基于NB-loT的
—以湖州公安电动自行车防盗系统为例
潘玉琪朱建峰魏锋叶学强浙江省湖州市公安局
摘要：无线射频识别（RFID )、无线传感器、视频图像采集等物联网（loT)技术在公安行业方兴未艾，人、车、物等对 象被虚拟地连接起来，相关数据汇聚到数据中心进行深度应用，实现服务民生、社会治理等功能。基于新兴的NB- 丨〇丁（窄带物联网）技术，以湖州公安电动自行车防盗系统为例，探索公安loT应用场景与实现方案。 关键词：RFID IoT N B-l o T公安行业应用
引言
自2009年“感知中国”的概念提出以来，物联网 (丨〇丁）技术在全社会受到了极大关注，并在近几年有了
蓬 勃发展。IoT由于其节约人力、触角广泛、性价比高等特 点，在公安侦察打击、社会治理、服务民生等多个领域均 有用武之地，应用前景极为广阔。笔者所在的湖州市公安 局已开展了多年的IoT应用，早期发端于视频监控建设，近 年来又部署了 RFID电动自行车防盗备案、应急广播、一卡 通、智能门禁等系统，并且不断拓展新型采集设备与新型 应用。但在IoT应用蓬勃兴起的同时，也存在着一些瓶颈。以RFID设备为例，标准未统一、有缝覆盖、厂商技术水平 良莠不齐等严重制约其在公安管控、公共服务等方面的应 用，也使系统基础设施建设成本居高不下，投资性价比难 以提升。
因此在建设与应用的同时，近期新兴的NB-loT (窄带 物联网）技术进入了我们的视野。该技术具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架雛等特点，可广泛应用 于多种垂直行业。鉴于上述原因，我们利用NB-loT破局公 安IoT应用，设计并实现了一种电动自行车防盗系统。
一、N B-loT技术原酿业务可行性分析
IoT业务根据其特点通常可分为三类：无需移动性、上 行数据量大、需较宽频段的业务（如视频监控），移动性 强、需执行频繁切换、小数据量的业务（如车联网），无需 移动性、小数据量、对时延要求不敏感的业务（如智能物 流、特定对象轨迹管理等）r a。NB-loT与各地公安物联网 应用中常采用的RFID同属于第三类IoT。而NB-loT是第3代 合作伙伴计划（3GPP)R13定义的无线接入技术，射频带 宽为180 kHz，上下行峰值速率不超过250 k b it/s。它主要 面向低成本、低功耗、低速率、广
覆盖的IoT业务。与传统 蜂窝网络相比，NB-loT覆盖比通用分组无线服务技术 (GPRS)增强20 dB，单小区可支持5万个连接，终端功 耗和成本大幅降低。同时为了利用长期演进（LTE)已有成 34画题 a 2017年第6期
熟的产业链和全球规模部署优势，NB-loT物理层和高层设 计尽量与LTE兼容，并支持LTE带内、LTE保护带、独立3种 工作模式[21。国内华为、中兴以及各大运营商均对该技术产 生了极大的热情。2016年底，国内首个标准化NB-loT商用 网络在广州开通，标志着国内正式开启了这一技术的商用大 幕，整个产业链在2017年上半年初步成熟。
在NB-loT现有的研究成果中，文献[1]对其应用场景进 行了业务特性分析，表1摘取了当前技术已经成熟可用于公 安行业的部分场景。
表1NB-loT典型应用场景的业务特性分析
应用场景数据
雛
移动性时延麟财
可靠性
%
定位具体应用
智能鮮健小
包业务
不要求不敏感敏感敏感>90不要求车位信息反馈
车队管理高频小
包业务
广黯不敏感不驗不驢>99要求
轴傾、
總艮告
公共健小
包业务不要求不敏感不驗>90不要求
智能垃圾桶、
城市贿监控、
智能井盖
鹏高频小
包业务
rmm不敏感不驗不輔>99要求老人、小孩'
宠物等定位
不同的NB-loT业务对网络的需求不同，如表1中公共
安全场景的固定位置业务只需要网络做定点覆盖，而移动性 较强的业务则需要广覆盖网络。已有的研
究表明这些业务是 具有可行性的。文献[3]指出，利用更先进的移动设备（如 连网的自动驾驶车辆）来扩展传统的传感器网络部署，物联 网（loT)正在经历一场触及根本的转型，该文研究即利用 NB-loT实现了车辆中各传感器的底层无线连接。文献[4]中提出了一种观察到达时差的定位方法，用于获取基于LTE的NB-loT网络中所部署移动设备的定位信息。
鉴于定位信息对公安应用的重要性，现将NB-loT与几 项主流的定位信息采集与传输技术进行适用性和优缺点方面 的比选，从而分析其在公安行业的应用可行性。优缺点主要 从系统的可靠性、数据质量、建设JS*、应用范围等方面展 开比较，结果见表2。
从表2可以看出，目前loT中可采集定位信息的几种技 表2适用性分析
献名称性分析
G P S可实现实时定位端可实时定位
驟安装_秒需结合运营商网络实现传输通信费用与采集频率直接相关館区
终端需供电
R F ID 可实现实时定位，
但衝昔助专用短程
通m^D S R C进
无尘拖链行传输。目前应用
矿泛
聰见实时定位
硬搬资大
雛不统一
w区
需借助其它网络
N B-lo T可实现实时定位賴范HT■无盲
商网络，无需自建
觸漏氐，獅寿命长
超大连接，网络目标容里
为每小区5万以城户数
网络所有節运营商
存在通信资费
目前网络建设处于起步阶段
术都有各自的优缺点，但GPS与RFID不能完全兼顾应用中
实时性、可靠性、无盲区、传输量、低成本等要求。相比较
而言，NB-loT虽然新兴，但作为后起之秀，其与生俱来的
优点无疑可弥补前两种技术的不足之处。其中最具吸弓丨力的对接扣件
是，该技术网络由运营商建设，只需对现有进行软件升
级即可基本实现无盲区覆盖，并且随着国际标准的出台（并
且雜制定有我国企业参与），很容易达到互联互通，正是
这种超强的可嵌入性使得“孤岛”问题有望解决。
理论分析可行，实践应用同样鼓舞人心。笔者所在的
湖州本地运营商已迈出了该技术网络建设的第一步：湖州联
通公司于2017年5月9曰在长兴国家大学科创园建成了第_
个NB-loT，建设方案综合考量建设成本、覆盖效果、
设备类型等多方面因素，利用现网天馈和机房资源，以
NB-loT单扇区覆盖公司楼宇。
实际市场应用也已出现。7月13日下午，中国电信北京
公司宣布新一代物联网NB-loT在京正式商用。同时，中国
电信与ofo、华为共同发布基于NB-loT技术的ofo智能单车
正式商用。与do类似，摩拜也选择了 NB-loT技术来实现车
_确定位，并定期或实时采集用户骑行轨迹、骑行速度、
综合海拔、经纬度等诸多信息。
在城市管理上，NB-loT技术也已呈现星火療原之势。
今年上半年，与笔者所在湖州市区位条件相近的江西鹰潭市
又多了一张新名片一智慧新城，而这一称谓的重要依托就
是NB-loT，该市在全国率先推动NB-loT业务试点。目前运
营商相关基础设施建设已经完成，正在运用于鹰潭各领域的
城市管理中。如位于龙虎山景区改造完成的171个NB-
|〇T智慧停车位，信江新区安装的576盏NB-loT智能路灯，
在三个小区安装的400块不用人工抄表的NB-loT水表……
Police Technology 2017年第6期
35
公安信息化
到6月底，NB-loT 开放实验室已成功孵化出应用产品30佘 种，在实际中应用的15个，稳定的终端连接数近两千个。
背光片无论是表1所列的各理论应用场景、湖州联通本地试点 的成功，还是已经实现的商业与城市管理上的应用，都进一 步坚定了我们利用该献开展公安业务应用的信心。尤其是 共享单车上的应用，管理对象'需求场景'技术实现上均与 公安电动自行车防盗系统类似，在下一部分，我们将对这一 系统的实现做详细介绍。
二、基于NB-loT 的电动自行车防盗系统的实现
(_)系统需求
为电动自行车安装一个可连网的传感器（电子车 牌），建立电动自行车身份识别，网络读取车辆终端里 的信息，作为电动自行车管理系统的基础数据传递到后台服 务器，实现定位查询、轨迹回放、预警布控等功能。
系统运行过程为：车辆标签自动发射包含多种信息的 数据包；当车辆进入覆盖范围时，就可将接收到的 数据包传至控制中心（传输之前可先进行过滤、去重等处 理），控制中心进行上层业务生成。
(二}系统实现
1■系统架构
以往基于RFID 的系统架构如图1所示。
基于NB -loT 的系统架构如图2所示。
I
图2基于N B -loT 的电动自行车防盗系统架构
与图1的架构相比，图2中外网侧的平台改由运营商提 供，然后以接口等方式通过VPN 等加密路由传输到公安网控 制中心。这一改进，具有以下优势：
(1 )利用运营商网络，专业授权频谱，高安全性；(2) 双向通信，可对终端标签下达指令；(3) 平台、标准统一，易于二次开发和不同品牌产品
的兼容；
(4 )网络运维压力小，建设成本低；
(5)无缝覆盖的网络，对于移动物体跟踪这一场景极 为适用。
2■定位实现
根据节点是否已知自身位置，我们将网络节点分为信 标节点{ beacon node )和未知节点（unknown node )。 在前述场景中，车辆标签为未知节点，为信标节点。根 据三边测量法、三角测量法或极大彳以然估计法可计算出节点 的位置。
(三}系统测试
笔者所在的湖州，已有本地运营商建设了试点NB -
l 〇T 。为进一步验证本方案的可行性，我们借助该测试
网络进行了模拟。测试数据表明，覆盖和传输质量均达到要 求，其中室内RSRP (信号接收功率）大于-90dBm 采样点 占比达到98.06%，业务建立成功率100%, UDP (用户数
36 I 警親涿d 2017年第6
期
证据智能系统图4业务建立成功率100%
图5曲线是测试人员手持终端步行或乘车的测试轨迹， 不同颜表征的是每个地点的NB 发射信号的强度 (RSRP , Reference Signal Receiving Power ，参考信号接 收功率）。RSRP 越大，表示这个地方的信号强度越好。图 中绝大多数的点位显示为绿，信号强度好。热气球燃烧器
图5终端移动测雖果
三、研究展望
声音定位本文研究基于已有的RFID 电动自行车防盗管理系统， 针对存在缺陷，提出了 一种利用新型NB -loT 网络技术的系 统解决方案。该技术在公安行业的应用场景远不止于此， 还有许多可拓展之处。浙江省公安厅及其战略合作伙伴在 这一方面已开展了深入而广泛的研究，在杭州滨江布设实 验网络，提出了如下与公安有关的NB-loT 应用场景：
(1 )机动车管理：通过机动车车牌和标签两者的有 效绑定，更容易对车辆的唯_性做出判定。提高车辆的识 别率，应用于辆查处、盗抢车辆查处等；
(2)特定对象的服务与管理：为特定对象（老人、 小孩、宠物）发放相应的标签卡，就可以对其行动范围进
据协议）灌包速度均值11.91kbps ；室外DT 测试RSRP 大于 -90dBm 采样点占比达到97.26%, SINR (信噪比）大于
OdB 采样点占比100%，业务建立成功率100%, UDP 灌包
速度均值13.81kbps 。
图4所示为终端经过覆盖范围登陆的过程。只有顺 利登陆网络后，终端才能开展一系列的相关业务。图中
“RRC Connection Setup Complete-NB ” 这条信令，说明
终端与经过一系列的交互后，被允许接入网络了。
行有效的监控管理；
(3)危险物品的管理：对某些特殊危险物品进行标 签卡标定，对物品的使用期限、使用情况、流转环节等进 行监控管理。
但在发现机遇、展望前景的同时，我们也必须正视该 技术在公安行业大面积应用所面临的挑战：
首先从技术角度来看，NB -loT 业务定位为低频、小 包、时延不敏感的业务。虽然loT 网络中67%以上的终端设 备都具有低速率属性，但同时视频监控、图像识别等广义 范围的loT 技术也客观存在，低速率、中速率，以及高速率
并存的应用场景必然会出现，这也就导致当前的NB -loT 网 络技术尚不能满足l 〇T 设备的异构同网需求。由于loT 网络 对终端设备具有严格的功耗限制，现有蜂窝网络可能无法 满足未来loT 网络发展的相关需求。因此，WB-loT (宽带 物联网）的需求也将逐渐迫切。
其次从运营商的市场应用角度来看，如前所述，NB -
l 〇T 产业链在2017年初步成熟，大规模商用在2018年之
后。NB -loT 的强势出现一方面侧面刺激了用户对低功耗 广域网的热情，激发了更多业务需求；另一方面NB-loT 产业链短期无法快速成熟，网络建设尚处在散兵游勇的试 点状态，并且标签等终端设备的价格以及通信资费还被寄 予进一步下调的希望。在部分应用场景中，用户需求迫 切，许多机会稍纵即逝，如何深耕行业应用，准NB-loT 的切入点，快速跟进，实现共赢，是运营商发展NB-loT 面临的挑战，也是公安行业用户的殷切期待。IS *
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