基于NB-IoT技术的物联网仪表设计与实现
发布时间：2021-12-11 20:31
当前数字化技术的发展极大地推动了国内外各油田企业的信息化建设,同时数字化油田建设也是各油田企业在未来发展趋势的必然选择。其中数据采集与数据传输是数字化油田建设整个价值链中尤为重要的一个环节,然而油气田的开采大部分处于偏远地区,大多分散且距离远,这无疑对当前数字化油气田的发展是一种挑战。随着物联网技术的日益发展,NB-IoT（Narrow Band Internet of Thing,窄带物联网）技术应时而生,该技术很好地满足了对低功率、长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务。本文分析了当前油气田井口数据采集与数据传输所存在的不足,通过将NB-IoT技术作为纽带,并结合运营商开放的物联网平台设计实现了一种基于NB-IoT技术的物联网仪表数据传输系统。该系统包括硬件和软件设计两个主要部分,硬件设计选择基于Cortex-M3内核的芯片作为无线仪表的MCU,实现超低功率,同时将NB通信模组与数据采集模块集成在无线仪表中,完成系统硬件设计;软件设计是在硬件设计完成基础上进行的,实现了油气田井口的数据采集、处理以及存储的功能,进而通过NB-IoT通信模块将采集的数据发送至基站,最终由基站转发至...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
NB-IoT网络架构
NB-IoT是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术，其所占用的频谱带宽大约为200KHZ，其速率为几K到几十K，且可以与现有网络共存。为了便于各运营商根据自由网络条件灵活运用，NB-IoT网络可以直接在GSM（2G）、UMTS（3G）或LTE（4G）网络这三种不同的无线频带上进行部署，无需重新建网，支持终端接入量比现有无线技术多达百倍，，一个扇区可以接入十万个终端连接，降低新网络部署成本，实现平滑升级[34-36]。NB-IoT支持在频段内（Inband），独立频段（Standalone）以及保护频带（Guardband）三种运行模式，如图2-2所示。图2-2NB-IoT部署模式Standalone模式是利用非LTE带内频段进行部署，NB-IoT的功率谱密度增益12.3dB左右，频带资源丰富、覆盖更广[37-38]。相当于是独立的即在运营商的网络外面重做，不依赖LTE。Guardband模式是利用LTE载波内的保护带内进行部署[39]。其频带资源一般，覆盖一般。Inband模式是利用LTE频带内的选择180K做主载波进行部署[40]，即占用LTE的1个PRB资源，12个载波RE组成一个PRB资源，1RE相当于15KHZ的带宽，那么一个PRB资源就有180KHZ，可以选择性的占用其中的一个PRB资源进行数据传输。
西安石油大学硕士学位论文12图2-3PSM模式在PSM状态下，如核心网要下发数据，此时终端不接收下行数据，需要服务网关对于下行数据进行缓存并延迟，等待终端从PSM模式唤醒后，下发该数据。如图2-3所示唤醒终端即退出PSM模式有以下两种具体方式：第一是当终端有发送上行数据或执行周期性位置更新的需求时，它会退出PSM模式进入空闲态，最终进入连接态，主动唤醒，实现终端与网络通信，执行上行业务流程，即主动进行网络通信，上传业务数据。第二是TAU周期请求定时器超时，在该周期内，终端存在小段激活时间，可以与IoT平台进行网络交互，实现业务数据发送和接收。使用定时器的激活时长来结束通信完成后的空闲态，超时后终端进入PSM模式。PSM周期支持的最长时间可达310H，一般默认为54min。它主要决定了终端必须多久上报一次数据，类似于心跳。（2）eDRX模式eDRX作为新引入的省电技术,是原DRX技术的增强版。eDRX是在模块空闲态中引入了eDRX机制，能够周期性的在某些时刻进入睡眠状态，此时网络无法访问到终端设备，接收不到下行数据，在一定程度上达到省电的目的，并在下行数据传输时延和终端设备之间取得平衡。采用eDRX的终端一个TAU周期有一个Connecte_eDRX状态周期和一个Idle_eDRX状态周期。Idle_eDRX，顾名思义，即终端处于Idle状态下，而在一个完整的Idle过程中，会有存在多个eDRX周期，最大周期为174.76min（2.92h）。每个eDRX周期中又包含了一个PTW（寻呼时间窗口）和一个PSM周期，PTW是由MME配置给终端，是由多个DRX周期组成。由于在Idle状态RRC连接断开，不接收业务数据，不监听物理下行控制信道（NPDCCH），关闭收发单元。因此终端在PTW周期间使用DRX周期监听呼叫信道与广播信道，在寻呼时刻出现的位置上去物理信道读取P-RNTI（网络?
【参考文献】：
期刊论文
[1]大气监测无线传感器网络4G双向通信链路设计[J]. 杜英魁,姚俊豪,刘鑫,孔存良,原忠虎. 传感器与微系统. 2020(05)
[2]ZigBee无线传感器网络技术及其应用探讨[J]. 王思华,郑树强,丁轶华. 无线电工程. 2020(05)
[3]无线传感器组网通信研究[J]. 杨锐. 电子世界. 2020(05)
[4]自动化仪器仪表在油田生产节能中的应用[J]. 侯磊. 化学工程与装备. 2019(12)
[5]热工测温仪表在油田中的应用及发展[J]. 韩涛. 自动化应用. 2019(10)
[6]油田数字化发展趋势及仪表在油田生产节能中的应用[J]. 王海涛. 石油石化节能. 2019(09)
[7]NB-IoT技术简述及应用前景[J]. 谢岩. 数字通信世界. 2019(03)
[8]NB-IOT技术以及网络覆盖能力探讨[J]. 席晨晨. 中国新通信. 2018(21)
[9]窄带物联网（NB-IoT）的发展与应用[J]. 程旭. 电脑迷. 2018(12)
[10]对NB-IoT物联网覆盖增强技术的研究[J]. 张远锋. 通信电源技术. 2018(10)
硕士论文
[1]NB-IoT网络的研究与性能指标仿真[D]. 勾保同.曲阜师范大学 2019
[2]基于NB-IoT的城市公共自行车系统调度预测研究[D]. 黄志宏.安徽理工大学 2018
[3]NB-IoT终端定位技术研究[D]. 万鹏.北京邮电大学 2018
[4]NB-IoT终端安全协议一致性测试集的设计与实现[D]. 郭晓曦.北京邮电大学 2018
[5]油气生产物联网在数字化油气田构建应用研究[D]. 张英帅.西南石油大学 2016
本文编号：3535349
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
NB-IoT网络架构
NB-IoT是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术，其所占用的频谱带宽大约为200KHZ，其速率为几K到几十K，且可以与现有网络共存。为了便于各运营商根据自由网络条件灵活运用，NB-IoT网络可以直接在GSM（2G）、UMTS（3G）或LTE（4G）网络这三种不同的无线频带上进行部署，无需重新建网，支持终端接入量比现有无线技术多达百倍，，一个扇区可以接入十万个终端连接，降低新网络部署成本，实现平滑升级[34-36]。NB-IoT支持在频段内（Inband），独立频段（Standalone）以及保护频带（Guardband）三种运行模式，如图2-2所示。图2-2NB-IoT部署模式Standalone模式是利用非LTE带内频段进行部署，NB-IoT的功率谱密度增益12.3dB左右，频带资源丰富、覆盖更广[37-38]。相当于是独立的即在运营商的网络外面重做，不依赖LTE。Guardband模式是利用LTE载波内的保护带内进行部署[39]。其频带资源一般，覆盖一般。Inband模式是利用LTE频带内的选择180K做主载波进行部署[40]，即占用LTE的1个PRB资源，12个载波RE组成一个PRB资源，1RE相当于15KHZ的带宽，那么一个PRB资源就有180KHZ，可以选择性的占用其中的一个PRB资源进行数据传输。
西安石油大学硕士学位论文12图2-3PSM模式在PSM状态下，如核心网要下发数据，此时终端不接收下行数据，需要服务网关对于下行数据进行缓存并延迟，等待终端从PSM模式唤醒后，下发该数据。如图2-3所示唤醒终端即退出PSM模式有以下两种具体方式：第一是当终端有发送上行数据或执行周期性位置更新的需求时，它会退出PSM模式进入空闲态，最终进入连接态，主动唤醒，实现终端与网络通信，执行上行业务流程，即主动进行网络通信，上传业务数据。第二是TAU周期请求定时器超时，在该周期内，终端存在小段激活时间，可以与IoT平台进行网络交互，实现业务数据发送和接收。使用定时器的激活时长来结束通信完成后的空闲态，超时后终端进入PSM模式。PSM周期支持的最长时间可达310H，一般默认为54min。它主要决定了终端必须多久上报一次数据，类似于心跳。（2）eDRX模式eDRX作为新引入的省电技术,是原DRX技术的增强版。eDRX是在模块空闲态中引入了eDRX机制，能够周期性的在某些时刻进入睡眠状态，此时网络无法访问到终端设备，接收不到下行数据，在一定程度上达到省电的目的，并在下行数据传输时延和终端设备之间取得平衡。采用eDRX的终端一个TAU周期有一个Connecte_eDRX状态周期和一个Idle_eDRX状态周期。Idle_eDRX，顾名思义，即终端处于Idle状态下，而在一个完整的Idle过程中，会有存在多个eDRX周期，最大周期为174.76min（2.92h）。每个eDRX周期中又包含了一个PTW（寻呼时间窗口）和一个PSM周期，PTW是由MME配置给终端，是由多个DRX周期组成。由于在Idle状态RRC连接断开，不接收业务数据，不监听物理下行控制信道（NPDCCH），关闭收发单元。因此终端在PTW周期间使用DRX周期监听呼叫信道与广播信道，在寻呼时刻出现的位置上去物理信道读取P-RNTI（网络?
【参考文献】：
期刊论文
[1]大气监测无线传感器网络4G双向通信链路设计[J]. 杜英魁,姚俊豪,刘鑫,孔存良,原忠虎. 传感器与微系统. 2020(05)
[2]ZigBee无线传感器网络技术及其应用探讨[J]. 王思华,郑树强,丁轶华. 无线电工程. 2020(05)
[3]无线传感器组网通信研究[J]. 杨锐. 电子世界. 2020(05)
[4]自动化仪器仪表在油田生产节能中的应用[J]. 侯磊. 化学工程与装备. 2019(12)
[5]热工测温仪表在油田中的应用及发展[J]. 韩涛. 自动化应用. 2019(10)
[6]油田数字化发展趋势及仪表在油田生产节能中的应用[J]. 王海涛. 石油石化节能. 2019(09)
[7]NB-IoT技术简述及应用前景[J]. 谢岩. 数字通信世界. 2019(03)
[8]NB-IOT技术以及网络覆盖能力探讨[J]. 席晨晨. 中国新通信. 2018(21)
[9]窄带物联网（NB-IoT）的发展与应用[J]. 程旭. 电脑迷. 2018(12)
[10]对NB-IoT物联网覆盖增强技术的研究[J]. 张远锋. 通信电源技术. 2018(10)
硕士论文
[1]NB-IoT网络的研究与性能指标仿真[D]. 勾保同.曲阜师范大学 2019
[2]基于NB-IoT的城市公共自行车系统调度预测研究[D]. 黄志宏.安徽理工大学 2018
[3]NB-IoT终端定位技术研究[D]. 万鹏.北京邮电大学 2018
[4]NB-IoT终端安全协议一致性测试集的设计与实现[D]. 郭晓曦.北京邮电大学 2018
[5]油气生产物联网在数字化油气田构建应用研究[D]. 张英帅.西南石油大学 2016
本文编号：3535349
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