1、基于 NB-IoT 的公安物联网应用探索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 (Io T) 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 NBIo T (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 Io T 应用场景与实现方案。关键词： RFID; IoT; NB-IoT; 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 (Io T
2、) 技术在全社会受到了极大关注, 并在近几年有了蓬勃发展。Io T 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 Io T 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 Io T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
3、性价比难以提升。因此在建设与应用的同时, 近期新兴的 NB-Io T (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、架构优等特点, 可广泛应用于多种垂直行业。鉴于上述原因, 我们利用 NB-Io T 破局公安 Io T 应用, 设计并实现了一种电动自行车防盗系统。一、NB-Io T 技术原理及业务可行性分析Io T 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) 1。
4、NB-Io T 与各地公安物联网应用中常采用的 RFID同属于第三类 Io T。而 NB-Io T 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 k Hz, 上下行峰值速率不超过 250 kbit/s。它主要面向低成本、低功耗、低速率、广覆盖的 Io T 业务。与传统蜂窝网络相比, NB-Io T 覆盖比通用分组无线服务技术 (GPRS) 增强 20 d B, 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) 已有成熟的产业链和全球规模部署优势, NB-Io T 物理层和高层设计尽量与 LTE 兼容, 并支持 LT
5、E 带内、LTE 保护带、独立 3 种工作模式2。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-Io T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-Io T 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。不同的 NB-Io T 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
6、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 (Io T) 正在经历一场触及根本的转型, 该文研究即利用 NB-Io T 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-Io T 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-Io T 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、建设成本、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 Io T 中可采集定位
7、信息的几种技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-Io T 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。其中最具吸引力的是, 该技术网络由运营商建设, 只需对现有基站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 (并且标准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 日
8、在长兴国家大学科创园建成了第一个 NB-Io T 基站, 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-Io T 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-Io T 在京正式商用。同时, 中国电信与 ofo、华为共同发布基于 NB-Io T 技术的 ofo 智能单车正式商用。与 ofo 类似, 摩拜也选择了 NB-Io T 技术来实现车辆精确定位, 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-Io T 技术也已呈现星火燎原之势。今年上半年
9、, 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智慧新城, 而这一称谓的重要依托就是 NB-Io T, 该市在全国率先推动 NB-Io T 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-Io T 智慧停车位, 信江新区安装的 576盏 NB-Io T 智能路灯, 在三个小区安装的 400 块不用人工抄表的 NB-Io T 水表到 6 月底, NB-Io T 开放实验室已成功孵化出应用产品 30 余种, 在实际中应用的 15 个, 稳定的终端连接数近两千个。无论是表 1 所列的各理论应用场景、湖州联通本
10、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技术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-Io T 的电动自行车防盗系统的实现(一) 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, 网络基站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;当车辆进入基站覆盖范围时,
11、基站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-Io T 的系统架构如图 2 所示。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,
12、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, 基站为信标节点。根据三边测量法、三角测量法或极大似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-Io T 基站。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-90d Bm 采样点占比达到 98.06%, 业务建立成功率 100%, UD
13、P (用户数据协议) 灌包速度均值11.91kbps;室外 DT 测试 RSRP 大于-90d Bm 采样点占比达到 97.26%, SINR (信噪比) 大于 0d B 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 所示为终端经过基站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, 说明终端与基站经过一系列的交互后, 被允许接入网络了。图 5 曲线是测试人员手持终端步行或乘车的测试轨迹, 不同颜色表征的是每个地点的 NB 基站发射信号
14、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色, 信号强度好。三、研究展望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-Io T 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-Io T 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
15、定, 更容易对车辆的唯一性做出判定。提高车辆的识别率, 应用于套牌车辆查处、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-Io T 业务定位为低频、小包、时延不敏感的业务。虽然 Io T 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 Io T
16、 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-Io T 网络技术尚不能满足 Io T设备的异构同网需求。由于 Io T 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 Io T 网络发展的相关需求。因此, WB-Io T (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-Io T 产业链在 2017 年初步成熟, 大规模商用在 2018 年之后。NB-Io T 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-Io T 产业链短期无法快速成熟,
17、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, 找准 NB-Io T 的切入点, 快速跟进, 实现共赢, 是运营商发展 NB-Io T 面临的挑战, 也是公安行业用户的殷切期待。参考文献1李建军.NB-Io T 组网方案研究J.移动通信, 2017, 41 (6) :14-18. 2邹玉龙, 等.NB-Io T 关键技术及应用前景J.中兴通讯技术, 2017, 23 (1) :43-46. 3V.Petrov, A.Samuylov, V.Begishev, D.Mol
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