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智能电网的明智选择：窄带物联网（NB-IoT）
【摘要】随着物联网（IoT）的发展，低功耗广域网（LPWAN）技术正进入一个蓬勃发展的时代，其低功耗、长距离、大容量等优点，为当前智能电网通信提供了一种全新的解决方案。任务关键型智能电网通信需要在公用设施和具有高服务质量（QoS）的设备之间建立安全可靠的连接。拥挤的无许可频段对于未经许可的LPWAN技术来说是很难实现的。窄带物联网（NB-IoT）是在现有长期演进规范和设施的基础上发展起来的一种许可的LPWAN技术。因此，它能够提供蜂窝级的服务质量，可以被视为智能电网通信的一个有希望的候选者。本文将NB-IoT引入到智能电网中，并从数据速率、时延、距离等方面，与现有的智能电网通信中具有代表性的通信技术进行了比较，从定量和定性两个角度对智能电网通信的总体要求进行了全面的调查，并对NB-IoT的每一个要求进行了仔细的审查。进一步探讨了智能电网中具有代表性的应用，分析了NB-IoT的相应可行性。此外，通过Monte Carlo模拟，仔细评估了NB-IoT在城市和农村等智能电网通信环境的典型场景中的性能。
关键词：先进的计量基础设施（AMI）、通信技术、低功耗广域网（LPWAN）、窄带物联网（NB-IoT）、智能电网
- 引言
物联网（Internet of Things，IoT）顾名思义，是指每一个物体都是相互连接的，并具有发送和接收数据的能力。实现物联网模式的关键要素是将可能存在的任何对象与互联网无缝集成，从而在人与设备之间以及设备自身之间创建新的交互形式，通常称为机器对机器（M2M）通信[1]。物联网（尤其是M2M）方案被认为是下一代无线蜂窝系统的主要挑战，因为大多数物联网服务预计将从大量设备产生相对较小的流量和较低的功耗，而目前的蜂窝通信体系结构是为宽带业务设计的，目的是提高数据速率和频谱效率[2]。因此，模式的转变迫切需要一种新的无线技术来完善第五代移动通信网络[3]。
近年来，低功耗广域网（LPWAN）以其远距离、低功耗、低成本的通信能力，在学术界和工业界获得了前所未有的发展势头和商业利益[4]。它被广泛认为是物联网未来的无线通信标准。LPWAN技术可以完美地服务于大多数物联网应用，能够提供大规模的覆盖范围和支持每个电池数百万个设备的最大容量，以及长达10年的电池寿命。思科估计，到2020年，LPWAN市场预计将占M2M连接的28%，年复合增长率为38%。LPWAN技术的种类根据其工作频段可分为两类。一类LPWAN技术在未经许可的工业、科学和医疗（ISM）无线电波段上运行，如远程（LoRa）[6]和Sigfox[7]。另一类运行在许可的频带上，例如增强的机器类型通信和窄带物联网（NB-IoT）[8]。LPWAN技术可以应用于物联网的许多领域，如智能城市[4]，智能建筑物等。
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网基础设施中，以提高传统电网的效率、可靠性和安全性[9]。随着智能电网的发展，许多人开始努力将物联网作为一种使能技术引入智能电网，因为电网中的每一个设备都可以视为一个连接的对象。智能电网包含了大量的设备/传感器，这些设备/传感器可以自动向电网基础设施报告其信息，借助物联网技术，通过在线电力系统状态监测、诊断和保护，可以在很大程度上避免因设备故障、容量限制等造成的电力干扰和中断。目前，智能电网中有许多技术可以满足通信需求。例如，诸如光纤、数字用户线（DSL）和电力线通信（PLCs）等有线通信技术以及诸如ZigBee、无线局域网（WLANs）、无线mesh网络、WiMAX等无线技术都是可能的候选者。尽管如此，尽管这些解决方案允许在智能电网中连接物联网设备，但它们通常具有成本高、可扩展性低、电池寿命短、复杂度高和可靠性低等缺点。例如，在智能电网中，特别是在城市地区，ZigBee的覆盖范围有限，WiMAX的衍射能力弱，成为阻碍其应用的主要因素。为了更好地满足智能电网的通信需求，LPWAN技术可以提供一种全新的解决方案。
智能电网是一个关键的基础设施，它要求安全可靠的通信和高质量的服务（QoS）要求。无许可证的LPWAN技术很难满足这些要求，因为它们很可能在拥挤的无许可证频带中受到干扰。NB-IoT在许可频谱上工作，并基于现有的长期演进（LTE）功能进行设计。它能够为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设施，而不是新的蜂窝基础设施，从而减少了对公用事业专用通信基础设施的投资和应用部署所需的时间。
NB-IoT现已在LTE 13版[11]中通过第三代合作伙伴项目（3GPP）实现标准化，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，上行链路延迟低于10秒，每户最多40个连接设备，一个耦合损耗为164 dB的设备，如果用户设备平均每天传输200字节的数据，则可以达到10年的电池寿命[12]。NB-IoT有三种部署模式，如图1所示。
图1 NB-IoT的部署模式
1） 带内操作，其中NB IoT部署在占用其中一个资源块（RBs）的LTE载波内。
2） 保护带操作，其中NB IoT部署在LTE载波的保护带内。
3） 独立操作，其中NB-IoT可用于代替一个或多个GSM运营商。
文献中已有许多论文对NB-IoT的不同特性进行了研究。文献[13]-[15]对NB物联网系统进行了详细描述，并概述了物理层和更高层的设计。文献[8]描述了与NB-IoT相关的3GPP标准的演变，以及为支持NB-IoT而引入LTE标准的变化。文献[16]讨论了NB-IoT的部署研究，文献[17]提出了包括NB-IoT设备、物联网云平台和应用服务器的原型系统，文献[18]和文献[19]的研究重点是NB-IoT的覆盖。在[20]中，详细研究了NB-IoT在辅助车载继电器的机会性人群传感应用中的适用性。然而，据作者所知，NB-IoT在智能电网中的应用还存在很多问题，这也是本文的出发点。
本文将NB-IoT引入到智能电网中，并与现有的智能电网中具有代表性的通信技术进行了比较。从定量和定性两个角度对智能电网的总体需求进行了全面的研究，并对每一个需求对NBIoT的性能进行了评估。本文的贡献概括如下。
1） 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，以及典型的LPWAN技术，如LoRa和NB-IoT。详细研究了这些技术的关键性能指标，如数据速率、延迟等。
2） 我们从定量和定性两个角度对智能电网的通信需求进行了全面评估，如数据速率、可靠性、安全性和可扩展性。仔细检查每一项要求，看看NB-IoT是否能满足这些要求。在分析了NB-IoT的特点和智能电网的需求的基础上，详细研究了NB-IoT在智能电网中的应用前景和不适用的情况。
3） 通过仿真，我们评估了在四种典型的智能电网通信场景下，即农村地区（RA）、坏城市地区（BU）、典型城市地区（TU）中，采用不同部署方式运行的NB物联网的性能，以及丘陵地带。
本文的其余部分安排如下。第二节概述了现有的通信技术。第三节描述了智能电网应用的总体要求。第四节给出了一些适用于NB-IoT的应用实例。第五节介绍了NB-IoT在智能电网不同场景下的误比特率（BER）性能。第六节对本文进行总结。
- 智能电网中可用的通信技术
智能电网有许多可用的通信技术。通信技术可以分为两大类：1）有线技术和2）无线技术。有线技术通常被认为在可靠性、安全性和带宽方面优于无线技术。然而，无线通信以最少的布线确保低安装成本和灵活的部署，这可以在没有预先存在的通信基础设施的广域或区域提供连接。因此，这些技术对应用程序都有各自的优缺点。在本节中，我们简要介绍了智能电网中现有的通信技术，并将它们与NB-IoT在数据速率和延迟等性能指标方面进行了比较。结果组织在表一中。
表1 智能电网中通信技术的比较
- 有线通信技术
典型的有线通信技术有光纤通信、DSL和可编程逻辑控制器。
光纤提供高达40gb/s的数据速率、超低延迟和高可靠性。它通常用于提供骨干通信，以传输大量或实时的信息进行远距离传输。然而，光纤网络的部署和维护成本可能很高。
DSL通常指的是一套通信技术，能够通过电话线进行数字数据传输，避免了部署电力公司自己的通信基础设施的额外成本。然而，DSL的效率随着距离的增加而下降，因此它只能在短距离（VDSL约1.2km）内工作，而且电信运营商可以向公用事业单位收取高昂的使用费。
PLC利用现有的电力电缆进行数据传输，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、噪声大，信道建模困难，通过电力线传输的数据可能不可靠。然而，由于学术界和工业界取得了许多新的成果，随着PLC的迅速发展，传输问题有望得到解决。
- 无线通信技术
ZigBee是一个无线网状网络，建立在IEEE标准802.15.4[21]的基础上。由于其低功耗、低部署成本等优点，在智能电网中得到了广泛的应用。ZigBee在无证ISM乐队工作。在2.4ghz频段，估计的数据速率为250kb/s/信道，915mhz频段为40kb/s/信道，868mhz频段为20kb/s/信道。ZigBee被认为是家庭应用（如家庭/建筑自动化、消费电子和能源监测）的一个不错的选择[22]，在实际应用中，ZigBee存在一些限制，例如处理能力低、内存小和延迟要求小。此外，由于ZigBee与其他设备共享无许可频谱，因此与这些许可技术相比，它更容易受到干扰。
无线局域网（WLAN）是一种高速无线互联网和网络通信技术，俗称Wi-Fi。WLAN提供可靠、安全和高速的通信。数据速率在2～600mb/s之间，覆盖范围可达100m[23]，WLAN/Wi-Fi更适合于对数据速率要求较高的家庭和本地应用，如视频监控应用。但是，对于许多智能电网设备来说，WLAN的功耗可能太高。
Z-Wave是一种可靠、低功耗、低成本的专有无线技术，在欧洲的868mhz频段和美国的908mhz ISM频段工作。它的典型室内范围为30m，室外范围可达100m，提供9.6-40kb/s的低数据速率[24]。Z-Wave具有短距离、低数据速率的特点，是家庭区域网（HANs）中智能电网应用的理想选择。
WiMAX是一种基于IEEE802.16系列标准的4G无线技术。它提供高达75 Mb/s的数据速率、50公里的覆盖距离和10-50毫秒的低延迟[25]。WiMAX标准本机支持实时高数据速率双向宽带通信，如远程监控、实时定价（RTP）等。然而，由于WiMAX塔是基于相对昂贵的无线电设备，因此部署WiMAX可能非常昂贵，这导致WiMAX不被广泛用作智能无线平台网格应用程序。此外，WiMAX的频率高于10ghz，导致波长较短，难以通过障碍物。更糟糕的是，WiMAX的性能甚至会受到恶劣天气条件的影响。因此，WiMAX可能不是智能电网通信的合适候选者。
无线mesh网络是一个由一组节点组成的柔性网络，其中新的节点可以加入该组，每个节点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。mesh网络具有多跳路由的能力，可以实现大容量、宽覆盖范围。Mesh网络可以用各种无线技术实现，即802.11、802.15和802.16。然而，建立和维护这种拓扑结构是非常困难的。由于网络中存在冗余，因此需要持续监控。因此，可能需要第三方公司来维护和管理无线mesh网络。
LoRa是一种具有代表性的无许可LPWAN技术，在433、868或915mhz的ISM频段上运行[26]。它是由Semtech提出并由LoRa联盟进一步推动的。LoRa对开发人员很有吸引力，因为他们可以在其上构建完整的系统解决方案，而且标准LoRaWAN的规格是免费的。LoRa的调制基于chirp扩频方案，有助于对抗严重的多径衰落。LoRa的覆盖范围在市区可达8km，在RA为22km，它提供了由六个正交扩展因子确定的0.3～50kb/s的自适应数据速率范围。LoRa的低数据速率特性决定了它只适用于小播放负载的应用。
NB-IoT是一种新的3GPP无线接入技术，是在现有LTE设备的基础上设计的。它可以简单地插入LTE核心网络，并与传统的GSM、通用分组无线服务（GPRS）和LTE技术实现优异的共存性能。NB-IoT广泛地重用LTE设计，例如下行链路中的正交频分复用（OFDM）调制类型，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下行链路中达到230kb/s，在上行链路中达到250kb/s[13]。然而，NB-IoT是一种延迟不敏感的技术，其松散的延迟特性使其更适用于那些具有延迟容忍能力的应用。
备注：在智能电网环境下，通信网络可以按数据速率和覆盖范围进行分类，呈现为分层多层架构，即HAN、邻居网（NANs）和广域网（WAN）[27]，如图2所示。基于上述说明，ZigBee、WLAN和Z-Wave适用于HAN，光纤网络和WiMAX适用于WAN骨干网，而可在NAN中使用可编程逻辑控制器、DSL、无线网状网络、LoRa和NB物联网。
图2 智能电网通信层次结构的数据速率和通信范围要求
与NAN的无许可技术相比，NB-IoT能够为关键任务的网格应用提供高QoS和可靠的服务。NB-IoT具有与无线mesh网络相似的数据速
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