关键词：NB-IOT；远程抄表；智能水表
1基于NB-IoT的智能水表系统架构
基于NB-IoT的智能水表按照端、管、云的系统架构来建设，从下到上依次为终端层、网络层（包括基站侧的无线接入网和核心网）、IoT平台和水务应用层，如图1所示，通过物联网、云计算、大数据等技术将各个层面整合为一体，以满足未来演进的需求。
图1基于NB-IoT的智能水表系统架构
NB-IoTUE：系统终端其内部集成NB-IoT标准模组，可以通过空中接口连接到NB-IoTBTS(基站)。终端作为物联网的基础载体，通过增加用于水质监测、水压监测、流量监测等的传感器、NB-IoT通信模块使得终端可控、可管、可互通，由原有的哑终端逐步向智能终端演进。
NB-IoTBTS：主要承担空口接入处理、小区管理等相关功能，并通过S1-lite接口与NB-IoT核心网进行连接，将来自终端的非接入层数据转发给高层网元处理。NB-IoTBTS可以独立组网，也可以与FDD-LTE融合组网。
NB-IoTCore：承担与终端非接入层交互的功能，完成UE业务签约管理、UE认证鉴权、并将NB-IoT业务相关数据转发到NB-IoT平台进行处理。核心网可以单独组网，也可以与LTE共用核心网。在实际网络部署时，为了减少物理网元的数量，可将部分核心网元如MME、SGW、PGW合一部署，称为IoT服务网管节点。
IoT平台：汇聚从各种接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发到相应的业务应用处理器进行处理，完成连接管理（如设备管理、业务签约、数据采集、转发等)、使能管理（如数据分析、能力开放、应用生命周期管理等）、数据管理（如数据采集、分类、结构化存储、数据调用、使用量分析，提供分析性的业务定制报表）、连接感知、连接诊断、连接控制等连接状态查询等功能。平台通过统一的协议与接口实现不同终端的接入，上层行业应用无需关心终端设备具体物理连接和数据传输，实现终端对象化管理。
应用服务器：是IoT数据的最终汇聚点，是物联网业务的上层控制核心，根据客户的需求进行数据处理等操作。在NB-IoT平台的基础上，可聚焦自身的应用开发，通过IoT平台获取来自设备层的数据，并统一管理水表、流量计等各种水务设备。
2基于NB-IoT智能水表工作过程
智能水表像手机一样需要配备一张用户识别卡（SIM卡），来存储用户的数据信息、安全信息。SIM卡由SIM卡商生产，运营商向SIM卡商购买，然后提供IMSI、Key、鉴权算法、网络选择等信息给SIM卡商写入SIM卡；IoT服务商（水务公司）从运营商购买SIM卡安装到NB-IoT终端（智能水表）当中；IoT服务商通过运营商Portal激活SIM卡，终端上电，完成认证鉴权，接入到网络中，可以收发数据。
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为了适配数据传输特性，NB-IoT协议引入了两种传输优化方案：CP方案和UP方案。CP方案通过控制面NAS信令传输数据，不需要建立数据无线承载，小数据分组通过NAS信令随路传到MME，然后发往IoT平台。UP方案与LTE系统类似，引入RRC悬挂、恢复流程，当有数据报文传输的时候，需要建立数据面承载，然后通过数据面直接进行传输；当无数据传输的时候，终端、基站、MME中该用户的上下文暂时挂起，有数据报传输时迅速恢复。两方案相对于LTE均能实现空中接口信令交互减少，从而降低功耗的目的。
从上面过程可见，SIM卡管理流程繁琐，SIM卡发行面向人，而物联网平台管理者通常需要同时管理海量处于各种环境的物联网设备，管理繁琐导致会管理成本过高。故希望物联网网络平台通过自动化规则进行管理，于是eSIM(嵌入式SIM)卡方案受到大部分运营商、终端商和卡商的重视。所谓eSIM卡，就是将SIM卡变成一片嵌入式芯片被嵌入在终端设备内，具有网络化、远程写卡功能[4]。用户仅需在运营商营业厅通过身份登记后，即可通过网络远程写号平台完成入网激活、换号甚至转网等。eSIM带来的用户感知提升和运营商管理的简化，但也一定程度是削弱了运营商的控制力。
eSIM不是SIM卡演进的终点，软SIM可能会是其下一个演进目标。软SIM没有物理卡片，而是存储在设备的操作系统中一款软件，通过无线技术下载SIM卡的相关应用，可重复编程。软SIM无需SIM卡物理硬件，设备成本低，同时减少设备体积，为增加新特性和新功能留出空间。但软SIM让用户“自由”切换运营商同时，损害了运营商的利益，目前得到运营商支持较少，全球发展缓慢。
3基于NB-IoT的智能水表的优势
NB-IoT工作于授权频段，授权频段在信号穿透力和覆盖度上拥有较大的优势，而且全网统一规划，干扰可控，能够充分保障智能水表等业务在复杂应用环境下的数据信号传输的稳定性与可靠性。
中国3家运营商都已开始NB-IoT建设，借助运营商原有的2G/3G/4G网络资源，将能在全国范围进行物联网业务快速推广。运营商物联网业务基于物联网核心网专用网元，与传统网络区隔，防止恶意网络攻击，可帮助企业实现终端访问控制和流量控制以及企业内外网隔离，为客户提供安全稳定的网络。同时，可以为物联网客户构建与公众互联网隔离的虚拟专用网络，满足客户的物联网无线终端访问客户内部网络的需求。
IoT平台丰富的协议适配能力，可支持海量多样化终端设备接入，基于统一协议和接口，IoT平台可实现不同品牌、不同型号水表的统一接入和管理，互联互通。同时，开放的API可实现水务应用快速集成，实现快速构建和部署。为水务公司提供可感知、可诊断、可控制的智能网络，满足客户对终端的工作状态、通信状态实时自主查询、管理的需求。
3总结
综上所述，NB-IoT技术是新时代发展的产物，将解决众多应用场景局限性的问题，NB-IOT技术将应用于更多物联网场景，实现人人互联、万物互联。因此，基于NB-IOT的智能水表信号更稳定、抗干扰力更强、安全性更高；在数据传输方面不需要借助任何中间环节，从仪表直达数据平台，方便实现直接的控制，可有效降低部署成本，NB-IoT技术将推进智能水表的快速发展。
参考文献
[1]易国键. 基于NB-IOT远程抄表系统的设计与实现[J]. 科学与财富, 2017(24):219-219.
[2]唐明军. 基于NB-IoT的远程抄表系统的硬件设计[J]. 通信电源技术, 2019(8).
[3]胡勇虎, 于洪涛. 浅析NB-loT技术在智能水表领域的应用[J]. 数码世界(6):157-158.
论文作者:金田宗
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/12
标签：终端论文; 数据论文; 运营商论文; 智能水表论文; 平台论文; 网络论文; 业务论文; 《科学与技术》2019年第15期论文;