基于新型远程通信NB-IoT的“秒级”感知技术研究

唐伟宁，鞠默欣，孔凡强，吴尚阳

(1.国网吉林省电力有限公司营销服务中心，长春 130062；2.黑龙江科技大学，哈尔滨 150022)

随着电力行业的快速发展，用户对供电质量和可靠性的要求也越来越高，使得电力营销业务使用各类智能终端进行在线实时数据交互的需求变得日益迫切[1]，尤其是远程通信，即电力终端与采集主站之间的通信要求更高。随着多种新兴通信技术的应用，当前电力用户用电信息采集领域中，电网公司普遍使用的全球移动通信系统/通用无线分组业务(GSM/GPRS)等2G远程通信技术逐渐变得落后[2]，时而发生通道被语音数据堵塞，电力数据无法及时传输的问题，且运营商在未来几年将逐步退出对GSM/GPRS通信服务。可以说，对数量庞大的智能接入终端进行通信方式的升级替代已迫在眉睫，也是适应泛在电力物联网建设和发展的必然趋势[3]。

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)即窄带物联网，作为新兴物联网技术[4]，具有低功耗[5]、低成本、深覆盖[6]、海量节点等优点，支持三大运营商的通信制式，能够实现用电信息采集主站与电能表之间的工业级远程无线通信。本文利用新型物联网NB-IoT远程通信技术，构建基于NB-IoT远程通信技术的用电信息采集系统，实现对各类用户数据信息的“秒级”感知，为公司泛在电力物联网建设提供有力支撑。

1 基于NB-IoT远程通信技术的用电信息采集系统构建

1.1 基于NB-IoT远程通信技术的用电信息采集系统架构

基于NB-IoT技术的用电信息采集系统主要由系统应用层即主站、网络传输层和终端采集层三部分组成，全面采集大型专变用户、中小型专变用户、三相一般工商业用户、单相一般工商业用户、居民用户和公用配变考核计量点等6类，以及分布式能源接入、充放电与储能接入计量点的电能信息等数据，构建完善的电能信息数据平台，系统架构见图1。

图1 NB-IoT用电信息采集系统

1.2 NB-IoT远程通信入网部署

NB-IoT网络是运营商直接对核心网络的升级改造，可以通过运营商基站，接入核心网，其接入方式有三种，接入架构见图2，图中COAP为受限应用协议。

图2 NB-IoT系统网络接入架构

NB-IoT架构支持用户不经过运营商的IoT平台，直接与TCP服务器连接，即NB-IoT设备可以通过运营商核心网连接用户主站。

NB-IoT模组入网具体流程如下。

a.模组上电复位，进行初始化，包括模组本身的初始化过程，对SIM卡初始化过程，读取SIM卡信息等操作。

b. 公共陆地移动通信网络(PLMN)选择，即根据SIM卡信息选择运营商网络。

c.选择运营商后，进行扫频操作，模组会根据预先设置的带宽的先后顺序扫频，频率搜索如下：搜索开始先从“先验频点”开始SCS搜索即快搜；先验频点，指上次成功驻留过的频点，保存在非易失性存储器(NV)空间中；如果没有“先验频点”，或者在“先验频点”未搜到小区，则SCS搜索会被拒绝，然后开启CCS慢速搜索。

d.频率搜索最终可以找到选定频点可用的小区信号。

e.系统消息解读，即读取小区系统消息，会根据小区的信号强度将小区按照先后顺序进行排列，然后根据S准则来判断小区是否可用。

f.搜索到可用小区之后，就会发起网络附着请求，并触发建立无线资源控制链路(RRC)链路请求。

g.随机接入过程即接入运营商基站，若随机接入失败将重新发起。

h.随机接入成功后，收到基站的RRC建链回复命令，RRC建立成功。

i.RRC建立成功后，收到基站附着请求接受回复命令，附着过程完成，用户可进行其它业务逻辑操作。

1.3 基于NB-IoT远程通信技术的用电信息采集系统工作模式

NB-IoT业务系统主要分为两种应用模式，一为主动上报工作模式，二为被动接收上报工作模式。

1.3.1 主动上报模式

主动上报属于深度降低功耗模式，保证应用终端在约定的时间内用最低功耗满足数据上报的要求。首先，设备电路初始化，进入正式工作模式，待到预设约定的时间就开始向主站上传指定的数据，完成数据上传后接到主站下发的响应后说明终端主动上报成功，之后等待下一次执行主动上报；否则，如未接到响应，说明本次数据上传失败，要重新进行数据上传直到终端接收到主站的响应，具体流程见图3。

图3 主动上报模式的业务流程

图4 被动接收上报模式的业务流程

1.3.2 被动接收上报模式

被动接收上报主要由主站来控制各终端的工作状态，此种模式下系统的主动权交由电力公司掌握，有利于地区全局控制。首先，设备电路初始化，进入正式工作模式，常态下终端一直在等待主站下发的召测指令，如接到主站的召测指令，终端开始上传本次指定的数据，数据发出后如接到主站确认响应说明本次数据上报成功，之后再次进入常态等待模式，如果未收到确认响应，则要重复发送本次数据，直到终端收到本次主站的确认响应为止，具体流程见图4。

2 现场测试

为进一步验证NB-IoT的通信效果，根据本文提出的基于NB-IoT远程通信技术采集系统建设方案，搭建现场测试环境，选择3块电能表，安装NB-IoT远程通信模块，通过主站分别抄读这3块电表的当前反向有功电能示值(F131)、当前正向无功电能示值(F130)、当前正向有功电能示值(F129)，NB-IoT通信时延测试结果见表1，抄收状态成功。

通过表1可以看出NB-IoT的实时传输时延仅为2～3 s，能够实现“秒级”抄表。

表1 NB-IoT通信时延测试

3 结论

本文利用新型物联网NB-IoT远程通信技术，构建泛在电力物联网下，能够实现对各类用户数据信息“秒级”感知的用电信息采集系统，为重点关注用户提供更高效、更经济、更稳定的物联网接入方案，为国家电网公司泛在电力物联网建设方面开辟新途径。