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智能电网的明智选择：
窄带物联网（NB-IoT）
李玉科，IEEE学生会员，程翔，IEEE高级会员
曹阳，王德新，学生，IEEE成员，IEEE研究员杨柳青
摘要：目前，随着物联网（IoT）的发展，低功耗广域网（LPWAN）技术正处于蓬勃发展的时代，由于其低功耗的卓越特性，低功耗广域网（LPWAN）技术可能会为当前的智能电网通信提供全新的解决方案，射程远，容量大。关键任务智能电网通信要求公用事业与设备之间具有安全和可靠的连接，并具有高服务质量（QoS）。由于拥挤的免费许可证频段，对于未经授权的LPWAN技术，这很难实现。窄带物联网（NB-IoT）是经过许可的LPWAN技术，是根据现有的长期演进规范和设施开发的。因此，它能够提供蜂窝级别的QoS，从此可以被视为智能电网通信的有希望的候选者。在本文中，我们将NB-IoT引入智能电网，并在数据速率，时延，范围等方面将其与智能电网通信中现有的代表性通信技术进行比较。对定性观点进行了全面研究，并对每种观点进行了仔细的NB-IoT检查。我们将进一步探索智能电网中的代表性应用，并分析NB-IoT的相应可行性。此外，通过蒙特卡洛模拟仔细评估了NB-IoT在智能电网通信环境（例如城市和农村地区）的典型场景中的性能。
关键词：LPWAN(低功耗广域网)；NB-IOT（窄带物联网）；智能电网；AMI(高级计量基础架构)；通信技术；智能电网
I．引言
顾名思义，物联网（IoT）表示每个对象都已连接并且具有发送和接收数据的能力的概念。启用IoT范式的关键要素是潜在的任何对象与Internet的无缝集成，这在人与设备之间以及设备本身之间创建了新的交互形式，通常称为“机器对机器” （M2M）通信[1]。 IoT（尤其是M2M）场景被认为是下一代无线蜂窝系统的主要挑战，因为大多数IoT服务预计会从大量设备中产生相对少量的流量并降低功耗，而当前的蜂窝通信架构是为宽带服务而设计的，旨在获得更高的数据速率和频谱效率[2]。因此，范式的转变迫切需要一种新型的无线技术来完善第五代移动网络（5G）[3]。
最近，一种称为低功耗广域网（LPWAN）的新无线技术由于其远程，低功耗和低成本的通信能力，已经获得了学术界和业界的空前发展势头和商业兴趣[4]。现在，它被广泛视为物联网的未来无线通信标准。 LPWAN技术可以提供最广泛的覆盖范围，并具有支持每个单元数百万个设备的巨大能力，并且电池寿命长达10年，因此可以完美地服务于大多数物联网应用。思科估计，到2020年，LPWAN市场预计将占M2M连接的28％，复合年增长率为38％[5]。 LPWAN技术的种类可以根据其工作频带分为两类。一组LPWAN技术在未经许可的工业，科学和医学（ISM）无线电频带上运行，例如LoRa（远程）[6]和Sigfox [7]。另一组在许可频段上运行，例如增强型机器类型通信（eMTC）和窄带物联网（NB-IoT）[8]。 LPWAN技术可以应用于物联网的许多领域，例如智能城市[9]，智能建筑等。
智能电网是下一代电力系统的新概念，它将自动化控制和现代通信技术集成到电力中电网基础设施，以提高常规电网的效率，可靠性和安全性[10]。随着智能电网的发展，许多努力开始将物联网作为一种启用技术引入智能电网，因为网格中的每个设备都可以视为一个连接对象。智能电网包含大量设备/传感器，可自动将其信息报告给电网基础设施. 借助物联网技术，可以通过在线电力系统状态监测，诊断和保护来很大程度上避免由于设备故障，容量限制等导致的电力干扰和停电。到目前为止，有许多技术可以满足智能电网中的通信需求。例如，诸如光纤，数字用户线（DSL）和电力线通信（PLC）之类的有线通信技术以及诸如ZigBee，无线局域网（WLAN），无线网状网络和WiMAX [11]等无线技术。都是可能的候选人。尽管如此，尽管这些解决方案允许在智能电网中连接IoT设备，但它们通常具有各种缺点，例如成本高，可伸缩性低，电池寿命短，复杂性高和可靠性低。例如，如果在智能电网中（尤其是在城市地区）采用ZigBee的有限覆盖范围以及WiMAX较弱的衍射能力将成为主要障碍。为了更好地满足智能电网的通信需求，LPWAN技术可能会提供全新的解决方案。
智能电网是关键任务基础架构，它要求安全和可靠的通信以及对服务质量（QoS）的要求。 无许可证的LPWAN技术很难满足这些要求，因为它们很可能会受到拥挤的无许可证频段的干扰。 NB-IoT在许可频谱上运行，并基于现有LTE功能进行设计。 它能够为具有特定服务等级的长期服务水平协议提供基础，这是未经许可的技术无法达到的。 此外，与LoRa和Sigfox相比，NB-IoT依赖于现有的蜂窝基础架构，而不是新的蜂窝基础架构，因此减少了对公用事业专用通信基础架构的投资，并减少了应用程序部署所需的时间。
图1 NB-IoT的部署选项
目前，NB-IoT已通过第三代合作伙伴计划（3GPP）在长期演进（LTE）版本13 [12]中进行了标准化，并得到了华为，爱立信和高通的大力支持。 NB-IoT的目标是确保设备成本低于5美元，上行链路延迟时间低于10秒，每户最多40台连接设备，耦合损耗为164 dB的设备以及10年电池寿命。用户设备（UE）平均每天发送200个字节的数据[13]。 NB-IoT的部署选项共有三种模式，如图1所示：1）带内操作，其中NB-IoT被部署在占用资源块（RB）之一的LTE运营商内部，2）保护-频段操作，其中NB-IoT部署在LTE运营商的保护带内； 3）独立操作，其中NB-IoT可以代替一个或多个GSM运营商使用。文献中的许多论文都研究了NB-IoT的不同功能。在[14]-[16]中提供了对NB-IoT系统的详细描述以及物理层和高层设计的概述。在[8]中描述了与NBIoT相关的3GPP标准的演进，以及引入LTE标准以提供对NB-IoT支持的更改。在[17]中，讨论了NB-IoT的部署研究。在[18]中，已经提出了包括NB-IoT设备，IoT云平台和应用服务器的原型系统。 [19]和[20]中的研究集中于NB-IoT的覆盖范围。在[21]中，详细研究了NB-IoT在辅助车载继电器的机会性人群感知应用中的适用性。然而，据作者所知，将NB-IoT应用于智能电网时，仍有许多问题需要调查，这激发了我们的研究兴趣。
在本文中，我们将NB-IoT引入智能电网，并将其与智能电网中现有的代表性通信技术进行比较。 从数量和质量两个角度全面研究了智能电网的总体需求，并针对每个智能电网评估了NBIoT的性能。 本文的贡献可以总结如下：
-我们调查了智能电网中可用的通信技术，包括ZigBee和WiMAX等传统技术，以及LoRa和NB-IoT等典型LPWAN技术。详细研究了这些技术的关键性能指标，例如数据速率，延迟等。
-我们从定量和定性的角度对智能电网的通信要求进行了全面评估，例如数据速率，可靠性，安全性。以及可扩展性。仔细检查了这些要求中的每一项，以查看NB-IoT是否可以满足要求。此外，在对NB-IoT特性和智能电网需求进行分析的基础上，对NB-IoT的有前景智能电网应用以及不适合的智能电网应用进行了详细研究。
-通过模拟，我们评估了智能电网的四种典型通信场景（即农村地区，市区贫瘠地区，典型市区和丘陵地带地区）在不同部署下运行的NBIoT的性能。
本文的其余部分安排如下。 在第二部分中，概述了可用的通信技术。 第三节描述了智能电网应用的总体要求。 第四部分给出了适用于NB-IoT的一些应用示例。 第五部分显示了智能电网中不同场景下NB-IoT的误码率（BER）性能。 第六节总结论文。
II. 智能电网中的可用通信技术
有许多可用于智能电网的通信技术。 通信技术可以分为两大类：有线和无线技术。 在可靠性，安全性和带宽方面，通常认为有线技术优于无线技术。 但是，无线通信可确保最低的安装成本和最少的布线即可进行灵活的部署，这可以在不存在预先建立的通信基础结构的情况下在广泛的区域内提供连接。 因此，这些技术中的每一种对于应用程序都有其优点和缺点。 在本节中，我们简要介绍智能电网中的现有通信技术，并在性能指标（如数据速率和延迟）方面将其与NBIoT进行比较。 结果列于表I。
A.有线通讯技术
代表性的有线通信技术是光纤通信，数字用户线（DSL）和电力线通信（PLC）。光纤提供高达40 Gbps的高数据速率，超低延迟和高可靠性。它通常用于提供骨干通信以远距离传输大量或实时信息。但是，光纤网络的部署和维护成本很高。 DSL通常指的是一套通信技术，可通过电话线进行数字数据传输，从而避免了部署电力公司自己的通信基础设施的额外费用。
但是，DSL的效率会随着距离的增加而下降，结果是它只能在短距离（VDSL约为1.2 km）上运行。此外，电信运营商可以向公用事业公司收取高昂的价格以使用其网络。
PLC利用现有的电力电缆进行数据传输，从而降低了通信基础设施的安装成本。由于PLC的信号传播环境恶劣且嘈杂，通道难以建模，并且通过电源线进行的数据传输可能不可靠。尽管如此，得益于学术界和业界的众多新兴成果，PLC的快速发展有望解决传输问题。
B.无线通信技术
ZigBee是基于IEEE标准802.15.4 [22]构建的无线网状网络。 由于其低功耗和低部署成本，它已被广泛应用于智能电网应用。 ZigBee在未经许可的ISM频段上运行。 估计的数据速率在2.4 GHz频带中为每个通道250 kbps，在915 MHz频带中为每个通道40 kbps，在868 MHz频带中为每个通道20 kbps。 ZigBee被认为是家庭应用的一个不错的选择，例如家庭/楼宇自动化，消费类电子产品，能源监控[23]。 在实际使用中，ZigBee受到一些限制，例如处理能力低，内存大小小，延迟要求小。 此外，由于ZigBee与其他设备共享免许可频谱，因此与那些许可技术相比，它更有可能受到干扰。
无线局域网（WLAN）是一种高速无线Internet和网络通信技术，通常称为Wi-Fi。 WLAN提供可靠，安全和高速的通信。 数据速率范围从2 Mbps到600 Mbps，覆盖范围可达100米[24]。 WLAN / Wi-Fi更适合具有较高数据速率要求的家庭和本地应用，例如视频监视应用。 但是，对于许多智能电网设备而言，WLAN的功耗可能过高。
Z-Wave是一种可靠的，低功耗，低成本的专有无线技术，在欧洲的868 MHz和美国的908 MHz ISM频段中运行。 它通常具有30 m的室内范围，可扩展到100 m的室外范围，并提供9.6-40 kbps的低数据速率[25]。 凭借短距离和低数据率功能，Z-Wave是家庭局域网中智能电网应用的理想选择。 WiMAX是基于IEEE 802.16系列标准的4G无线技术。 它提供高达75 Mbps的数据速率，50 km的覆盖距离和10-50 ms的低延迟[26]。
WiMAX标准本身就支持实时的高数据速率双向宽带通信，例如远程监控，实时定价等。 但是，由于WiMAX塔基于相对昂贵的无线电设备，因此部署WiMAX可能会非常昂贵，这导致WiMAX未被广泛地用作智能电网应用的无线平台。 此外，高于10 GHz的WiMAX频率会导致波长短，使其难以穿过障碍物。 更糟糕的是，恶劣的天气条件甚至会影响WiMAX的性能。 因此，WiMAX可能不是智能电网通信的合适候选者。
无线网状网络是由一组节点组成的灵活网络，其中新节点能够加入该组，并且每个节点都充当一个独立的路由器。 这种拓扑的自组织和自愈特性大大提高了网络的可靠性。 网状网络具有执行多跳路由的能力，因此可以实现宽覆盖范围和大容量。 网状网络可以用各种无线技术，即802.11、802.15和802.16来实现。 但是，此拓扑的设置和维护非常困难。 由于网络中存在冗余，因此需要持续的监督。 结果，可能需要第三方公司来维护和管理无线网状网络。
LoRa是在433、868或915 MHz ISM频段上运行的代表性无执照LPWAN技术[27]。 它由Semtech提出，并由LoRa联盟进一步推广。 LoRa对开发人员具有吸引力，因为他们可以在其之上构建完整的系统解决方案，并且免费提供标准LoRaWAN的规范。 LoRa的调制基于线性调频扩频（CSS）方案，该方案有助于抵御繁重的多径衰落。 LoRa的覆盖范围在城市地区可达8公里，在农村地区则可达22公里。 它提供了0.3到50 kbps的自适应数据速率范围，该速率由六个正交扩频因子确定。 LoRa的低数据速率特性决定了它仅适用于播放负载较小的应用程序。
NB-IoT是新的3GPP无线电接入技术，并基于现有LTE设施进行设计。 它可以简单地插入LTE核心网络，并与传统GSM，通用分组无线业务（GPRS）和LTE技术实现出色的共存性能。 NB-IoT广泛使用LTE设计，例如下行链路中的正交频分复用（OFDM）类型的调制，上行链路中的单载波频分多址（SC-FDMA）。 NB-IoT的峰值数据速率能够在
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