NB-IOT技术在水资源智能监控方面的应用

□侯爽刘淼王微

2011年，《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》和中央水利工作会议均明确提出“推进水利信息化建设”、“提高水资源调控和工程运行的信息化水平，以水利信息化带动水利现代化”。这些论述均强调了在水利信息化在当前水利发展、水资源管理中发挥的重要作用。为全面贯彻文件精神，减少水资源浪费，自2012年—2018年，水利部与财政部联合组织实施了国家水资源监控能力建设项目，全国各地在响应国家号召的同时，也陆续开展了本地水资源监控能力建设。

然而，随着科技的进步以及通信技术的不断发展，现状水资源监控使用的传输方式，在一定程度上制约了水利信息化的进一步发展。因此，如何引入新的网络技术优化水资源智能监控建设，提高水资源监控的效率，降低投入成本，已经成为水利信息化的重要要求。

1 .水资源智能监控现状传输方式及存在问题

1.1 水资源智能监控传输现状

一是监控系统总体结构。目前，根据国家水资源监控能力建设项目总部署，水资源监控能力建设主要内容可以简单概述为“四网一平台”，“四网”指的是4个监测站网，即地下水位监测站网、取用水量监测站网、水质监测站网、省（市）界断面水量监测站网，其作用是通过硬件传感器（如水位计、流量计等）分别对地下水位、取用水户取用水量以及灌区渠首水量、水功能区以及饮用水水源地水质、省界以及市界断面的流入流出水量进行数据监测，并将监测数据作为水资源管理、保护、节约等的依据。“一平台”指的是水资源管理信息平台，监测数据统一上传至水资源管理信息平台，平台作为数据处理、分析、使用、展示的窗口。监控系统总体结构图见图1。

如图1所示，监测站网按照一定的频率进行数据采集，并统一将采集到的数据经由政务外网的传输方式发送至水资源管理信息平台。

图1 监控系统总体结构图

二是流量监测站点。为了方便理解监测站网，下面以水量监测站网为例，介绍其组成结构和工作原理。水量监测站网是由若干个流量监测站点组成的，单个流量监测站组成结构图见图2。

如图2，流量监测站点是由流量计、遥测终端机、通讯模块以及供电系统组成，流量计作为硬件传感器，以一定的频次进行监测数据采集，监测数据经由信号线传输至遥测终端机，遥测终端机负责对数据进行分析、处理以及计算，并由通讯模块以一定的传输方式被发送至水资源管理信息平台，进行分析以及展示。供电系统为遥测终端机等设备供电，现状供电系统一般分成3类：市电交流电、太阳能/蓄电池供电、锂电池供电。

图2 流量监测站点组成结构图

通讯模块的硬件配置情况直接影响了数据的传输方式，物联网技术可划分为两类：一是其他移动通信技术（即以短距Wi-Fi、蓝牙等为主的网络技术）；二是全球移动通信网（又名移动蜂窝技术，一般情况下指2G/3G/4G及其他技术）。现状水资源监测站网中，监测站点的硬件通讯模块一般需要配备专用的物联网卡，其使用的通讯方式为移动蜂窝技术中的2G/3G/4G技术。

1.2 现状传输方式的优缺点

移动蜂窝物联网技术（2G/3G/4G）的优点是速度快、传输数据量大，但是在水资源监控建设的应用中，仍然存在如下问题。

一是网络覆盖范围不足。水资源智能监控的应用范围较广，智能监测站的安装位置较为复杂，对于安装位置为楼宇室内或者平原等通信信号较好的地带，移动蜂窝物联网技术（2G/3G/4G）能够有效覆盖传输，但是对于安装位置处于地下以及边远山区等通信信号较差的情况，移动蜂窝物联网技术（2G/3G/4G）的指标规划无法满足数据传输要求，容易出现数据丢包等情况，网络覆盖范围不足。

二是终端能耗高。利用移动蜂窝物联网技术（2G/3G/4G）进行数据传输时终端耗电量较大，主要原因包括终端自身具有较大的功耗，同时数据重传也造成一定的能量消耗。部分水资源智能监控终端监测站部署位置环境较为恶劣，尤其处于野外、山区等位置的监测站点，现场不具备市电交流电的供电环境，太阳能供电系统易遭到破坏或者丢失，因此只能选择电池供电并对整个监测站点加以保护，但是由于电池电量固定，过高的终端能耗会降低电池使用寿命，增大后期维护成本，因此，降低终端能耗，延长终端使用寿命是进一步推广智能监控的重要手段之一。

三是数据连接量小。现状情况下三大运营商的基站部署基本成型，经调研，利用移动蜂窝物联网技术（2G/3G/4G）进行数据传输时每个基站可同时连接约1K左右个终端节点，连接量较小，容易造成数据包冲突、网络容量不足的情况。

四是终端成本高。随着水资源智能监控系统应用的推广，终端监测站种类繁多，但是开发门槛高，通信模块成本高，造成终端监测站的综合成本较高。

五是2G/3G网络退网。随着通信技术的不断发展，4G、5G技术的应用愈加广泛，但是有限的频谱资源限制了通信技术的进一步应用，为了节约频谱资源，国内三大运营商都明确提出退网方案，其中联通退网2G、移动退网3G、电信退网2G/3G，运营商的退网方案使得部分传统智能监控终端无法满足数据传输要求。

2 .低功耗广域物联网技术

为了进一步扩大水资源监控应用，降低建设成本，将低功耗广域网络（LowPowerWideArea，LPWA）技 术引入水资源智能监控建设中。

2.1 低功耗广域网介绍及分类

为了更加清晰明了，我们利用下图3进行简单介绍。

如图3所示，横轴代表覆盖要求。根据通信距离长短可以划分为长距离通信和短距离通信，传统的2G/3G/4G技术通信不受范围限制，短距离通信技术（如wifi、蓝牙、ZigBee技术等）覆盖范围受限，不适用于水资源智能监控技术。长距离通信主要代表技术是窄带物联网（Narrow Band Internetof Things,NB-IOT）、LoRa、SigFox技术等，我们将这类技术称为低功耗广域网络。

图3 低功耗广域网分类示意图

纵轴代表速率要求。基本可划分为高、中、低3个速率等级，网络能耗随着速率的增加逐渐增大。

根据上述分析可知，短距离通信技术无法适用于传输距离较长的水资源智能监控系统；相比较NB-IoT、LoRa、SigFox等技术，eMTC技术具有更高的能量消耗以及相对较低的覆盖能力；LoRa技术属于私有技术制式，需独立建设网络，造成硬件成本过高；Sigfox技术不适配国内无执照波段。综上所述，NB-IOT技术作为一种低功耗广域网，能耗较低，性能较好，应用较为简便。

2.2 物联网NB-IOT特点

NB-IOT技术是低功耗广域网络的一种，其带宽约为180KHz，可直接部署于GSM网络或LTE网络，不需要额外独立建网，因此被逐步推广使用。其主要特点如下。

一是NB-IOT的超强覆盖能力。NB-IOT要比GPRS覆盖增强20db，通俗来讲，相当于能够多穿透水泥制成的3栋墙体。其主要实现方法有3个：一是提升功率谱密度（7db）；二是重传（12db）；三是多天线增益（0-3db）。

二是NB-IOT小功耗。NB-IOT具有较小的功耗，其主要原因如下。

（1）非连续接收机制(DiscontinuousReception，DRX)

系统通过非连续接收机制令终端休息，使终端进入关机状态，在终端休息时，关闭发信机以及收信机，以节省能耗。

（2）节能模式(PowerSavingMode,PSM)

节能模式指的是空闲态的子状态，在节能模式下，终端射频关闭，此时下行不可达，上行数据可以触发终端进入连接态。通过这种方式节能模式下耗电量是普通空闲态耗电量的二百分之一。但是，由于下行数据不可达，被叫业务响应不及时。

（3）非连续扩展接收(Extended DiscontinuousReception,eDRX)

为了方便理解，我们将非连续扩展接收状态分为空闲态eDRX和连接态的eDRX，根据前面分析可知，NB-IOT终端大部分时间处于空闲态，因此此处主要介绍空闲态eDRX的实现原理。

eDRX的中心思想是减少寻呼监听的次数。传统的寻呼间隔对IoT终端的电量消耗较大，而在下行数据发送频率小时，通过核心网和终端的协商配合，终端跳过大部分的寻呼监听，从而达到省电的目的。

2.3 NB-IoT低成本

简单的数据通信复用技术。NBIoT使用频分半双工技术（Half-Duplex Frequency Division Duplex，HDFDD），频分双工是指上行链路和下行链路分别在两个分离的对称频率信道上进行接收和传送，用以保护频段来分离接收和传送信道。半双工技术是指发送和接收数据在同一个时间段内只能发生其中一个动作的传输方式。数据通信复用技术示意图如下图4所示。

图4 数据通信复用技术示意图

基于成本考虑，NB-IOT仅支持频分半双工技术，其优点是终端实现简单，可只保留一套收发信机，节省硬件成本，缺点是终端监测站无法同时进行上下行收发信息。

小带宽及信道简化。NB-IOT终端的工作带宽为200K左右，因此不需要复杂的均衡算法；此外数据通信所需的速率较低，对缓存的要求不高；同时NB-IOT的终端不需要复杂的信道，从而使得终端监测站点运算量大幅度减小。

减少不必要功能。NB-IOT通过减少语音功能、非竞争性随机接入功能、切换功能等，降低不必要的成本投入。

2.4 NB-IOT大连接

NB-IOT的理论容量是单基站连接数达到50K。其主要原因为：一是NBIOT的话务模型决定。物联网的话务模型终端很多，但每个终端发送的包都比较小，发送包对时延的要求不敏感，因此可以设计更多的用户接入。二是上行调度颗粒小，效率高。因为NBIOT带宽较窄，使得上行调度颗粒小，资源的利用率较高。

3 .物联网NB-IOT在水资源智能监控中的应用

通过上述分析，我们可知NB-IOT技术具有覆盖范围广、终端能耗小、基站连接量大、硬件成本低等优点。将NB-IOT技术应用到水资源智能监控建设中，对于所处位置较为恶劣（如山区、地下等情况）的部分终端监测站点，能够有效增强信号覆盖范围，降低数据的丢包现象，提高数据上传率；其次，对于现场不具备市电以及太阳能供电条件的终端监测站点，通过利用NB-IOT技术降低终端能耗，利用电池供电即可，避免出现频繁更换电池的情况，降低后期的运维成本；最后，NB-IOT技术能够降低终端监测站点的硬件成本，减小资金投入，增大水资源智能监控建设性价比，提高智能监控建设效率。

但是，在看到NB-IOT优点的同时，我们也不能忽略其局限性。首先，由于NB-IOT的带宽较小，每次传输携带的数据量较小，不适用于数据量要求较大的情况；其次，NB-IOT能耗较小，导致其下行传输无法及时响应，在一定程度上影响了水资源智能监控的召测功能；最后，NB-IOT支持频分半双工的通信方式，导致网络的实时性相对较差。

4 .结论

全文介绍了水资源智能监控现状，给出水资源智能监控系统总体结构，并以取水量监测站网为例介绍了流量监测站点组成结构，阐述了现状通信传输方式；其次通过分析现状传输模式在水资源智能监控建设过程中存在的优点以及问题，引入低功耗窄带物联网的概念；最后对低功耗窄带物联网进行介绍和分析，重点说明了其分类与特点，并分析其在水资源智能监控中发挥的作用、功效以及可能存在的问题。□