NB-IoT技术及其在交通基础设施安全监测中的应用

近两年，窄带物联网（NB-IoT）在产业界迅速升温，从运营商、平台商到终端产业链都投入了极大的热情，各种技术力量、资金迅速涌入，围绕NB-IoT的应用形成多个生态圈、产业联盟推动NB-IoT与不同产业深度融合，并取得了一定的成效，如智慧城市中的智能水表、智能电表、智能路灯、智能消防等，智慧农业中的智能灌溉、家畜的智能养殖等，环境监测中的气象、水文等数据采集等，智能交通中的共享单车智能锁等。但对NB-IoT的认识，目前还存在不少的误区，同样是基于蜂窝网络的无线传输技术，与现有的4G蜂窝网络有什么异同？从行业应用的角度看，在交通运输领域，从智慧交通和交通运输高质量发展的要求看，NB-IoT可以发挥什么样的作用？笔者结合一些参考资料，结合交通运输行业的需求，谈一谈粗浅的认识。

一、低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）初认识

关于LPWAN，笔者很赞同物联网智库CEO赵小飞的观点，LPWAN是为了补齐物联网万物互联时代连接需求的通信层短板。按照物联网的感知层、通信层、平台层和应用层的四层架构来看，通俗地说就是“端-管-云-用”的架构，在“管”这一级需要LPWAN，才能满足“万物互联”的要求。

物联网未来市场规模，从IDC、Gartner、麦肯锡等研究机构的预测报告来看，在未来的3-5年内其连接的设备数量至少在200亿以上，相对与目前的人与人的通信连接（手机）量是数量级提升的连接市场，具有广阔的产业前景。在这百亿级的连接需求中，有约20%的设备，也就是几十亿个（有机构预测2023年可以达到30亿的连接数量），同时具备以下的连接特点，一是广泛分布、位置偏僻、环境复杂，对信号覆盖要求较高，运营商现有的蜂窝网络不能实现全覆盖，存在信号盲区；二是设备功耗要求低，采用电池供电，持续供电能力在10年以上，不需要更换电池，WIFI、移动蜂窝网络的高功耗不能满足要求；三是设备传输数据量少，频次低，对时间延迟不敏感，若采用运营商现有蜂窝网络连接，既占用网络资源，产生的流量费又少，是“大马拉小车”“杀鸡用了宰牛刀”的浪费，对运营商而言无利可图，没有运营商愿意基于现有的蜂窝网络承载这些设备的数据传输任务；四是长距离传输，现有的蓝牙、ZigBee、WiFi最大仅能达到百米左右的传输距离，不能满足长距离传输要求。

为了满足上述设备的连接要求，补齐网络连接的短板，就需要重新构建一个通信网络，该网络及其连接的设备具有以下的特点：

1、超低功耗

设备与网路进行通信连接时，由于传输数量少、频次低、平时设备处于睡眠状态等，对设备电池电量消耗低，确保电池可以持续供电10年以上，满足长期免维护需要。比如城市水表的智能抄表，一般只有在月底进行远程抄表时才唤醒，并且其传输的数据只有数KB，就是数据小、频次低的设备。

2、广覆盖深覆盖

是指对网络的要求，相对于目前的运营商的网络，单基站的连接覆盖范围可以达到十几公里，通过增强覆盖，在恶劣环境下可以实现较好的信号穿透，信号可以实现上天入地，基本可以消灭信号覆盖盲区的问题。

3、超大连接能力

单个基站的设备连接能力达到数万甚至十万个，相比于传统蜂窝网络，连接能力得到大幅提升，可以有效支撑万物互联的需求。

4、低成本低带宽

一方面是终端设备芯片的简化设计，使内置基于LPWAN标准通信模块的设备整体成本降低，另一方面是数据传输的量少、频次低带来的应用方支付给网络运营商的流量费（连接费）用低，如中国电信推出的全球首个NB-IoT套餐8年的连接费用才仅仅105元，年均10几元的设备连接费仅相当于现在动辄每年数百元的4G设备流量费的零头。

具备上述特点的连接通信网络，业界就称之为低功耗广域网络（LPWAN），它的出现就补齐了物联网通信层的连接短板，使“万物互联”的愿景成为可能。

从LPWAN的特点可以看出，围绕这一连接需求的产业必定是规模化产业，从设备制造商的角度看，设备生产设备低成本的需求下需要上到一定规模的产量才可以产生利润，从网络运营商的角度看，在连接费用低廉的前提下只有设备连接数量达到一定规模后，也才能产生规模利润，从应用方的角度看，在小数据、低频次传输的前提下只有数据达到一定的规模后，才能具有深度挖掘、科学分析决策的能力，因此，基于这样连接需求的一定是大场景应用，端-管-云-用需要通力合作的应用，因而出现各种产业联盟也就是顺利成章的事情了。哪些应用场景需要用LPWAN进行连接？笔者简单地理解，一是静止或者慢速移动的连接目标，二是设备不能连续在线持续传输数据，三是数据传输数量小、时效性要求不高。

目前，LPWAN的技术标准已经有几十个了，产业界耳熟能详的也差不多有十几个，这些技术标准要么是由相应的标准组织制定，要么是由相应的企业或者企业联盟制定。其阵营根据标准是否基于授权使用无线电频谱，可以分为授权频谱和非授权频谱两种技术标准。其中授权频谱标准著名的有3GPP标准化组织主导的NB-IoT和eMTC标准等，非授权频谱知名的有LoRa、Sigfox标准等。

二、聚焦窄带物联网（NB-IoT）

在诸多LPWAN技术标准中，NB-IoT在国内能够脱颖而出，甚至一马当先，主要基于以下的原因。

1、国家政策的大力支持

2017年6月16日，工信部下发《全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》，明确以14条举措全面推进NB-IoT建设发展，到2020年建设150万NB-IoT基站、发展超过6亿的NB-IoT连接总数。通知明确建设广覆盖、大连接、低功耗移动物联网（NB-IoT）基础设施、发展基于NB-IoT技术的应用，有助于推进网络强国和制造强国建设、促进“大众创业、万众创新”和“互联网+”发展。这说明加强NB-IoT标准与技术研究，细分领域的应用，逐步形成规模应用体系，打造完整产业体系，健全NB-IoT完整产业链，促进产业全面发展，已经上升为国家战略布局层面，必将引领NB-IoT产业进入全面发展的快车道。

2、三大运营商的积极布局

首先，中国电信在去年就已经完成NB-IoT网络部署，全网31万个基站实现同步升级，建成了全球最大的NB-IoT网络。同时，在落地方面，中国电信经过对NB-IoT网络和物联网平台的联动优化，大大提高了智慧城市中水、电、气等抄表的上报成功率，降低了上报过程中的低时延等问题。

其次，中国联通在去年第三季度完成了NB-IoT核心网建设。到今年5月，NB-IoT基站规模超过30万个，基本可以做到全国覆盖，这是继中国电信之后第二张覆盖全国的NB-IoT网络。去年6月，中国联通发布了物联网新一代连接管理平台，目前该平台已经超过了8000万的连接、近两万的行业客户，其中每月新增连接数在300-400万左右，已经成为全球最大的单一连接管理平台，预计到今年底，中国联通物联网连接数将突破1.3亿个。

再次，中国移动NB-IoT网络在2017年已开通346个城市，实现端到端规模商用。预计2018年，中国移动的NB-IoT网络将连续覆盖扩至全国县市城区。

3、主流通信商的主导

首先，NB-IoT是由3GPP标准化组织来推动完成的技术标准。其次，参与NB-IoT标准制定的均是世界主流的通信商如华为、沃达丰、高通、爱立信、诺基亚、中兴等。NB-IoT标准就是在华为、沃达丰、高通主导的NB-CIoT技术方案和爱立信、诺基亚、中兴主导的NB-LTE技术方案相互融合的基础上，由3GPP组织最终敲定，可以说，NB-IoT目前是低功耗广域网络领域最主流的技术之一。

4、产业界的倾情投入

2017年工信部的《通知》中明确“组织建立产业联盟，建设NB-IoT公共服务平台。支持研究机构、基础电信企业、芯片、模组及设备制造企业、业务运营企业等产业链相关单位组建产业联盟，强化NB-IoT相关研究、测试验证和产业推进等公共服务，总结试点示范优秀案例经验，为NB-IoT大规模商用提供技术支撑。”此后，中国窄带物联网的发展方兴未艾，中国NB-IoT产业联盟成立，汇聚NB-IoT产业链芯片、模组、设备、平台、运营商等多方力量，共建NB-IoT产业链生态，共同构筑成熟的端到端产业链，促进NB-IoT产业的快速发展及商用部署，孵化新型生态圈中的商业模式。一年多来，根据中国信通院2018年4月发布的《NB-IoT行业发展研究报告》显示，NB-IoT在智能家居、智慧农业、智慧城市中的智能路灯、停车场、公交站台、水表、燃气表、水务检测、气体监控、消防等领域都开展了广泛的商用或试点，呈现出了良好的发展势头。华为预测到2018年底在中国窄带物联网将有1.5亿个连接，随着中国市场的规模的不断扩大，将有助于降低NB-IoT设备和服务成本，形成一个长期良性发展态势。

三、交通基础设施安全监测的需求

交通运输部2017年交通运输行业发展统计公报显示，截至2017年末，全国铁路营业里程达到12.7万公里，全国公路总里程477.35万公里；年末全国四级及以上等级公路里程433.86万公里，二级及以上等级公路里程62.22万公里，高速公路里程13.65万公里。年末国道35.84万公里，省道33.38万公里。农村公路里程400.93万公里，其中县道55.07万公里，乡道115.77万公里，村道230.08万公里。年末全国公路桥梁83.25万座、5225.62万米，其中特大桥梁4646座、826.72万米，大桥91777座、2424.37万米。全国公路隧道16229处、1528.51万米，其中特长隧道902处、401.32万米，长隧道3841处、659.93万米。

从统计的信息看，交通运输行业呈现出点多、线长、面广的特征，同时又是国民经济发展的支柱性行业，很多交通基础设施都是穿山而建、遇水而架，地理环境、地质条件、地形地貌复杂，在洪水暴雨等自然灾害发生时，极易出现护坡边坡滑坡垮塌、路面路基下沉塌陷的险情，一些公路路面长期受超重超载车辆碾压，超负荷运行，造成路面过早损坏损毁。交通基础设施的安全问题一般都不是突然发生的，基本上是由小险逐渐积累最后发生大险，造成交通阻断、路产损毁等经济损失。如果能够做到对交通基础设施的安全状态进行实时监测，通过布设在路侧、路基、桥梁、隧道等位置的传感监测设备及时发现隐患、及时预警、及时处置，做到未雨绸缪，防患于未然，就可以有效防范滑坡垮塌、下沉塌陷等险情的发生，确保在交通基础设施安全的基础上，保障整个交通运输过程的人畅其行、货畅其流。

但目前的状况显然并不容乐观，对交通基础设施安全状态的监测，除了在机电设施条件比较完善的高速公路、重要桥梁、长大隧道外，绝大多数设施还不能实现传感设备的实时监测，并不在管理部门的实时监测范围之内，而是仅仅靠养护部门的日常巡检发现隐患问题，这样必然是效率低下，而且一些隐性的隐患并不容易被发觉。不能大量布设传感设备对交通基础设施进行实时监测的一个重要原因是成本太高，一是设备成本高，二是布设成本高，三是运维成本高，尤其是在普通国省干道、县乡村道，既不具备供电条件，也不具备网络条件（用移动运营商网络流量费太贵），更是难上加难。

四、NB-IoT在交通基础设施安全监测的应用设想

在2017年通信展上，进行了NB-IoT应用于山体滑坡监测及预警演示，一旦遇到地质灾害，多个内置NB-IoT通信模块的传感器监测山体异常情况，实现触发数据上传，通过小区广播实时对灾区附近用户进行信息预警，并远程告知政府、气象、公安等行业主管部门。关于NB-IoT+北斗对山体状态进行监测的相关应用的可行性也在业界进行了探讨。

受此启发，笔者认为将NB-IoT技术应用到交通基础设施安全监测中，从技术上来说应该是可行的。基于NB-IoT通信模块的传感设备成本低、布设易、长期免维护，NB-IoT基站覆盖能力强，连接不受地理条件限制，连接容量大，能够满足密集布设传感设备的要求，依托运营商的NB-IoT网络进行数据传输，连接费用低廉。因此，可以在道路路基边坡、桥梁隧道等交通基础设施中大量布设内置NB-IoT通信模块的传感设备，对其形变进行监测，传感设备一旦监测到这些交通基础实施的安全状态达到预警值，马上触发传感器向监测监控平台发出预警，然后采取相应的处置措施。

目前，产业界对NB-IoT虽然热情高涨，但在应用场景的落地方面还是太局限，大多聚焦在智能水表气表、智能路灯、智能垃圾桶、智能烟感器等。交通基础设施安全监测应该是NB-IoT的一个新的广阔的应用场景，从交通管理的需求来看，交通基础设施的安全监测是智慧交通全面“可测”的必然要求，也是交通运输高质量发展的必然要求；从产业界来看，显然这是一片蓝海，是未开发的处女地，是NB-IoT规模化产业的新战场、新增长极，从供需双方来看有需求，从技术上来说是可行的，因此，我们有理由为此充满信心和期望。

注：本文撰写参考了赵小飞《物联网沙场“狙击枪”》一书，在此一并向作者致谢。

作者简介：

乔川龙，湖南省交通运输厅科技信息中心，博士，主要研究方向为智能交通、交通运输信息化宏观政策等。地址：湖南省长沙市天心区湘府西路199号  电话：13469047755