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        NB-IoT技術在電磁水表中的應用

        時間:2022-06-20 14:50:27 點擊:27次

        對于水務行業來說,供水管網中安裝運行的水表使用環境比較復雜,高溫、低溫、井下安裝、長時間浸泡在水里、污水腐蝕等環境因素考驗著水表的性能及使用壽命。由于水務行業對低功耗性能的關注,物聯網技術中的低功耗廣域網技術開始嶄露頭角,其中NB-IoT技術具備的低功耗、廣覆蓋、海量連接、低成本四個特點成功在電磁水表市場上占據一席之地。

        在低功耗方面,NB-IoT無線傳輸模塊(以下簡稱NB模塊)的待機時間可長達10年,與超低功耗設計的電池供電型電磁水表使用壽命相當。NB模塊可在省電模式下工作,能極大地降低電量消耗和延長電池使用壽命。NB-IoT技術在通用移動通信技術的非連續接收功能基礎上進行優化,采用功耗節省模式和增強型非連續接收模式。這兩種模式都是通過終端發起請求和移動性管理實體核心網協商的方式來確定。在功耗節省模式下,NB模塊仍舊注冊在網,但不接收信令,從而使終端更長時間駐留在深睡眠;在增強型非連續接收模式下,NB模塊延長在空閑模式下的睡眠周期,減少信號接收單元不必要的啟動。在電磁水表應用場景中,有效結合兩種模式來降低無線傳輸功耗,延長電池使用壽命。

        在廣覆蓋方面,同頻段的NB-IoT網絡比現有網絡增益約20dB,相當于提升100倍區域覆蓋能力。窄帶、重傳、低頻三大技術是NB-IoT技術實現強覆蓋能力的三劍客。NB-IoT網絡上行載波帶寬為3.75kHz或15kHz,相比現有2G、3G、4G物理資源塊帶寬的180kHz,功率譜密度增益約為11dB,即log((200mW/15KHz)/(200mW/180KHz))=10.7dB,說明NB-IoT網絡單位帶寬所攜帶的能量比2G、3G、4G更高,因此,同等情況下可覆蓋更遠距離。相比傳統方式,NB-IoT網絡支持更多次數的重傳,重傳次數每翻一倍,速率就會減半,同時帶來3dB 的增益,考慮邊緣場景下的速率以及小區容量,NB-IoT網絡上行重傳次數最大一般限為16次,對應9dB的增益。NB-IoT網絡雖然可以部署于任何頻段,但考慮覆蓋需求,一般選擇1GHz以下的低頻頻段部署,相比高頻,低頻具有路徑損耗更低、繞射能力更強等優點,更加適合遠距離覆蓋。

        因此,窄帶技術增益約11 dB和重傳技術增益約9 dB,讓NB-IoT網絡比現有網絡增益約20dB,再加上NB-IoT網絡部署在低頻頻段上,窄帶、重傳、低頻三大技術共同保證了NB-IoT網絡的廣覆蓋能力。而水表在井下安裝時,與智能手機相比,高度差導致信號差約4dB,如果再蓋上井蓋,將額外增加約10dB損耗,因此,NB-IoT網絡增益約20dB 后可保障水表井下安裝時的數據傳輸。

        在海量連接方面,NB-IoT網絡一個扇區能夠支持10萬個連接。NB-IoT網絡利用窄帶傳輸,其上行載波帶寬僅為3.75kHz或15kHz,在等效功率下,大大提升信道容量,再減小空口信令開銷,提升頻譜使用效率。NB-IoT技術在基站側進行優化,使用獨立的準入擁塞控制,以及終端的上下行信息存儲;在核心網進行優化,實現終端上下行信息存儲,且下行數據緩存,來實現海量連接。

        在低成本方面,NB-IoT技術首先在協議棧的物理層、MAC層等進行重大簡化,降低運算開銷。其次在運營商建網成本方面,由于射頻和天線可復用,NB-IoT網絡就不需要重新建網。最后對于產業鏈來說,芯片在NB-IoT技術整個產業鏈中處于基礎核心地位,現在主流的芯片和模組廠商都有明確的NB-IoT技術支持計劃,這將打造一個好的生態鏈發展環境,有助于下游應用企業降低元器件材料成本。

        由此可見,NB-IoT技術非常適用于電磁水表場景中低功耗、高網絡可靠性、低成本、小包數據傳輸、時延不敏感、非長連接的通信場景。

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