NB-IOT在智慧照明LED路灯应用探讨.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 158 NB-IOT 在智慧照明 LED 路灯应用探讨 陈玉辉 熊 专 王青平 曾凡军 何艳玲 中节能晶和科技有限公司，江西 南昌 330000 摘要：摘要：智慧照明是运用通信技术实现对 LED 路灯的远程控制、监测和管理，随着信息技术和通信技术的发展，以安全、可靠、高效等方面为发展趋势，不断涌现出各种新型通信技术，围绕目前主流的 PLC、ZigBee、LoRa 等智慧照明通信技术的优缺点做阐述，结合基于 NB-IoT 技术设计的智慧照明应用实际案例,就终端设备离线率高、丢包等问题进行分析，从信号干扰、环境干扰、硬件性能方面对部分区域集中性 NB 网络问题进行分析和总结。关键词：关键词：智慧照明；NB-IoT；网络问题 中图分类号：中图分类号：TM615 0 引言 随着万物互联时代的到来，物与物之间的连接方式也在不断发展和更新，对于物联网通信技术，每种都有优缺点和适合的应用的场景，满足不同的市场需求。城市照明作为物联网技术的一个重要应用领域，随着城镇化建设的推进，绿色、低碳被纳入生态文明建设整体布局，“双碳”目标深入人心，城市照明也成为开展低碳减排行动和实施双碳战略的主要阵地，智慧照明降碳场景也随处可见。1 智慧照明路灯发展现状与前景 在国家加强环保和节能实现“双碳”目标指引下，智慧照明路灯作为城市智能化建设的重要载体，及节能减排的重要抓手之一，从最初无线 ZigBee 到电力线载波 PLC 再到移动蜂窝网络的应用，智慧照明作为新型物联网基础设施的典型应用，也是伴随着智慧城市推荐的产物,是多种新技术和功能的集合体，以绿色、智慧、和谐、特色发展为需求，实现照明资产设施维护及照明事件管理的全要素、全方位、全过程管理，智慧照明必将满足更多的生活需求。2 智慧照明 LED 路灯控制技术分类与优缺点 2.1 ZigBee 无线通信技术 ZigBee 是一种低功耗、低数据速率、短距离传输的无线通信物联网技术，通常用于单个节点 200 米范围内的设备数据传输，每个节点都可以作为协调器、路由器或终端设备,具有自组网和自修复的能力，在数据传输时是动态组网和动态路由，网络节点是实时变化的，将数据从一个节点传输到另一个节点，每次计算出最佳路径，当最佳路径受阻或者繁忙不能及时进行传输时，可重新发起路由寻找过程，通过对其他节点进行探测，确定另一个畅通的路径进行通信。虽然Zigbee具有低成本、低功耗、自组网的优点，但其如遇网络状况不稳定可能导致网络建立时间长等问题，网络规模过大或者节点移动频繁，甚至可能会导致网络拥堵或分裂，且使用2.4G免费公共无线频段，易受外界干扰或者攻击，通信安全性和可靠性较低。2.2 PLC 电力线载波技术 PLC 电力线载波通信技术是利用电力线作为信息传输媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的通信方式，利用现有的电力线进行数据传输，因而不需要重新架设无线网关。电力线载波通信虽具有成本低、网络布置维护方便等优点，然而配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，不支持跨变压器通信，所以需在每个变压器布署网关，且市电系统很可能作为公共电网，存在各种干扰，在不同负载的产生的各种电磁干扰会降低传输质量和效率，对电网要求较高。2.3 LoRa 无线通信技术 LoRa 无线通信是一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术，具有低功耗覆盖广域的特性。由于 LoRa 协议工作在非管制频段，所以两个节点在通信过程中，如果受到周边其他同频节点干扰，将严重影响通信质量，很容易出现数据丢失的情况，影响 LoRa 通信系统的稳定性，甚至导致无法正常通信。多个 LoRa 设备在 LoRa 网络中发送数据时，需自中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 159 行组建无线网络，通过 LoRa 网关将数据汇总与云端服务器进行交互，不仅施工难度增加，且增加了设备故障点。2.4 NB-IoT 无线通信技术 NB-IoT 无线通信与上述介绍三种通信不同，是基于 5G 技术方案的窄带物联网技术，依托电信营运商基站为载体，具有覆盖广、成本低、功耗低、穿透性强、数据安全等诸多优点，已经成为物联网中不可分割的一个重要组成部分,凭借着自身的独特优势,在社会发展中发挥了巨大的社会价值,现已成为物联网发展新的指向标。2.4.1 成本分析 NB-IoT 无线通信因无需建立专门的基站网关实现网络覆盖，只需在现有的 LTE 基站设备上进行升级和优化，即可支持基站直接对终端设备通信，实现与服务器的数据直接交互，大大降低了网络建设和后期运维成本，再 NB-IoT 低功耗、低带宽和低速率的特性，降低了模组和通信电路成本。NB-IoT 无需自行组建网络，减少了设备故障点，可靠性更高，减少了建设前期投入，运行管理更方便，降低了后期运维成本。2.4.2 通信安全性 NB-IOT 是通过运营商基站直联，具有数据加密和基于 SIM 卡的身份验证功能，保证通信的安全性。SIM 卡作为身份识别媒介，通信模组作为通信媒介，用于连接 NB-IoT 网络的硬件设备，两者是相对独立又相辅相成的关系，对整个 NB-IoT 网络系统的安全性起着至关重要的作用。从营运网络方面，NB-IoT 工作于授权频谱并且基于蜂窝技术设计，依赖于运营商基站布局，采用端到端加密技术，为用户提供更加安全、更加可靠的通信服务，在数据传输和设备认证方面提供电信级的安全，使得通信更加安全可靠，有效地防止信息的泄露和被窃取。从物联网卡方面，SIM 卡作为物联网终端上的安全载体之一，用户身份标识以及登网鉴权的安全介质，基于其安全运算能力，可以提供通信安全服务，包括为数据传输提供加解密运算及完整性校验服务，确保数据传输的安全性。从整体方面，物联网 SIM 卡具备唯一的 ICCID，通信模组具有唯一的 IMEI 号，只要将 ICCID 和 IMEI 号第一次使用激活后即绑定，若营运商检测有更换设备，则会对此物联网卡进行封停，SIM 卡无法使用，需申请解绑方可恢复，保护智能设备的安全。2.4.3 通信响应速度 NB-IoT 是一种专为低数据速率应用而设计的双向通信技术，即同时支持上行和下行通信，可支持高达200 kbps 的数据速率，同步的通信协议在较短的下行延迟可以为需要大量数据吞吐量的应用提供快速的数据传输速率。NB-IoT 终端设备与网络基站直连至后端服务器平台数据交互，支持较低的时延。3 NB-IOT 应用于智慧照明 LED 路灯的技术难点及解决方案 NB-IoT 技术在智慧照明 LED 路灯的应用中，目前也仍然存在诸多技术难点和待解决的问题，作为一种低速率窄带物联网通信技术，专为低通信频率、小数据量的应用场合而设计，然而当前营运商考虑到NB-IoT 技术特性等诸多因素，暂时不会在所有 LTE 基站做升级支持 NB-IoT 网络覆盖功能，若在城市高楼大厦遮挡，则部分道路可能会造成 NB-IoT 信号未必能达到 100%覆盖，即便调整基站发射功率，通信盲点也只能削减，且消除了这个覆盖盲点，有可能在其他的地方又形成新的覆盖盲点,再加上如果增加基站对盲点进行直接覆盖，NB-IoT 基站小区信号在同一区域覆盖重叠，会形成相互牵扯的形态，对基站小区的相互干扰问题将提出更高的要求，所以解决信号干扰和优化通信质量成为 NB-IoT 应用需面对的艰巨任务。3.1 上线率、丢包率问题及解决方案 智慧照明是为提升对 LED 路灯的科学化、精细化管理水平，达到节能减排的目的，网络通信要求高并发和低延时，由于基站带宽的限制，高并发容易导致NB 基站通信阻塞，出现设备离线或者丢包情况。为了提高 NB-IoT 终端设备的通信上线率，采用离散时间分配机制，将 NB-IoT 终端设备进行编号，生成唯一的设备编码，根据终端设备周边基站小区分布情况，将区域划分若干小区域，每个小区域中对设备再按顺序若干数编为一组，对编成的若干小组设置不同离散延迟时间，以此解决网络通道设备同时入网造成拥堵问题，提高物联终端的上线率，降低数据丢包率中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 160 问题。以江西省南昌市高新区艾溪湖北路应用示范路段为例，全场约 5.7KM，整体应用灯控设备数量为 489台，整段区域测试主要占用基站小区 9 个以上，按照信号覆盖情况，将小区域中设备按顺序六台设备编为一组，分别对小组进行设置间隔 5S 的离散时间，如第一组延时 0S，第二组延时 5S，第三组延时 10S，以此类推，在采用此离散机制后，小区基站的负荷能大大减小，提高设备整体上线率。此外，可根据实际环境情况，灵活调整间隔离散时间的配置参数，达到最佳效果，据统计自 2021 年 12 月份开始运行以来，总体上线率达到 98.5%以上。3.2 信号质量差原因 3.2.1 信号干扰 NB-IoT 具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于各行各业，随着 NB-IoT技术的发展，各种终端设备应用越来越广泛，为了满足容量需求，NB-IoT 基站不断新增，导致同一区域基站小区覆盖数量越来越多，而 NB-IoT 为低频、窄带的通信网络，当小区业务量较大、小区间重叠覆盖较严重时，造成邻区的底噪提升，导致同频干扰越来越严重，形成区域网络信号接收功率很好，通信质量却很差的现象。衡量信号质量的好坏一般主要看信号接收功率（RSRP）和信噪比（SNR）两个数值。SNR 代表信噪比，是信号功率和噪声功率的比值，信号质量的重要指标之一，比值越大越好。信噪比可以是正值也可以是负值，负信噪比意味着信号功率低于噪声功率，在负信噪比条件下通信是非常困难的。RSRP 是代表无线信号接收功率，取值范围一般为-44-140dBm，值越大越好。所以即使信号接收功率很强，如果信噪比很低，通信质量也会很差。以南昌市红谷滩区红谷南大道应用路段为例，平台数据显示局部区域终端设备掉线率偏高，且每次离线数量和设备均不稳定，为了分析其原因，对区域进行现场勘查测试，发现该区域地处市中心路段，周边为学校，并无高楼大厦，有 3 个基站小区信号覆盖,其中一次的测试数据为：110（RSRP:-69.3、SNR:-14.3）、144（RSRP:-78.5、SNR:-9.6）、146（RSRP:-58.7、SNR:4.8），整体趋势为 RSRP 值相对都比较好，但 SNR值却很低，说明信号存在被干扰的问题。经过与营运商专业技术人员现场排查和数据分析，确认该区域 NB信号源较多，导致存在重叠覆盖干扰，造成区域网络信号接收功率很好，但通信质量很差的现象，且此干扰存在一定的不稳定性。3.2.2 环境干扰 NB-IoT 信号质量除网络覆盖的重叠干扰外，与周边环境因素和地理位置有着重要关系，建筑物、树木等障碍物都会影响信号的传输和接收，影响 NB-IoT 网络的覆盖范围和稳定性，特别是湖面反射对周边信号质量的干扰尤为严重。以南昌市红谷滩区九龙湖大道应用路段为例，四周视野相对宽阔，挑选靠近湖面位置 1 和相对远离湖面位置 2 用相同设备同时段进行多次入网测试，位置 1和位置 2 距离相差约 5-10M，位置 1 区域相比位置 2区域终端设备上线率要低很多，整个区域信噪比和信号接收功率都不是很好，测试设备越靠近湖面，信号质量参数越差，表 1 为其中一次测试数据。经过与营运商技术人员现场勘查分析和统计数据表明，确认湖面对信号存在一定的折射，信号被削弱，导致终端设备整体上线率较低现象，且不同时段、天气情况下干扰也不同，存在一定偏差和波动。表 1 网络质量数据 区域 PCI RSRP SNR 覆盖小区 位置 1 92-84.3-3.6 91、92 位置 2 92-80.2 7.2 91、92 3.2.3 硬件性能 随着 NB-IOT 技术的不断发展，标准的不断完善，通信芯片制造商与模组封装厂商也不断对产品进行优化和升级。通信模组的抗干扰能力和芯片内部算法也是直接影响设备联网成功率及丢包率的重要因素。以目前使用的国内头部模组封装厂商为例，推出的第二代 NB 通信模组时，则采用了第二代通信芯片做整体设计，且模组内部也改善电路结构、提升抗干扰能力和优化数据传输，相比第一代在联网成功率及丢包率方面有明显改善。在实际测试验证中：以红谷滩区九龙湖大道、红谷南大道、岭北三路、碟子湖大道 4 个区域测试点为例，在同批次、同型号、同规格的设备上分别使用第一代和第二代模组各 6 台在同区域、同时间、同方法进行 5 次上电联网测试，相当于共测试 4*6*5=120 次，中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 161 每次上电 10 分钟，断电 2 分钟，经统计数据结果表明第二代模组上线率比第一代模组明显高，整体丢包率也有明显降低，如表 2。表 2 连网率和丢包率数据 芯片模组 测试 总次数 测试上线率 测试丢包率 上线次数 上线率 丢包次数 丢包率 一代模组 120 101 84.17%7 6.93%二代模组 120 116 96.67%0 0.00%4 结束语 NB-IOT 技术在智慧照明应用中安全性和实时性相对都有显著提高，针对并发导致上线率低、丢包率等问题，也提出了一种离散策略方法，在实际应用中也有显著效果，然而面对终端设备应用的复杂环境和场景，出现基站通信质量差的问题，从信号干扰、环境干扰、硬件性能方面进行现场测试和分析，不管从通信芯片制造商与模组封装厂商还是通信营运商，从实际应用出发，应不断的探索和总结，寻求出更加有效的方法解决此类问题，为 NB-IoT 的应用提供更加良好的体验，更好的推动智慧照明 LED 路灯应用的发展，这也是一项较为艰巨和复杂的持续性工作。参考文献 1吕军.中国电信NB_Iot异常接入问题分析研究J.数据通信,2020(02):28-35.2林明绢.NB-IOT 站点干扰排查方法初探J.信息通信,2020(07):188-191.3张洪伟,吴磊,左坤明等.基于等效仿真规划 NB-IoT网络干扰问题研究J.邮电设计术,2019(06):9-14.4王雪涛,刘海涛,马燕茹.NB-IoT 并发终端错峰接入的 研 究 J.电 信 工 程 技 术 与 标 准化,2019,32(10):83-87.5任强.NB-IoT 网络质差小区分析与优化方案J.数字通信世界,2020(06):18-20.作者简介：作者简介：陈玉辉，男，大专，从事电子信息、物网联技术的综合应用研究，以及主导产品开发计划、方案可行性评估、软硬设计开发到验证再到量产阶段。