浅析NB-IoT技术和LoRa技术在智能抄表中的应用

引 言

随着信息化的日益普及，当今社会已步入物联网时代。物联网结合智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术， 已成为新一代信息技术的重要组成部分。低功耗广域网络（LPWA）技术能够解决物联网通信层长距离与低功耗的矛盾， 未来将成为物联网技术领域中的重要组成部分。

智能抄表是低功耗广域网络的典型应用场景之一，对系统成本、性能、数据准确度、时效性、寿命等具有较高要求。低功耗广域网络技术在针对智能抄表系统的通信解决方案中具有很大的优势，可满足物联网中远距离和低功耗的通信需求。目前低功耗广域网络技术可分为两类 ：非授权频段技术， 如LoRa，SigFox 等；授权频段技术，如 NB-IoT，LTE Cat-M 等。工作于授权频谱下，3GPP 支持 2G/3G/4G 蜂窝通信技术。其中LoRa 技术和 NB-IoT 技术是大家普遍关注的热点，具有广阔的发展前景。

1 技术特点分析

1.1 LoRa 技术特点

LoRa（Long Range，LoRa） 是 LPWAN 成 熟 的 通 信 技术中的一种，是 Semtech 公司研发的基于 1 GHz 以下的 超长距低功耗数据传输技术。LoRa 技术的网络层协议主 要为 LoRaWAN，该协议定义了网络通信协议和系统架构。 LoRaWAN 的通信系统网络主要为星状网架构，通信距离可达 15 km 以上（与环境有关），在空旷地方甚至更远。其具体技 术特点见表 1 所列。

1.2 NB-IoT 技术特点

基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）是在 3GPP release13 立项的应用于低功耗广域网 （LPWA）市场的蜂窝网络技术，只消耗约 180 kHz 带宽，直接部署于 GPRS 网络，UMTS 网络或 LTE 网络，可降低部署 成本、实现平滑升级。

（1）覆盖广。NB-IoT 的覆盖范围相比传统 GSM 网络提 升了 20 dB。按照覆盖面积计算，一个基站可以提供 10 倍的 面积覆盖。

（2）支持海量连接。相较于现有无线技术，NB-IoT 提供 了 50 ～100 倍的接入数量。一个扇区能够支持 10 万个连接。

（3）低功耗。NB-IoT 通信模组电池待机时间更长，可以 独立工作 10 年。

（4）低成本。NB-IoT 模组的成本不超过 5 美元，NB- IoT 技术在降低设备成本与设备功耗的同时，优化了网络架构。

NB-IoT 的技术特点如图 1 所示。

2016 年，工信部批准中国电信使用低频段 800 MHz 作为LTE 和 NB-IoT 广域覆盖的方案。基站同时支持LTE 和 NB- IoT 与 800 MHz LTE 基站共享基带、射频及天馈资源。中国移动和中国联通部署在 900 MHz，1 800 MHz 频段， 用于NB-IoT 和VoLTE。

NB-IoT 载波频宽为 200 kHz，除去保护带后有效频宽为 180 kHz， 相当于LTE 系统的 1 个 RB。下行子载波间隔15 kHz，与现有 LTE 系统兼容。目前全球 NB-IoT 大部分部署在 1 GHz 以下，多在 800 ～900 MHz 之间。NB-IoT 支持图 2 所示的 3 种工作模式。

(1) 独立模式（Stand-alone），为 NB-IoT设置独立的载波，占用了 200kHz带宽，其中射频带宽为 180kHz，保护带带宽左右各 10kHz；

(2) 保护带模式（Guardband），NB-IoT 工作于LTE系统的保护带，占用180kHz带宽；

(3) 带内模式（In-band），NB-IoT占用LTE载波的任意一个物理资源块PRB，但逻辑上仍是独立系统。

图 2 NB-IoT 支持的 3 种工作模式

1.3 NB-IoT和LoRa技术对比

NB-IoT 和LoRa 主要技术参数对比见表 2 所列。

根据上述分析可知，NB-IoT 和 LoRа最主要的差别在于 网络部署和频段利用的差异 ：从频率资源来看，NB-IoT 频段 稳定，已成为窄带物联网领域新的国际标准，NB-IoT 带宽窄， 可利用 LTE 带内和保护带带宽资源，无需单独申请或拍卖频 率 ；从网络部署来看，可在现有 4G LTE 网络基础上升级，利 用 LTE 已有成熟的产业链和全球广覆盖网络，实现平滑过渡， 快速升级支持 NB-IoT 发展。NB-IoT 可与 LTE 共设备，基于 已有 LTE 网络快速升级，无需单独建网，射频和天线可复用， 运营商可根据自身频谱资源和现有网络情况，选择合适的工 作模式，通过新建或网络升级的方式部署 NB-IoT 无线网络。

2 基于 LoRa 技术和 NB-IoT 技术的远程智能抄表网络系统 对比分析

2.1 基于 LoRa 技术的远程智能抄表网络系统

LoRa 主要工作在非授权频段，主要由终端（内置 LoRa 模块）、网关（或称基站）、云等组成。基于 LoRa 技术的远程 智能抄表系统总体网络拓扑主要包括水电气表集抄管理系统、 终端采集节点即水电气表（含 LoRa 射频模块）、运营商网络、 LoRa 网关、云平台等。具体网络拓扑结构如图 3 所示。终端 采集节点采集水电气表的用量信息和状态信息，LoRa 网关将 采集节点的数据通过运营商网络或者以专线的方式传到云平台 和水电气集抄管理系统，组成 3 级通信组网架构。LoRa 网关 和终端采集节点之间采用 LoRa 无线一对多的通信方式进行连 接和通信。

2.2 基于 NB-IoT 技术的远程智能抄表系统

NB-IoT 工作在授权频段，基于 NB-IoT 技术的远程智能 抄表系统总体网络拓扑结构如图 4 所示。该系统主要由终端 采集节点，带 NB-IoT 通信模块的水电气表、NB-IoT 通信基 站、NB-IoT 核心网、NB-IoT 管理云平台、客户端网络管理系 统、集抄管理系统等构成。终端采集节点通过 NB-IoT 通信模 块搜寻附近的 NB-IoT 通信基站，将采集到的水电气表的用量 信息和状态信息上传至 NB-IoT 核心网和物联网云平台，同时， 终端采集节点也可以接收来自云平台的控制数据消息。客户端 网络管理系统从 NB-IoT 管理云平台获取实时抄收到的居民用 水 / 电 / 气数据，监控各居民的实时使用情况，水电气公司通 过监测到的数据，可对用户用水 / 电 / 气进行实时阶梯调价控 制，向居民推送每月的使用量情况和扣费情况等。

由于 NB-IoT 使用运营商频段，因此通信运营商可实时 获悉每一户居民的用水 / 电 / 气情况，通过 NB-IoT 管理云平 台实现运营商对水电气公司的网络质量管理和增值业务管理， 保证了其 QoS，同时大大降低了网络的维护难度和成本。

2.3 对比分析

综上分析，基于 NB-IoT 的远程智能抄表系统较 LoRa 更 胜一筹 ：

（1）部署更方便，成本更低 ：采用 NB-IoT 部署远程抄 表系统，只需将含有 NB-IoT 的模块安装在智能表中，即可与 运营商基站实现通信，无需部署相应的汇聚网关，再通过运 营商网络将采集节点采集的数据传送至水电气集抄管理系统， 可实现 2 级通信组网架构，降低了网络部署工作量。后续扩容 亦无须考虑网络兼容性问题。而 LoRa 网络除了需要在智能表 中安装 LoRa 射频模块，还需要根据电表的数量部署相应的 汇聚网关，部署复杂度与成本较高。

（2）使用环境更安全：NB-IoT 使用运营商频段，加密性好， 环境整洁。LoRaWAN 使用免费的非授权频段，且采用异步通 信协议，是电池供电能量有限与低成本的最佳选择。LoRa 和 LoRaWAN 协议在处理干扰、网络重叠、可伸缩性等方面具有 独特特性，但无法提供类似蜂窝协议的服务质量（QoS）信息。

（3）网络质量管理优化 ：运营商对网络进行优化和管理， 降低企业成本，提供运营商级别网络保障。运营商可基于已 有网络快速搭建一张具有连续深度覆盖、低成本、低功耗、 可漫游、质量有保障等特点的窄带专用物联网，拓展新兴业务 领域。LoRa 需要由厂家维护和管理网络，虽增加了运营费用， 但方便对网络进行维护管理。

虽然 LoRaWAN 协议也是公开协议，但在实际运用中， 大多数厂家对 LoRa 设备和协议都有特殊定制，导致兼容性并 不理想。

总体来看，通过 NB-IoT 搭建稳定、安全、高可靠的双向 通信网络后，水电气公司可实现实时抄表、在线监控、实时控 制、实时报警、实时分析等功能，减少人力投入，提高运营效 率，提供更具有针对性和科学性的动态管理，有效提高能源 利用和管理水平。

3 NB-IoT 技术的应用情况

3.1 NB-IoT 在智能表中的市场应用情况

在政策和网络部署方面，中国政府对 NB-IoT 网络的建设 给予了大力支持，中国工业和信息化部在 2017 年 6月初下发了 《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》，要 求到 2020 年中国 NB-IoT 网络的基站规模达到 150 万个，实 现对全国的普遍覆盖及深度覆盖。国内三大电信运营商也加快 了建设步伐，一年内，将在全国部署超过 50 万个 NB-IoT 基站。 全球 20 多个国家在今年底将会建设 30 多张 NB-IoT 网络。

在国内市场，2017 年 3月份，全球第一个 NB-IoT 智慧水 务——深圳水务正式规模商用，在 2020 年之前将完成 58 万 个 NB-IoT 智能水表的部署 ；6月份，福州智慧水务项目宣布 正式启动规模商用部署，30 万个 NB-IoT 智能水表将开始部署； 10 月份，鹰潭 10 万个 NB-IoT 智能水表商用上线，标志着全 球第一个万量级的NB-IoT智能水表商用项目在鹰潭正式落地。

在国际市场上，葡萄牙 JANZ 公司于 2017 年 7月发布了 全球首款支持 NB-IoT 的电表，并计划在 2020 年前，在葡萄 牙全面部署基于 NB-IoT 的智能水电气表。意大利也在今年公 布了计划，将在 2020 年部署超过 1 500 万个 NB-IoT 智能水气 表。丹麦 KAMSTRUP 公司和中国华为公司一起在南美进行 了 NB-IoT 水表的试点工作。

3.2 NB-IoT 技术在其他典型业务场景中的应用

NB-IoT具有窄带宽、低功耗、广覆盖、接入数量多等特 点。除了在智能抄表业务场景中具有优势外，在城市管理、公 共服务、智慧家居等行业也具有广泛应用。

（1）智慧烟感 ：通过 NB-IoT 网络组建联网型智能烟雾报 警器，实现对公共场所及家庭住宅火灾隐患区域的监测。便于 各地街道办、居委会、网格办等部门实时了解现场情况，保障 现场人身和财产安全。

（2）智能井盖：井盖监控器终端内置 NB-IoT 模块和加速 传感器等。通过加速传感器感应井盖的位移和角度变化，并 通过 NB-IoT 网络将数据上传，经平台分析后将告警信息推送 给维修人员。

（3）智能锁 ：基于 NB-IoT 通信技术实现智能门锁的远程 开启、开门记录统计、异常警报通知、身份识别管理、权限管 理等功能，适用于智慧家庭、智能酒店、智能办公等领域。

4 结 语

本文从技术特点和智能抄表应用方面对 NB-IoT 和 LoRa 技术做了对比分析，两者分别有各自的特点和商业模式，在 IoT 市场上都将有一席之地。但笔者认为，有运营商支持和推 动的 NB-IoT 网络可以有效减少公共事业公司网络运维费用和 人力成本支出，在智能抄表领域，必将受到越来越多公共事 业公司的青睐。