NB-IoT技术在物联网智能水表领域的应用

刘虎平

摘  要：针对当前供水行业运营存在的水表抄读工作效率低、工作强度大和计量结果不准确等实际问题，该文首先提出以NB-IoT技术为基础的智能水表系统架构，包括NB-IoT UE、NB-IoT BTS、NB-IoT Core、NB-IoT平台和应用服务器，然后在此基础上，对系统的工作过程进行深入分析，提出相较于传统方式该系统所具有的主要优势，以此为该项技术在智能水表领域的应用提供参考借鉴。

关键词：NB-IoT技术;智能水表;网络

中图分类号：TP393              文献标志码：A

目前的供水行业存在很多痛点，其中以水表的抄读最为严重，极易引起纠纷。对此，随着NB-IoT网络不断发展，将其应用在智能水表领域能解决很多实际问题，并减少企业人力物力的投入。

1 系统架构

以NB-IoT技术为基础的智能水表，如果按端—管—云进行系统架构建设，则从下至上可分为以下4个部分：第一部分为终端层;第二部分为网络层，象核心网及无线接入网等;第三部分为IoT平台;最后一部分为水务应用层。通过对大数据技术、物联网技术和云计算技术等的引入和应用，能将不同层面整合到一起，形成一个整体，来满足后续发展的实际需求。

（1）NB-IoT UE：在系统终端中，集成有专门的标准模组，此时借助空中接口能和基站相连。在物联网中，终端是一种基础载体，采用各类监测模块，即传感器，能使终端实现互通、控制与管理，从过去的哑巴式终端变成现在的智能化终端。

（2）NB-IoT BTS：用于完成空口接入的处理与小区管理，同时在核心网及S1-lite接口的支持下实现相互连接，把从终端中的得到数据传输至高层网元进行后续处理。它能实现独立组网，亦能和FDD-LTE组网融合。

（3）NB-IoT Core：其主要功能在于和终端非接入层实现交互，并完成UE业务签约管理和UE认证鉴权，将所有业务数据都传输至平台中进行后续分析和处理。核心网可以单独组网，也可以与LTE共用核心网。对网络进行部署的过程中，为有效减少物理网元总数，可对不同核心网元予以统一部署，形成服务网管节点。

（4）NB-IoT平台：它汇集了从不同接入网中获取的所有业务数据，同时能以不同类型为依据，将数据发送至处理器，准备后续处理，实现连接、使能、数据管理和连接的感知、诊断及控制。另外，平台利用相关协议和接口还能实现与各类终端相接入，此时对上层行业而言，无需对终端设备进行物理连接与数据的传输，即可对终端实施对象化管理。

（5）应用服务器：这是数据的最终归属，也是物联网中所有业务对应的控制核心（对上层控制而言），能以客户具体需求为依据，对数据做分析与处理等操作。基于NB-IoT平台，能对自身应用开发进行聚焦，并获取一系列从设备层中形成的数据，最后实现对设备的统一管理，包括流量计与水表等所有水务设备。

2 工作过程

对智能水表而言，它如同手机一样必须配置SIM卡（也称NB卡），用于存储数据信息。卡商负责NB卡的生产，卡商将NB卡出售给运营商，此时运营商可向卡商提供各类信息，由卡商负责写入;运营商得到NB卡后，将其出售给水表厂商或水务公司，并将其装于智能水表当中;然后水务公司要求运营商将NB卡激活，给智能水表供电，完成认证鉴权后，将其接入网络当中，实现对数据信息的接收和发送。

为与数据的传输特性相适应，在NB-IoT协议当中分别引入了2种数据传输优化措施，即CP措施与UP措施。其中，CP措施是指利用NAS来实现数据的传输，无须建立无线承载，对小数据进行分组后，根据NAS信令将其传输至MME，再传输至平台当中。而UP措施则和LTE系统十分相似，在采用RRC悬挂及流程恢复后，如果存在数据报文需要传输，则自动建立相应的承载，并利用数据面来直接传输;而没有数据传输的情况下，用户对应的上下文短时间挂起，而当需要数据传输时，立即恢复。以上2个措施和LTE相比，都能减少相互之间的交互，进而达到减少功耗的根本目标。

通过以上分析可知，对NB卡进行管理时，流程较为烦琐，但在物联网平台中，其管理人员一般要对大量设备进行管理，这些设备处在不同的环境中，如果管理较为烦琐，则会使成本大幅增加。基于此，从物联网平台角度讲，有必要按照自动化的规则来管理，即采用嵌入式NB这一方法，该方法得到了很多人的高度重视与采纳。对于嵌入式NB卡，主要是指把普通的SIM卡改造为嵌入式芯片，采用嵌入的方式设置在终端设备，即智能水表当中，以此达到远程写卡和网络化等功能要求。此时用户只需要在营业大厅进行身份等级认定，就能在网络上完成NB卡激活、换号与专网。可见，它的应用能有效提高用户感知，并使运营商的管理变得更加简化，然而，这样会削弱运营商作为主体具有的控制能力。

嵌入式NB卡并不是NB-IoT发展的最终点，下一个目标有很大概率是软NB。对软NB而言，它无物理卡片，将数据存储在操作系统当中，利用无线技术下载应用软件，可重复编程，并能实现重复编程。该SIM卡不需要物理硬件，成本很低，并且能缩小设备的总体积，为新功能及特性的增加预留足够空间。然而，它有可能损害到运营商合法权益，现在还没有很多运营商给予支持，在全球范围内的发展速度还很慢。

3 主要优势

NB-IoT主要在授权阶段工作，这一阶段的信号具有很强的覆盖度与穿透力，并且在全网范围内统一规划，可对干扰进行控制，能有效保证在复杂环境下对业务数据进行可靠和稳定的传输。

我国已经有很多运营商开始致力于NB-IoT的研究与建设，采用现有窄带物联网的网络资源，在全国进行推广。这些运营商以物联网及其专用网络为基础，与传统网络进行区隔，杜绝网络供给，为企业的访问及流量控制提供帮助，并对内网和外网进行隔离，为各级客户网络稳定运行提供保障。除此之外，还能为不同的客户建立隔离公众互联网的专用网，以此满足所有网络需求。

NB-IoT平台有很强的适应能力，能接入很多不同的终端设备，以统一协议及接口为基础，利用该平台能对各种类型及品牌的智能水表进行统一接入及管理，實现互联与互通。与此同时，呈开放状态的API还能对各类水务应用进行快速集成，达到快速构建及部署的目的。最终向企业提供一套既能控制，又能诊断和感知的智能化网络，从而满足客户提出的对终端实际工作状态进行自主查询及管理的实际需求。

4 结语

综上所述，以NB-IoT为基础形成的智能水表，其信号传输更加稳定，更能抵抗干扰，具有更强的安全性能。同时在数据传输过程中，无须所有中间环节，能直接从仪表到达数据平台，为直接控制的实现提供便利，还能降低部署方面的成本。

参考文献

[1]姚美菱，吴蓬勃，曲文敬，等.基于NB-IoT的智能水表的探讨[J].电信工程技术与标准化，2018，31（6）：32-35.

[2]黄海峰.华为打造多个NB-IoT样板案例 推动物联网市场走向规模商用[J].通信世界，2017（29）：33.

[3]李耀祖，潘建华，李博皓，等.基于NB-IoT技术的“三表合一”集抄及扩展应用研究[J].建设科技，2017（16）：22-23.

[4]黄海峰.为5G探路：华为推动4T4R、Massive MIMO、NB-IoT在4G网部署[J].通信世界，2017（13）：54.