类行业的技术方案困难，不确定因素较多。

5 节能与能耗管理

该应用场景应用，一方面对于企业，适合跨区域计量信息采集和能耗管理，如电信运营商的基站、工矿企业用能监测、工业企业能耗管理、环保设备用能监测等。

采集系统需要开放设计，允许能耗管理系统、政府能耗监管系统、企业自建系统获取准确数据，通过各种计量表、传感器采集水、电、燃气等数据；可对关注的主要数据进行监测（如：电流、电压、温度等），防止安全隐患的发生，对电表、水表等集中采集、控制，为能耗管理系统提供通信采集和控制赋能，以直观的数据和图表向管理人员或者决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

相对节能效率，对设备成本不十分敏感，可以接受小幅变化及较高的设备成本。主要特点是布局分散；同区域设备数量较少；数据密度要求高，主要考核点要求15分钟一次；需要采集电能、电流、电压、功率等多种参数。因此，NB-IoT通信在该应用领域可以满足需求，也有一定优势，但信号覆盖和通信速率是短板，而CAT-1等新兴技术通信效率和质量更具有竞争力。

6 结束语

NB-IoT业务规模发展与所承载业务模型密切相关，其能适用场景是“小流量、上报为主、长期休眠、功耗敏感性、低移动性”应用，也即NB-IoT技术不适宜于大流量、高并发的场景，若应用于该类场景需要对技术方案深度研究和重构。而实际智能水表、电表的应用场景，尤其对新技术敏感、投资建设意向突出的智慧建筑等领域，寄希望于NB-IoT技术提升工作效率，但仍沿用既有的技术方案和运作模式。智能水表、电表厂商积极开发新产品投入市场，将NB-IoT作为另一种优秀的通信方式，直接应用于既有产品方案，也往往在出现问题后才改进升级。

NB-IoT网络单扇区容量达到5万接入用户的能力，是基于NB-IoT小数据的特征，通过减少终端工作的频次和强度、拉长终端休眠的时间等机制实现的。3GPPNB-IoT业务模型假定平均每小时每用户接入次数仅0.467次，也就是平均每用户每小时接入网络1次都不到，大部分时间都在休眠。由此可见，NB网络海量接入容量，是建立在大量用户上报周期长，绝大部分终端长时间处于休眠的特定业务场景下达到。NB-IoT终端信号强度，可以确保其与基站设备连通性，但不足以表明应用数据传输的可靠性。

对于时延特别敏感的应用，可以考虑使用EDRX模式或DRX模式（DRX寻呼周期最短1.28s），从而缩短数据下发到终端的时延。但是平台同时下发数据到大量EDRX模式或DRX模式终端时，会导致NB资源耗尽，出现无法正常下发数据到终端的情况。因此，平台在对终端下发数据时，应避免集中时刻下发。将采集信息按正常周期采集，以较长周期上报，是一种可行的应对方法。

当前国内主要运营商采用现有EPC核心网，在原有EPC设备基础上，进行NB-IoT功能增强，以满足NB-IoT特性需求承载NB-IoT业务。但海量的设备接入引起大量的附着、业务请求、TAU等，在设备请求失败时，大量频繁重复请求可导致系统过载，设备在附网失败时，应分散、延迟重发请求。不支持non-IP数据类型non-IP类用户数据经常被应用在海量传感器网络，未来NB-IoT业务应用也会有non-IP类用户数据的需求，现有EPC不支持此功能。