基于NB-IoT的实时交通监控系统的探究

黑龙江大学电子工程学院 孙结冰 崔玉娇 祁晓波 凌 强 朱 勇

0 引言

随着计算机与互联网的不断发展，“物联网+大数据”强强组合展现的机会也随之到来。根据最新的中国物联网大数据行业结构分布来看，2017年大数据应用在交通这一领域占比达到了13.55%[1]。

虽然中国城市内的交通以及城市与城市之间的交通已经非常快速，交通起来也很困难。在平时高速路段交通还算通畅，但是每当节假日，交通问题已经是国民很头痛，也是交管局面临的很棘手的一个问题。本文使用NB-IoT技术能够高效地组建实时交通监控网络，比目前通用的LTE技术提升了20dB，转换成覆盖区域来说，覆盖区域面积扩大了100倍。除此之外其传输距离长、穿透能力强、抗干扰能力强，能够保证实时交通监控网络的稳定工作。

1 窄带物联网技术概述

窄带物联网（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT），是物联网范畴的一种技术，同时也是3GPP推出的标准技术。目前NBIoT技术已经被全球接受作为新一代全新窄带物联网的标准。根据传输速率的不同，可将物联网业务分为高、中、低三种：

（1）高速率业务层：主要的是应用3G/4G的技术，例如车载物联网和监控摄像头，它所适应的业务就是提供实时的数据；

（2）中速率业务层：主要是应用到了GPRS技术，例如目前很火的快递柜或者储物柜，他们使用的频率虽然很高但并不要求提供实时的数据，对网络传输速率是远远不如高速率业务；

（3）低速率业务层(Low Power Wide Area Network，LPWAN)：也就是低功耗广域网，其主要应用在智能家居、无线抄表、环境监测等领域。

NB-IoT的特点：

（1）超广的覆盖能力：NB-IoT是部署在运行商通信频段的，NB-IoT通过上行链路功率谱密度PSD增益、重发增益、UL-Gap多天线增益获得比900M的GSM提升了20dB增益，这就相当于提升了100倍的区域覆盖的能力。

（2）低功耗：NB-IoT终端供电模块是基于容量为5000mA电池的，再加上PSM和eDRX省电技术，使得NB-IoT有超强的续航能力，续航时间可以达到10年；

（3）超大的连接：具备海量数据连接的能力。在同一基站下，NB-IoT一个扇区能够支持5万多个连接。

（4）低成本：终端的成本已经低到了1美元，建网成本可以复用。

2 网络部署架构层次

本系统的网络架构分为三大层次：感知层、网络层、应用层。

感知层：感知层通过NB-IoT射频信号与基站通信，对交通中的实时信息，例如路面情况、车流量、拥挤情况进行监测；

网络层：通过各种电信网络与互联网的融合，由基站、分组核心网、IoT平台组成，实现对不同区域交通的远程监控；

应用层：对感知层采集的交通信息进行处理分析，不仅对车辆进行实时的定位跟踪，还能够便于交通的监控与管理等实际更多的应用。

2.1 NB-IOT基站的连接

NB-IoT基站基于CP协议来链接，CP协议基于信令面的数据传输，用户直接封装在NAS层的信令消息中，并采用加密方式加密。传统的LTE用户面的数据传输方式，流程复杂，信令开销远大于数据包本身，LTE物联网行业的终端、网络、芯片、操作系统、平台等各方路径不一，使得物联网“碎片化”现象严重。而CP协议的搭建简化了RRC/S1信令流程，减少了RRC重建、DRB建立、AS安全等相关信令，信令开销减少了50%以上。

2.2 数据的传输

数据的传输过程包括UE、IOT、编码插件以及Server。感知层设备先采集数据并将数据按自定义规则进行编码；编码通过串口，以AT命令的形式，发送已编码数据到NB-IoT模组或SoftRadio模拟器；NB-IoT芯片/模组或SoftRadio模拟器，接收到AT命令后，将payload后，自动封装为CoAP协议的消息，并发送给事先配置好的NB-IoT平台；NB-IoT收到数据后，自动解析CoAP协议包，根据设备profile文件，找到匹配的编解码插件，对payload进行解析，解析为与设备profile中描述的service匹配的json数据，并存于平台之上;数据处理中心通过北向数据查询接口(RESTful)获取平台上的数据;同时也可以提前调用订阅接口，对数据变化进行订阅。数据传输过程中，应用NB-IoT调制解调技术对数据进行处理，NB-IoT基于3G/4G网络，对汽车周围环境的进行实时的监测。通过MATLAB软件仿真系统数据调制解调如图1所示：

图1 NB-IoT调制解调MATLAB仿真图

由仿真结果很清楚地得到：基于NB-IoT调制解调能够将采集到的数据能够稳定的传送到监控中心。随着信噪比的增大，NB-IoT误码率更低，抗干扰能力越强，体现了NB-IoT技术在该系统中实现的优越性。

3 系统测试结果

应用此系统我们在学校选三处信号弱的地点进行试点实验。首先利用经纬度测量仪测出三处的经纬度,A处位置（N45°42′29.74″，E126°37′11.71″），B处位置（N45°42′19.60″，E126°36′55.84″），C处位置（N45°42′20.82″ ，E126°36′55.84″），利用三辆小车，得到主要结果如表1所示：

表1 系统仿真结果

对测试结果分析可得，本系统接受数据正常，定位正常，能够正确的读取汽车的位置，数据会也会实时刷新。

4 结束语

本文基于NB-IoT的实时交通监控系统的实现，充分利用了NBIOT广覆盖、低成本、低功耗、续航能力强、实时性强等一系列特点，将交通数据采集后上传并处理分析、维护与管理，很好地解决了目前交通系统定位盲区，管理速度慢等问题，符合智慧城市发展的主题。借助NB-IoT技术优势，在交通系统各个环节展开一系列技术应用创新，将极大地促进实时交通监控系统的发展。

[1]赛迪智库.中国大数据产业发展评估报告(2017年)[EB/OL].(2017-08-29)[2017-09-25].http://www.useit.com.cn/thread-16356-1-1.html.

[2]欧阳龙.简析NB-IOT关键技术特性及行业应用[J].通讯世界,2017,(18):1-2.

[3]黄悦,汤远方.NB-IoT物联网组网及覆盖能力探讨[J].移动通信,2017,(18):11-15.

[4]梁和平.基于NB-IoT与LoRa的智能路灯远程监控系统[J].基层建设,2017(12):20-23.

[5]王正伟.NB-IoT是物联网的热点[J].物联网技术,2017(10):15-18.

[6]吴光荣,章剑雄.基于ZigBee技术的无线智能照明系统[J].现代电子技术,2008(14):67-69.