基于NB-IoT的5G物联网规划与部署

谭 杰

（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

5G网络技术应用的一个典型领域是物联网，物联网在通信技术革新中不断发展，规模进一步扩张，速度和效率进一步提高。在物联网发展水平提高的同时也进一步提高了对基础技术的要求，本文就5G网络背景下物联网的发展和规划进行分析。

1 物联网发展概述

物联网概念在20世纪末期被提出，国际电信联盟基于当前技术提出了包括感知层、网络层以及应用层的三层物联网网络体系。感知层作为第一层充分利用定位和射频识别等传感器设备进行数据获取，结合计算机技术实现资源数据化。网络层作为第二层借助协议和设备将数据传输到网络中，通过该层完成信息通信和数据交换[1]。应用层作为第三层，在数据收集、汇总、挖掘的基础上进行智能化定位、识别、管理以及监控。物联网技术的发展创新需要新技术的支持，因此需不断发展互联网技术、传感器技术、大数据技术以及云计算技术等[2]。

2 NB-loT技术

NB-loT作为典型广域技术，具备低功耗特征，其在智慧城市、智能家居以及智慧医疗等领域均具有良好应用前景。NB-loT技术在物联网中也具有很好的应用前景，该技术的引入和应用需要对当前的通信技术进行升级与改造，下面就NB-loT在物联网中应用的优势进行简要分析。

2.1 灵活的网络部署方式

由于NB-loT技术应用中能完全利用频谱资源，因此在利用NB-loT进行网络部署的时候可以进行频段的灵活选择。目前，NB-loT技术支持带内部署、保护带部署以及独立部署3种网络部署方式。其中独立部署过程中能够实现UMTS、LTE以及GSM的网络内部署，并且在频率上是独立的，不会干扰网络。保护带部署方式进一步提升了LTE的资源库利用率，但是过程中需要考虑系统和LTE之间的串扰问题[3]。带内部署实现了对LTE中间所有资源库的充分利用，但和LTE存在干扰问题。

2.2 覆盖增强

NB-loT技术和LTE技术相比极大提高了覆盖能力，增益提高20 dB，区域覆盖能力在LTE的基础上提升了100倍。NB-loT技术特征满足了我国农村广覆盖的要求，另外对于地铁和地下车库等特殊场所也具有很好应用性[4]。

2.3 低功耗

NB-loT为降低终端设备功耗，采用了两大关键方案进行优化。首先是增设两种传输方案以减少信令流程和不必要的开销，其次是在NB-loT中增设了终端设备休眠时间，以降低终端设备功耗[5]。NB-loT降低功耗涉及到非连续接收技术和省电模式两大核心关键技术。NB-loT在PSM省电模式下保证了终端设备不会接受其他寻呼，非连续接收技术实际是DXR技术的改造和升级，具备更长的寻呼周期，以此实现省电。

2.4 低成本

NB-loT技术在物联网的应用中采用简化协议栈，并不需要重新构建网络，直接复用天线和射频，以此降低了NB-loT技术中模块和芯片的成本。目前，NB-loT技术应用模块的成本大约在30元左右，未来希望将其控制在10元以内。

2.5 广连接

NB-loT技术因有效提升了频谱效率，因此引入后能够连接大量不同的终端设备。技术中的下行传输链路仅仅能够支持一种子载波间隔，而上行传输链路却能够支持两种子载波间隔。和15 kHz的子载波间隔相比，3.75 kHz的子载波间隔提供的容量更大，网络连接量超过2×106。

3 基于NB-IoT的5G物联网设计与规划

3.1 总体设计

本文在研究中对物联网的实际需求进行分析，引入NB-loT技术希望构建物联网智能控制方案。在数据传输中引入NB网络，这种网络数据传输方式能够满足设备多和传输距离远的需求。将STM32和BC35-G模块引入物联网设计中，不仅提高了电池使用寿命，还有效降低了所设计物联网控制器的功耗。NB-loT技术在物联网中的应用作为前进行探索之一，本文为提升其应用效果，将动态二维码扫描功能引入到智能物联网系统中[6]。

本文设计的物联网智能控制系统架构仍然是应用层、感知层以及传输层三层体系。物联网智能控制器作为传输层的核心部分，也是本文进行设计和规划的要点之一。物联网智能控制器在感知层最主要的作用是进行数据的采集和整理，包括终端设备运行参数和终端设备指标等。采集到数据之后将这些数据传输到监控管理中心（应用层），另外智能控制器还能够控制感知层中涉及到的系统设备[7]。

本文提出的基于NB-loT技术的物联网智能控制体系设计涵盖了软件设计和硬件设计两大部分。硬件部分设计中需要考虑物联网智能控制体系的基本功能和需求。为满足可视化需求可配备TFT液晶显示屏，用于监控数据的实时显示。为保证数据传输，采用NB通信、RS232或者RS485通信[8]。软件部分完成了物联网智能控制器程序的开发，实现了物联网智能控制器与云平台之间的数据传输。

3.2 硬件设计

前面分析已经指出物联网智能控制器的主要作用是实现数据的收集、整理、存储以及传送，同时还能够实现对感知层相关设备的监控、故障检测、告警等。物联网智能控制器通过传感器技术实现对终端设备运行状态和运行参数的检测，实现对各种信息和数据的采集。采集的信号进行整理、汇总、传输之后能够上传回控制中心，并且在显示系统中进行显示，另外OneNET云平台中还能够接收到其上传的数据[9]。基于此，硬件设计需要考虑采集模块、显示模块、输出模块、通信模块以及电源模块等，设计的系统结构如图1所示。

图1 物联网智能控制器的系统结构图

在物联网智能控制器的硬件设计中，采集模块包括按键电路和温度采集电路，完成对数字信号和温度的采集。通信模块包括NB通信电路、RS232电路以及RS485电路设计，输出模块包括蜂鸣器电路和LED电路设计，通过对蜂鸣器和LED的控制完成数字量输出。本物联网智能控制器的设计难点有两部分，一是实现NB通信，二是实现物联网智能控制器的基本功能。在物联网智能控制器的通信处理中，除了必要的NB通信电路外，还设计了RS232电路和RS485电路，方便对接其他设备。

3.3 软件设计

物联网智能控制器的软件设计按功能划分为数据采集模块、数据显示模块以及数据传输模块。数据采集模块主要是对温度进行采集，数据显示模块是将温度数据显示在液晶显示屏上，并且以二维码形式呈现，数据传输模块包括智能控制器上传数据和接收云平台下发的数据两部分。

OneNET云平台作为本文设计中物联网智能控制器的云平台，二维码设计采用OR码。采用OneNET云平台的主要原因是该平台下的软件开发工具包能够实现开源，有利于控制器的接入和升级。QR Code作为二维码的码制，能够实现大量信息的有效储存，而且占用的空间较小，另外该种模式还能够支持不同的数据类型，且自带纠错功能，能够实现数据分析和校正。在物联网智能控制器的设计中存在两大难点，一是OneNET云平台的接入问题，通过科学接入最终保证控制器的NB通信功能，这里考虑引入MQTT协议和AT指令实现对BC35-G模组的有效控制，还能够实现数据的科学封装及传输。二是二维码的显示问题，为保证信息的准确显示，需要进一步明确显示屏的工作原理及QR码的编码机制。

4 物联网智能控制系统构建

为构建物联网智能控制系统，简单分析了其系统实现和构建。系统构成需要涵盖基站、NB卡、智能控制器以及联网设备。本文采用NB卡进行系统的联网处理，将设备接入云平台当中，管理人员能够通过显示系统进行登录和退出，同时还能够在系统中查询相关信息。BC35-G模块在物联网智能控制系统的主要作用是进行数据传输，数据经过基站之后能够向OneNET云平台进行传递，并且传递过程中通信采用的是NB网络和MQTT协议。此外，用户和OneNET云平台之间的连接方式是IP网络，将接收到的数据以网页的形式进行展示。

OneNET云平台已经经过了长期的研发、完善以及实践，作为目前最常用的物联网云平台具备高效、稳定、安全的特征，是中国移动物联网有限公司面向公共服务进行研发的，具备自主研发产权。网络架构如图2所示，不仅能够实现智能硬件的快速接入，而且可以满足传感器接入的要求，实现了云端存储、数据分析以及海量连接的功能，极大降低了个人开发和企业部署方面的成本。同时OneNET云平台中还引入了全周期管理工具，能够实现对系统的全面管理，另外其还开放API接口用于第三方接入，为保证系统的可用性和便利性还为其开发了定制化App[10]。

图2 OneNET云平台的资源模型

5 结 论

物联网不断发展，智能物联网成为发展必然趋势。为提升物联网的发展水平，需要将大数据技术和传感器技术等新型发展技术引入到物联网建设中，为万物互联提供技术支持。目前物联网技术发展中还面临一定局限，为解决物联网发展中的瓶颈问题，需要不断引入新的技术，尤其是5G发展背景下，应充分借助其发展契机，将5G和物联网、传感器技术充分融合，让物联网发展进入新的发展阶段。