NB-IoT在地震救援中的应用前景研究

吴 飞 王博韬 毛晨曦 谢兴红 钟晓玲

成都理工大学信息科学与技术学院 四川 610059

引言

地震，由于其强大的破坏性已经成为严重危害人类生命安全、社会经济发展的自然灾害之一。我国近50%的城市、67%的大城市位于烈度VII度区域内，并且随着经济的快速发展，城市特别是大城市人口数量和密度大幅度增加，城市地震灾害发生的频率越来越高，造成的经济损失和人员的伤亡数都在逐年上升；一旦遭受破坏性地震，损失不可估量。地震中的人员伤亡，绝大部分都是由于房屋倒塌、地面凹陷使得被困人员被掩埋而无法及时得到救治导致的，因此地震后的救援工作对于减少人员伤亡有着重大意义。

目前的地震搜救主要有人工搜索、仪器搜索、犬搜索。其中仪器搜索目前使用的是红外生命探测和雷达生命探测仪，红外生命探测仪的原理是利用温度差来检测有无人员幸存，但是无法大面积快速地探测，也无法准确定位[1-2]。在2015年提出的物联网通信技术NBIoT(Narrowband Internet of Things，窄带物联网)，具有非常强的覆盖能力、接入容量巨大和低功耗的特点，有效地克服了大部分传统地震搜救设备的缺点，而且较低的成本也使得NB-IoT技术在实际投入使用中有较好的应用前景，利用NB-IoT独有的特点实现在地震中对被困人员的定位也将大大提高对被困人员搜救的效率。

1 NB-IoT的产生背景以及标准化进展

1.1 NB-IoT的产生背景

物联网通信技术可以从通信的距离上分为两类，一种是短距离的通信技术，例如Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，这些已经比较广泛地应用于我们的智能家居行业。另一种就是低功耗广域网通信技术LPWAN(Low-Power Wide-Area Network)，主要应用于智能抄表以及智能停车等业务。其中LPWAN又分为两类，一类是需要自行组网、使用频谱范围非授权的LPWAN技术，主要为LoRa、Sigfox这两种技术[3]。而另一类就是可叠加在现有的2G/3G/LTE的蜂窝网络上的、基于3GPP标准的NB-IoT技术。

近些年来物联网发展迅速，M2M的发展前景被业内广泛看好，万物互联的概念也逐步深入人心。其中对于物联网技术的应用可以分为高速率的业务和低速率的业务，据统计低速率业务占据主要地位，而且目前低速率业务还没有与现有的蜂窝网络相结合，因此低速率的广域物联网通信技术有着非常大的发展空间[3]。NB-IoT正是在这种需求背景下产生的一种全新接入技术。

1.2 NB-IoT的标准化进展

2014年5 月以沃达丰、华为为首的CIoT(Cellular IoT)在3GPP GERAN工作组立项。在2015年5月，CIoT阵营与高通的NB-OFDMA方案融合，最终形成了NBCIOT，2015年9月，NB-CIOT再次和爱立信的NB-LTE方案融合。最终由沃达丰、华为、高通、爱立信组成的工作组，在2015年12月提出了NB-IoT的技术方案[4-5]，在2016年6月获得3GPP RAN批准，并在2016年巴塞罗那世界移动通信大会(MWC2016)上亮相，如图1所示。

图1 3GPP Rel-13中IoT项目关系

NB-IoT的3GPP核心标准部分也在2016年6月冻结，并在同年的9月份完成性能部分的标准制定，最后的标准制定也在2016年12月份完成。

2 NB-IoT的主要特性

3GPP NB-IoT工作项目总体上定义了一种有较大变动的、对于E-UTRAN非后向兼容的物联网接入新技术，以解决室内信号覆盖增强、支持巨量低速设备接入、低延时敏感、超低设备成本、低功耗等问题。下面介绍NB-IoT的主要特性。

2.1 部署灵活

根据NB-IoT立项中RP-151621的规定，NB-IoT支持三种部署场景[6]，如图2所示。

1)单独部署(Stand-alone)，利用单独的频带与LTE中的频带不重叠。

2)保护带部署(Guard-band)，部署在LTE的保护频带之内。

3)带内部署(In-band)，部署在LTE频带之内。

图2 NB-IoT的三种部署方式

2.2 高容量、高覆盖率

NB-IoT可以直接部署于2G/3G/LTE网络中，与现有的射频天线也可以复用。根据TR45.820的仿真数据，可以确定在独立部署方式下，NB-IoT的覆盖能力可达到148dB。对于小流量时延不敏感的情况下，NBIoT单个扇区可以支持5到10万个终端的接入[7]。

2.3 低成本、低延时敏感

NB-IoT的成本预估可控制在5美金之内或者更少，因此要达到目前移动通信网络的规模，运营商只需很低的建设成本。在耦合损耗为164dB的环境下，由于大量的数据重传将导致时延增加，目前3GPP IoT希望允许时延为10s，但实际可以支持更低到6s左右[8]。

2.4 低功耗、可移动性弱

NB-IoT设计最初就是为了适用于移动性不强的应用场景，在NB-IoT REL-13标准中不支持连接状态的移动性管理，包括相关测量、测量报告、切换等，达到了节省终端设备功耗的目的[9]，同时NB-IoT的设计也可以大大简化终端设备的复杂度，进一步降低终端设备的功耗，而且由于维持接入的开销减少和终端工作方式上的低功耗和芯片与模块工艺上的低电流、低功耗，使得NB-IoT在具体应用中有低功耗优势，对于户外应用的位置跟踪电池可用2～5年。

3 NB-IoT在国内的发展现状

GSMA的预测显示，NB-IoT的出现将极大地促进蜂窝物联网产业的发展，在2020年将有30亿物联网连接承载在运营商网络上，相比现在有7倍的增长。在NB-IoT方面，我国三大运营商的商用进展和规模已走在世界前列。

由于NB-IoT低速率窄带物联网通信技术的潜在应用价值大，因此我国在这方面也制定了相应的技术标准，在3GPP的支持下，已在无线接入网技术规范组会议上顺利通过，为该技术的高效利用提供了科学依据。

在国内，三大运营商已经开始抢占NB-IoT的潜在市场，中国移动公司构建了物联网开放实验室来发展芯片和模组，并计划在今年年底构建一张基于NB-IoT的公共物联网；中国联通在广州开通了首个标准化NB-IoT的商用网络，并积极争取频分复用的牌照和频段的重耕；中国电信也在深圳完成了水务的NB-IoT业务试点。

就中国电信NB-IoT的网络架构而言，该架构通过重复利用站点的基础设施，减少了部署的成本，而且基于CloudEdge平台优化的IoT专用核心网，降低了连接的成本，如图3所示。在基站的部署方面：NB-IoT与L800共站部署，在现有的L800设备的基础上开启了NB-IoT licence，大大降低了基站的建设成本。无线网络覆盖性能方面：考虑到室外基站复杂的连片规模组网，需要在密集城市、郊区、农村有着不同的覆盖能力；室内补盲方面：通过大数据分析综合考虑室内补盲，采用L800小基站等多种手段综合评估投资效益最大化。在无线网络配置能力上功率配置2×5W基本满足，2×10W可进一步加深覆盖[10]。

图3 中国电信NB-IoT的网络部署架构示意图

随着我国社会生产力的不断提高及科学技术的快速发展，NB-IoT低速率窄带物联网技术的水平逐渐提升，相关器件性能得到优化，并且全球蜂窝M2M模块在智能电表、移动支付等领域广泛使用，为NB-IoT低速率窄带物联网的发展提供了非常好的发展空间，我国也会在经济快速发展中重视该技术的发展，并进行科学评估，以便增强其适用性。

4 NB-IoT用于地震搜救中的优势

通过以上分析我们可以知道NB-IoT是可以建立在原有的蜂窝网络之上的，这就为NB-IoT在地震搜救中的应用提供了条件。一方面随着智能手机普及率的大大提高，一旦发生地震我们可以通过手机快速定位基本的受灾地点；另一方面，建筑物的突然倒塌让被困人员极大可能与手机同时掩埋在一个有限的空间内，由于倒塌的房屋不容易直接造成手机的破坏而无法接收信号，这就使得利用手机对被困人员的搜救成为了可能。同时采用NB-IoT在地震救援时具有以下的优势。

4.1 能够实现较精确的定位

在使用比如利用较高频段的设备或系统定位时，例如Wi-Fi，由于Wi-Fi的频段属于2.4G频段，对钢筋混凝土的穿透能力很弱，衰减非常大，即使通过Wi-Fi中继也不能实现准确的定位。而NB-IoT由于其低延时、低敏感度和优化的网络架构，以及采用北斗定位模块，具有精密授时功能，可以向用户提供20ns～100ns的时间同步精度，具有极高的定位精度。

4.2 可接入的容量巨大、网络覆盖能力强

设备系统如果使用非授权的频段自行组网，这种设备或系统的设计往往比较复杂，不适用于地震搜救的场景。在发生地震时，被困人员的数量往往是非常大的，普通的搜救定位设备往往不能满足这一数量要求。NBIoT的接入容量大于目前的移动通信网络，NB-IoT的一个扇区能够支持10万个连接，并且其上行传输采用3.75kHz子载波，具备更高的功率谱密度。另外还可以通过编码的方式进一步提高增益。和GPRS相比，NBIoT的覆盖率可以达到20dB。其覆盖范围更广、更深，并且NB-IoT直接部署于LTE网络，不占用现有网络的数据带宽，保证了传统业务和物联网业务同时稳定、可靠地进行。

4.3 成本、功耗低

地震搜救通常是持续多天，而且在环境比较复杂的室外，一般针对手机或者其他媒介等搜救设备的功耗和成本比较高，而智能手机的电池最多坚持1到2天，依靠这些来救援，对救援人员的时间和精力都有极大的限制[10]。如果设备或系统功耗大也不适用于长时间的搜救过程。由于NB-IoT使维持接入的开销减少，包括空中接口的信令简化，终端发送位置信息的频次减少，以及终端工作方式上的低功耗，厂家预期的单个连接模块的成本不超过5美元，NB-IoT终端模块的待机时间长达十年，可以非常方便地应用于室外的位置跟踪以及静态定位数据的采集与监测。

5 NB-IoT在地震救援中实现定位的方法

将NB-IoT技术应用于地震救援中，就是利用NBIoT实现对被困人员的定位。NB-IoT构建于通信蜂窝网络，将先于5G其它技术进行大规模应用，本身只消耗大约180kHz的带宽，成本低，容量大，不占用正常的通信信道，同时NB-IoT基站可以提供全面的室内蜂窝数据连接覆盖，方便海量智能手机、智能家居、设备标签等设备接入，为各类终端提供了室内外全天候无缝覆盖的精准位置服务，如表1所示。

利用NB-IoT基站获得智能手机或者智能设备的Mac地址和信号强度等数据后，再将获得的数据通过一定的算法减少输入数据的误差，提高准确性，快速准确地获得被困人员的具体位置。

中兴通讯NB-IoT定位团队已经利用NB-IoT基站，依靠指纹匹配定位算法，采用指纹库自建立、自学习、自更新的方案，最大限度减少了输入数据的误差，保证位置指纹库数据的精准性。与此同时，通过反复的技术和实践验证，不断优化和改进算法核心，已经将室外NB-IoT宏站系统的定位算法误差优化到20m～30m，能够满足物联网时代人和物的室外定位基本需求，且有望在未来与诸多定位方法融合，打造更高精度、更低延时、室内外无缝连接的定位系统，这种定位思想也可以应用于地震搜救系统的设计当中，最终实现对被困人员的精确定位，提高地震救援的效率和质量。

表1 传统智能搜救方案和NB-IoT方案对比

6 NB-IoT实际应用中需要解决的问题

6.1 需要为NB-IoT提供良好的商业模式

基于NB-IoT的物联网时代，要使与之相关的网络架构性能及可靠性增强，使不同要素之间能够保持良好的互联关系状态，应在NB-IoT目前的发展前提下，为NB-IoT提供良好的商业模式，才能让NB-IoT的发展趋势更加明显，且让物联网的发展水平保持在一个较高的层面，适应当前市场经济形势变化，也会为我国信息化产业规模的扩大给予必要的技术支持[11]。长此以往才能丰富物联网发展中所必要的通信方式，才能确保NBIoT在实践应用中的良好性。

6.2 保证数据安全与传输的可靠性

从功耗的角度来看，NB-IoT的网络需要比较长的网络生存周期，然而重传次数的增加也会降低NB-IoT终端设备的生存周期。而且随着网络信息重传次数的增加，数据信息的安全性和可靠性都会遭到破坏。此外，NB-IoT终端设备的增多也会消耗更多的LTE资源块。随着NB-IoT网络的深入发展，海量的接入设备可能会导致NB-IoT的网络面临严重的同频干扰问题，这也会显著降低NB-IoT网络信息传输的可靠性。

6.3 NB-IoT的演进问题

NB-IoT有可能向宽带物联网(WB-IoT)过渡演进。据当前的统计数据分析，IoT网络中三分之二以上的终端设备都具有低速率属性。然而随着社会的不断发展，IoT网络终端设备的需求也会发生变化，可能演进为低速率、中速率以及高速率并用的应用场景，这也就导致当前的NB-IoT网络不能满足将来IoT设备的异构需求。由于IoT网络有比较严格的功率要求，目前的蜂窝网络有可能不能满足IoT未来的发展需要，因此WB-IoT的发展也可能成为未来的方向。

6.4 如何提高网络资源的利用效率

在NB-IoT窄带低频物联网通信中，要求的传输性能比传统的LTE传输性能更高，因此NB-IoT还要解决带宽条件限制下的网络传输问题和单小区的多数据传播问题。在R14 NB-IoT标准中，还需要解决多载波输入的寻呼功能以保证数据资源的优化配置与管理，提高网络资源的利用效率，来促进NB-IoT技术在将来能够更广泛地使用[12]。

7 结束语

随着物联网应用的深入发展，无论是智慧城市还是行业物联网应用，物联网的通信技术必将成为今后我们不可或缺的技术，各行各业与物联网的结合也将是未来发展的趋势。NB-IoT技术与现有的地震搜救的技术相比有着低功耗、低成本、覆盖面广、低延时、低频次的特点，综合以上的特点，我们知道NB-IoT技术在地震救援中的应用前景广阔，但是要想让NB-IoT技术真正广泛应用，还是需要NB-IoT技术继续深入发展。就在2017年中国各大运营商陆续将NB-IoT技术投入商用，NB-IoT技术在国内的发展也会逐渐成熟，物联网技术也会得到更加充分的发展与技术革新。另一方面随着华为发布SingleRAN Pro解决方案，5G时代即将开启，届时更多新型的方案也会投入到智能搜救领域当中。