基于NB-IoT的智能水表的探讨

姚美菱，吴蓬勃，曲文敬，孙青华

（石家庄邮电职业技术学院，石家庄 050031）

长期以来供水行业在运营管理中存在许多痛点。目前，大多数供水企业都是通过人工以一两个月甚至更长时间为周期抄读一次水表数据，发现问题的周期长、历史用水状况无法还原，需耗费大量人力物力解决纠纷。同时，由于水表人工管理周期长，易产生违法用水行为，从而增加了供水企业的产销差，每年由于管网漏损、计量损失、人情水、盗用水、无收益用水等导致的产销差居高不下，直接影响供水企业的经济效益。针对产销差问题，国内许多供水企业采取了众多防控措施，但由于供水区域大、人工监控成本高、人工管理滞后等原因，产销差控制形势依然严峻，仍高达20%以上。水表作为供水企业与客户进行贸易结算的重要依据，一旦出现故障或者人工抄录数据错误等情况，也会给客户或供水企业带来损失。为此许多供水企业开始使用智能水表。

1 无线智能水表技术的发展

2010年左右基于M-BUS的智能水表开始在新楼盘使用，大量布线使得基于M-BUS的智能水表不适合旧小区，于是基于无线技术的智能水表应运而生[1]。

应用在智能水表类物联网业务的无线通信技术，按照通信距离可以分为两类，一类是短距离通信技术，一类是长距离通信技术。短距离通信主要代表技术有Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等；长距离通信主要代表技术是LoRa、Sigfox、GPRS、NB-IoT等。

短距离通信较早应用在智能水表，由于其覆盖范围受限，而水表又大多安装在角落和比较密闭的管道井内，通信效果不好。之后是LoRa、Sigfox应用在智能水表中。LoRa技术是由法国Cycleo公司提出的技术，LoRa的接收灵敏度可达-148 dBm，可以高度确保连接的可靠性和深度覆盖要求。Sigfox技术是由法国一家公司提出的超窄带（UNB）的技术，每秒只能处理10～1 000 bit的数据，其最大的杀手锏就是价格便宜，每年的设备连接维护费仅为1欧元，这为其推广带来了巨大的潜力。LoRa、Sigfox技术虽然都满足了智能水表的深度覆盖要求，但是同短距离通信技术一样，是基于非授权频谱建立的自组网，容易出现信号干扰、网络稳定性较差，无法保障无线水表大面积应用过程中信号的有效覆盖和通信的稳定性问题。众多小区域单独管理的模式，增加了供水企业的管理难度和成本；不同供应商生产的智能水表通讯方式不统一，供水企业在未来大规模使用智能水表时，需耗费大量人力、物力、财力解决智能水表间的互联互通问题，而且数据管理技术水平良萎不齐，数据传输、数据管理的安全令人担忧。

2013年左右，随着GPRS流量费大幅下降，原来只在集中器之类设备上应用的GPRS技术开始向终端转移。GPRS是由运营商统一管理的基于授权频段的网络，可有效解决干扰、安全问题，但是由于GPRS是为手机通信而非物联网设计的缘故，大面积使用过程中有部分水表因位置较深信号不好，无法保证通信的稳定性；一般GPRS通信模块功耗过大，无法进行实时双向通信，只能采取定向唤醒通信方式；而且GPRS已经运营20余年，面临退网的可能性，不是一项面向未来的持久性技术。

低功耗广域物联网是个极其庞大的产业，为争夺产业制高点，3GPP组织制定全新的技术NB-IoT。NB-IoT是3GPP专为满足低速广域物联网业务需求而设计的系统，摆脱了为人与人通信设计的2G/3G/4G的限制，和2G/3G/4G空口完全不兼容，只继承了4G主流标准LTE的一些参数设计，比如NB-IoT的载波带宽为180 kHz，相当于LTE一个PRB的宽度。NB-IoT同LoRa、Sigfox技术一样都是LPWA（低功率广域通信）的物联网技术，具备LPWA的4个通用特征：强覆盖、低功耗、低成本、大连接[2]。NB-IoT可用支持 100 K连接/扇区，与4G相比提升100倍以上；其与2G相比有20 dB覆盖提升，可以多穿透一两堵墙；NB-IoT是专门为物联网设备设计的，只针对窄带、低速率的物联网需求，只支持单天线、半双工方式，另外简化了信令处理，通过这样的方式达到低功耗、芯片价格到1美元的低价。当然1美元是其目标成本，目前成本还达不到此水平。凭借其技术优势及3GPP的影响力，自2016年标准完成，NB-IoT推广应用迅速开展，涵盖智能停车、智能抄表、智能监控、物流跟踪、智慧农业等应用领域。

2 基于NB-IoT的智能水表

基于NB-IoT的智能水表是围绕水务公司精细化运营管理需求构建的端到端行业解决方案，借助物联网、云计算、大数据等技术，将海量水务信息进行及时采集、分析与处理，以提升运营管理效率、改进服务流程，实现智能化决策。

2.1 基于NB-IoT的智能水表系统架构

基于NB-IoT的智能水表按照端、管、云的系统架构来建设，从下到上依次为终端层、网络层（包括基站侧的无线接入网和核心网）、IoT平台和水务应用层[3]，如图1所示，通过物联网、云计算、大数据等技术将各个层面整合为一体，以满足未来演进的需求。

图1 基于 NB-IoT的智能水表系统架构

NB-IoT UE：系统终端其内部集成NB-IoT标准模组，可以通过空中接口连接到NB-IoT BTS(基站)。终端作为物联网的基础载体，通过增加用于水质监测、水压监测、流量监测等的传感器、NB-IoT通信模块使得终端可控、可管、可互通，由原有的哑终端逐步向智能终端演进。

NB-IoT BTS：主要承担空口接入处理、小区管理等相关功能，并通过S1-lite接口与NB-IoT核心网进行连接，将来自终端的非接入层数据转发给高层网元处理。NB-IoT BTS可以独立组网，也可以与FDDLTE融合组网。

NB-IoT Core：承担与终端非接入层交互的功能，完成UE业务签约管理、UE认证鉴权、并将NB-IoT业务相关数据转发到NB-IoT平台进行处理。核心网可以单独组网，也可以与LTE共用核心网。在实际网络部署时，为了减少物理网元的数量，可将部分核心网元如MME、SGW、PGW合一部署，称为IoT服务网管节点。

IoT平台：汇聚从各种接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发到相应的业务应用处理器进行处理，完成连接管理（如设备管理、业务签约、数据采集、转发等)、使能管理（如数据分析、能力开放、应用生命周期管理等）、数据管理（如数据采集、分类、结构化存储、数据调用、使用量分析，提供分析性的业务定制报表）、连接感知、连接诊断、连接控制等连接状态查询等功能。平台通过统一的协议与接口实现不同终端的接入，上层行业应用无需关心终端设备具体物理连接和数据传输，实现终端对象化管理。

应用服务器：是IoT数据的最终汇聚点，是物联网业务的上层控制核心，根据客户的需求进行数据处理等操作。在NB-IoT平台的基础上，可聚焦自身的应用开发，通过IoT平台获取来自设备层的数据，并统一管理水表、流量计等各种水务设备。

2.2 基于NB-IoT智能水表工作过程

智能水表像手机一样需要配备一张用户识别卡（SIM卡），来存储用户的数据信息、安全信息。SIM卡由SIM卡商生产，运营商向SIM卡商购买，然后提供IMSI 、Key、鉴权算法、网络选择等信息给SIM卡商写入SIM卡；IoT服务商（水务公司）从运营商购买SIM卡安装到NB-IoT终端（智能水表）当中；IoT服务商通过运营商Portal激活SIM卡，终端上电，完成认证鉴权，接入到网络中，可以收发数据。

为了适配数据传输特性，NB-IoT协议引入了两种传输优化方案：CP方案和UP方案。CP方案通过控制面NAS信令传输数据，不需要建立数据无线承载，小数据分组通过NAS信令随路传到MME，然后发往IoT平台。UP方案与LTE系统类似，引入RRC悬挂、恢复流程，当有数据报文传输的时候，需要建立数据面承载，然后通过数据面直接进行传输；当无数据传输的时候，终端、基站、MME中该用户的上下文暂时挂起，有数据报传输时迅速恢复。两方案相对于LTE均能实现空中接口信令交互减少，从而降低功耗的目的。

从上面过程可见，SIM卡管理流程繁琐，SIM卡发行面向人，而物联网平台管理者通常需要同时管理海量处于各种环境的物联网设备，管理繁琐导致会管理成本过高。故希望物联网网络平台通过自动化规则进行管理，于是eSIM (嵌入式SIM)卡方案受到大部分运营商、终端商和卡商的重视。所谓eSIM卡，就是将SIM卡变成一片嵌入式芯片被嵌入在终端设备内，具有网络化、远程写卡功能[4]。用户仅需在运营商营业厅通过身份登记后，即可通过网络远程写号平台完成入网激活、换号甚至转网等。eSIM带来的用户感知提升和运营商管理的简化，但也一定程度是削弱了运营商的控制力。

eSIM不是SIM卡演进的终点，软SIM可能会是其下一个演进目标。软SIM没有物理卡片，而是存储在设备的操作系统中一款软件，通过无线技术下载SIM卡的相关应用，可重复编程[5]。软SIM无需SIM卡物理硬件，设备成本低，同时减少设备体积，为增加新特性和新功能留出空间。但软SIM让用户“自由”切换运营商同时，损害了运营商的利益，目前得到运营商支持较少，全球发展缓慢。

2.3 基于NB-IoT的智能水表的优势

NB-IoT工作于授权频段，授权频段在信号穿透力和覆盖度上拥有较大的优势，而且全网统一规划，干扰可控，能够充分保障智能水表等业务在复杂应用环境下的数据信号传输的稳定性与可靠性。

中国3家运营商都已开始NB-IoT建设，借助运营商原有的2G/3G/4G网络资源，将能在全国范围进行物联网业务快速推广。运营商物联网业务基于物联网核心网专用网元，与传统网络区隔，防止恶意网络攻击，可帮助企业实现终端访问控制和流量控制以及企业内外网隔离，为客户提供安全稳定的网络。同时，可以为物联网客户构建与公众互联网隔离的虚拟专用网络，满足客户的物联网无线终端访问客户内部网络的需求。

IoT平台丰富的协议适配能力，可支持海量多样化终端设备接入，基于统一协议和接口，IoT平台可实现不同品牌、不同型号水表的统一接入和管理，互联互通。同时，开放的API可实现水务应用快速集成，实现快速构建和部署。为水务公司提供可感知、可诊断、可控制的智能网络，满足客户对终端的工作状态、通信状态实时自主查询、管理的需求。

3 结束语

基于运营商的NB-IoT网络，智能水表信号更稳定、抗干扰力更强、安全性更高；在数据传输方面不需要借助任何中间环节，从仪表直达数据平台，方便实现直接的控制，可有效降低部署成本，NB-IoT技术将推进智能水表的快速发展。

[1] 王宗辉, 张世豪, 姚灵. 智能水表技术及发展趋势[J]. 仪表技术, 2014(06):45-48.

[2] Rashmi Sharan Sinha,Yiqiao Wei,Seung-Hoon Hwang. A survey on LPWA technology: LoRa and NB-IoT[J]. ICT Express,2017,3(1).

[3] 陈博, 甘志辉. NB-IoT网络商业价值及组网方案研究[J]. 移动通信, 2016,40(13):42-46+52.

[4] 方刚, 杨茂林, 张琳, 等. eSIM技术发展以及对运营商的机遇和挑战[J]. 邮电设计技术, 2016(08):78-82.

[5] 宁宇. Apple SIM会让运营商抓狂吗?[N]. 通信产业报, 2015-03-16(013).