一、请论述蜂窝物联网相较于非蜂窝物联网的优势及劣势，以及蜂窝物联网技术中，NB-IoT相较于其他蜂窝物联网技术的优势及劣势。
蜂窝物联网相较于非蜂窝物联网的优势及劣势
优势：
1.具有强大的核心网，支持用户移动漫游。
2.政策导向，使用授权频谱。授权频谱受到严格的限制和保护，只允许授权用户及其符合规范的设备接入，而且用户要为此进行付费。目前，公安、铁路、民航、广电、电信等重要的部门均拥有一定的授权频谱，这些部门内设备的通信是运行在其授权频谱上的，尤其是电信行业，我们每天使用的手机就是通过运营商拥有的授权频谱来通信的，三大运营商都拥有国家无线电管理局授权的专用频段，保障公众移动通信不受干扰。
3.政府背书，支持，但自主独立性下降
4.覆盖范围广，由于蜂窝物联网使用现有的移动网络，因此已经存在广泛的覆盖范围。一个人也可以处理设备在各个国家和城市的分布。这对于任何信息至关重要的物联网项目都是必要的，尤其是对于属性、移动性和其他技术公司活动的监视。
5.可以远程管理，定期测试和监视任何涉及蜂窝物联网设备的物理设备非常重要。您可以使用在线物联网系统远程监视链接的已连接设备并对其进行故障排除，而不受地理位置的影响。此优点意味着可以通知服务技术人员，而不必在每个系统中搜索异常情况。因此，蜂窝连接消除了干扰，并大大减少了与现场服务相关的费用。
劣势：
数据受运营商牵制，无法自主，蜂窝物联网由主要运营商运营，行业若使用蜂窝物联网，则其数据需要通过运营商管道进行传输，无法实现数据的自主安全。同时，使用运营商业务需要进行相应流量付费，成本较高。设计，开发，维护和支持大型技术的蜂窝物联网系统是相当复杂的。成本高
NB-IoT相较于其他蜂窝物联网技术的优势及劣势：
优势：
1.广覆盖，基于4.5G的蜂窝IoT在物联网应用中的优势显著，为传统蜂窝网技术及蓝牙、Wi-Fi等短距离传输技术所无法比拟。在同样的频段下，基于4.5G的蜂窝IoT比现有网络增益20dB，覆盖面积扩大100倍。
2.海量联接，基于4.5G的蜂窝IoT一个扇区能够支持10万个联接。目前全球有约500万个物理站点，假设全部部署基于4.5G的蜂窝IoT，每个站点三个扇区，那么可以接入的物联网终端数将高达4500亿个。
3.超低功耗，基于4.5G的蜂窝IoT的功耗更低，仅为2G的1/10，终端模块的待机时间可长达10年。同时其在成本上也将更低，模块成本有望降至5美元之内。未来随着市场发展带来的规模效应和技术演进，功耗和成本还有望进一步降低。此外，在支持大数据方面，基于4.5G的蜂窝IoT联接所收集的数据可以直接上传云端，而蓝牙、Wi-Fi等技术则没有这样的便利。
4.成本低廉，由于选取授权频段上的蜂窝网络技能，NB-IoT无需重新建网，射频和天线也基本上都能够复用。再加上NB-IoT低功耗、低带宽和低速率的特性，同样降低了芯片和模组成本。
5.NB-IOT采用的是运营商统一部署覆盖全国的网络进行收费运营的方式，受到了运营商的强力支持。NB－IoT背靠运营商对于室内场景覆盖有着天然的优势。NB－IOT和蜂窝通信使用的是运营商提供的授权频段，因为是专门划分的频段，因此干扰相对要少很多，虽然实际应用中会收取一定的通信费用，但是相应的也会提供更好的信号服务质量，安全性和认证。而且针对目前蜂窝网络基站的建成更有利于快速大规模应用。
6.NB-Iot与eMTC都是国际标准。前者有成本低、电信级、高可靠性、高安全性的特点。后者与前者不同之处在于速率更高。
劣势：
1.数据传输少：基于低功耗，导致NB－IoT只能传输少了数据；
2.通信成本高：除了NB－IoT通信模块的价格之外，运营商还将收取运营费用；
3.技术并不成熟：虽然NB－IoT技术被大范围应用，但在实际应用过程中，经常出现各类故障，导致通信中断；
4.对接平台问题：电信的IoT平台走的是CoPA协议，CoPA协议对接方面复杂，为兼容传统tcp、udp通讯等，经常导致施工时间过长。
5.NB-IoT是由运营商来主导，要用到运营商的网络，因此数据是先上到运营商那里，许多企业或许不愿意把自己的数据给到别人，所以这些企业宁愿部署自己的私有物联网络，这时候就不太合适用NB-IoT。
二、川藏铁路自然环境严苛，人迹罕至，生态脆弱，建设及维护难度高，尤其存在数十公里的长隧道，请论述若建设面向川藏铁路的大规模物联网系统，可以采取何种通信网络（蜂窝、非蜂窝等）及其原因，后续需考虑哪些问题。（30分）
非蜂窝物联网可以进一步提高川藏铁路系统的智能化和集成化水平。物联网是一种高密度、低功耗、低时延的无线连接，是目前实现艰险山区铁路沿线设备信息传输的有效技术手段，随着铁路物联网技术的发展，提供一种能适配多源异构、满足宽窄带数据统一接入的信息传输通道，将成为了铁路通信技术的发展趋势，是现场数据传输方案的重要选择之一。
面向川藏铁路的大规模物联网系统，可以采取NB-IoT，因为NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。川藏铁路自然环境严苛，人迹罕至，生态脆弱，建设及维护难度高。NB-IoT，即窄带物联网，是由 3GPP标准化组织定义的一种专为物联网设计的窄带射频技术，属于 LPWAN 技术之一，适用于远距离低速率业务，具有信号覆盖范围广、多连接、低功耗和低成本的特点。NB-IoT 占用约180 kHz 的带宽，可以直接部署于 LTE 网络、GSM 网络或 UMTS 网络。使用相同频段时，NB-IoT 技术比现有网络增加约20 dB增益，覆盖面积达到现有技术的100倍，重传次数为16次；NB-IoT 技术的一个扇区可以支撑10万个连接，使用同一基站时，较现有无线技术能够提供其50～100倍的接入数量；NB-IoT 设备的电池寿命比现有设备的电池寿命提高了10年左右，并且提供较为全面的室内蜂窝数据连接。另外，NB-loT 通过多种方法大幅降低了终端芯片的成本，例如将终端的工作带宽减小到200kHz、将峰值的速率降低到100 kbps、规模化生产等。
但是NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。川藏铁路自然环境严苛，人迹罕至，生态脆弱，建设及维护难度高。而且数据受运营商牵制，无法自主，蜂窝物联网由主要运营商运营，行业若使用蜂窝物联网，则其数据需要通过运营商管道进行传输，无法实现数据的自主安全。同时，使用运营商业务需要进行相应流量付费，成本较高。设计，开发，维护和支持大型技术的蜂窝物联网系统是相当复杂的。所以目前来说我觉得采取非蜂窝物联网比较合适。
后续问题：川藏铁路是迄今为止人类历史上最具挑战性的铁路建设工程，如何通过系统科技创新，确保川藏铁路建设“高效、优质、安全、环保”是值得深入思考的问题。
后续基础设施的养护维修和运营安全问题都需要考虑。川藏铁路斜坡地质灾害与冰川泥石流等问题可能会对物联网基础设施态构成危害，并威胁运营安全。物联网系统的基础设施养护维修，如果还依赖于人力巡查，已经完全不适合特殊地理环境下的基础设施养护以及防灾减灾的需求，同时在西藏高原长期人力巡检也将是一项高危艰险作业。一些现场信息感知设备需要考虑传感器准确性、抗干扰性、耐久性等。
环境问题也需要考虑。后续基础设施的建设过程中需要考虑环境问题。
数据安全问题。川藏铁路是一个复杂而又庞大的系统，任何子系统和设施安全防控不当，将产生不堪设想的后果。因此，建立实时、可靠、准确的铁路安全系统，对于提高铁路安全运营具有重要意义。NB－IoT具有全面感知、可靠传输、智能计算的特点，但是安全问题还需要进一步完善，保障铁路运输安全。
三、未来若要将NB-IoT应用于高速铁路的车地通信场景中，请详细论述需要在哪些具体方面做出何种改进。（40分）
高速铁路的车地通信场景沿线环境复杂，周界范围长，与NB-IoT技术的性能相适应。因此，构建以NB-IoT为基础的高速铁路的车地通信场景，可以为高速铁路沿线工务、电务等专业的基础设施监测，以及提供安全、可靠、低功耗的信息传输，为实现智能监测、智能运维和智能决策提供基础支撑。
1.高铁线路运营区域偏远、地理环境复杂，各专业部署的监测传感器存在以下几方面的问题：（1）监测点分散，由于高铁线路较长，只能在线路重点构筑物选取若干测点，造成监测设备地理位置上的分散，难以连续布放；（2）联网不灵活，由于各专业测点位置上的分散，且普遍采用有线连接方式，传输距离受限，测点扩展不便；（3）传输接口多样，各专业测点数据采集方式不同，存在 RS232、RS485、有线以太网、3/4G 无线等多种传输接口模式；（4）传输时效性不高，一些地面专业测点需当天检测列车停检后才能上线手动拷贝数据，因此，监测数据的上传会存在非常大的延时；（5）专业不联动，由于专业上的差异化，联调联试过程中各专业独立收集处理本专业监测检测数据，专业间相互隔离，难以从全局统筹分析监测检测数据，从而对各铁路业务系统进行综合评价。这些不利于NB-IoT技术的开展和应用。需要将监测点尽量规律布放，联网更加灵活，传输接口尽量统一，提高传输的时效性。需要解决有线组网不灵活、范围受限、监测种类难以扩展、监测 / 安装 / 运维成本极高等问题，实现布设方式灵活、覆盖范围广、节点数量大、模组功耗低、无人值守等。可以与边缘计算等技术融合。
2.NB-IoT数据传输少：基于低功耗，导致NB－IoT只能传输数据少；需要改进。
3.NB-IoT通信成本高：除了NB－IoT通信模块的价格之外，运营商还将收取运营费用；需要降低成本。提高电池使用寿命。
4.NB-IoT技术并不成熟：虽然NB－IoT技术被大范围应用，但在实际应用过程中，经常出现各类故障，导致通信中断；需要继续完善。
5.电信的IoT平台走的是CoPA协议，CoPA协议对接方面复杂，为兼容传统tcp、udp通讯等，经常导致施工时间过长。这部分问题需要改进，减少施工时间。
5.高速铁路是一个复杂而又庞大的系统，任何子系统和设施安全防控不当，将产生不堪设想的后果。因此，建立实时、可靠、准确的铁路安全系统，对于提高铁路安全运营具有重要意义。NB－IoT具有全面感知、可靠传输、智能计算的特点，但是安全问题还需要进一步完善，降低时延，保障铁路运输安全。
高铁时代已经到来，高速铁路的安全运输十分重要。将NB-IoT技术应用于高速铁路运营的各个方面，既可以提高工作效率，又可以提前预警，保证高速铁路的运行安全。将物联网技术应用于高速铁路的车地通信场景中，必将成为今后发展的方向。
网友评论