淺談?wù)瓗锫?lián)網(wǎng)技術(shù)

張瑜

摘要：NB-IoT即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，因該技術(shù)支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，故該技術(shù)也被稱作低功耗廣域網(wǎng)，即LPWA。本文介紹了NB-IoT的產(chǎn)生背景及特性，包括增強(qiáng)覆蓋能力、低復(fù)雜度、低功耗等；最后基于NB-IoT的特性，探討了NB-IoT的應(yīng)用思路。

關(guān)鍵詞：窄帶；物聯(lián)網(wǎng)；低功耗；應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。從字面看，物聯(lián)網(wǎng)即物與物之間相連的互聯(lián)網(wǎng)。這其中有兩層意思：一是物聯(lián)網(wǎng)離不開互聯(lián)網(wǎng)，它是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展，其仍然以互聯(lián)網(wǎng)作為核心和基礎(chǔ)；二是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，交流的對(duì)象從互聯(lián)網(wǎng)中的用戶端延伸到了具體的物品上，通過智能感知、識(shí)別及普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了物品與物品之間的信息交換。而基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)則是在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中的一個(gè)重要產(chǎn)物，也將成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要分支。

1 產(chǎn)生背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)慢慢融入了我們生產(chǎn)和生活的方方面面。如：在以監(jiān)控?cái)z像頭為代表的速率要求較高的業(yè)務(wù)中，我們主要使用3G、4G技術(shù)及即將到來的5G技術(shù)；在以POS機(jī)為代表的中等速率業(yè)務(wù)中，我們主要使用GPRS技術(shù)；但是對(duì)于速率要求較低的業(yè)務(wù)，如：電水氣表、物流及泊車等，由于在一定時(shí)期內(nèi)沒有很好的技術(shù)來滿足，只能通過GPRS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)勉強(qiáng)支撐。因此，為了滿足低功耗廣域網(wǎng)市場的需要，解決GPRS技術(shù)業(yè)務(wù)功耗高、覆蓋范圍不足的問題，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

網(wǎng)絡(luò)傳輸速率分類圖[1]

2 發(fā)展歷程

對(duì)于窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，最早推進(jìn)的企業(yè)是華為。早在2014年5月，華為就提出了基于機(jī)器到機(jī)器的窄帶技術(shù)NB M2M；2015年5月，華為在融合了基于窄帶的正交頻分多址NB OFDMA的基礎(chǔ)上形成了基于認(rèn)知的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-CIOT；7月，NB-LTE技術(shù)跟NB-CIOT技術(shù)進(jìn)一步融合，形成NB-IOT技術(shù)[2]；2016年6月16日，在韓國釜山召開的3GPP RAN全會(huì)第72次會(huì)議順利結(jié)束，NB-IoT作為3GPP R13中的一項(xiàng)重要課題，其對(duì)應(yīng)的3GPP協(xié)議相關(guān)內(nèi)容獲得了RAN全會(huì)批準(zhǔn)，而這也正式宣告了這項(xiàng)受無線產(chǎn)業(yè)廣泛支持的NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)核心協(xié)議在歷經(jīng)了2年多的研究后終于全部完成，至此全球運(yùn)營商有了基于標(biāo)準(zhǔn)化的物聯(lián)網(wǎng)專有協(xié)議，而這一標(biāo)準(zhǔn)化工作的成功完成也標(biāo)志著NB-IoT即將進(jìn)入規(guī)模商用階段 [3]。

3 NB-IoT特點(diǎn)

3.1 覆蓋廣

在同樣的頻段下，NB-IoT技術(shù)能實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有的GSM技術(shù)好20dB以上的覆蓋增益，覆蓋面積擴(kuò)大達(dá)100倍之多，即使是在地下車庫、地下管道這樣的地方也能輕松實(shí)現(xiàn)全覆蓋。且NB-IoT的上行工具譜密度增益達(dá)17dB（NB-IoT的200mw/3.75kHz相比2G/3G/LTE的200mw/180kHz）；2-16倍的重傳機(jī)制增益達(dá)3-12dB（付出時(shí)延代價(jià)，10s，但業(yè)務(wù)允許）；編譯碼增益達(dá)3-4dB[4]。

3.2 大連接

具備支撐海量連接的能力，NB-IoT的一個(gè)扇區(qū)預(yù)計(jì)能夠支持約10萬個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端的連接，而現(xiàn)有的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)所支持的連接數(shù)則分別是14個(gè)、128個(gè)和1200個(gè)，拿現(xiàn)在比較流行的4G網(wǎng)絡(luò)來看，相較4G的1200個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端連接，NB-IoT比其高80倍還多。按照目前全球約500萬個(gè)物理站點(diǎn)計(jì)算，在假設(shè)全球范圍內(nèi)完成NB-IoT部署的情況下，那么每個(gè)站點(diǎn)三個(gè)扇區(qū)預(yù)計(jì)可接入的物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)將達(dá)約1.5萬億個(gè)。

3.3 低功耗

按照每天發(fā)送一次200Byte的報(bào)文計(jì)算，利用NB-IoT技術(shù)，終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長達(dá)10年。且由于單次的速傳時(shí)間縮短了，終端99%的時(shí)間都工作在節(jié)能模式上（這個(gè)節(jié)能模式和手機(jī)的節(jié)能模式不一樣，終端仍然注冊在網(wǎng)，但信令不可達(dá)。即終端處于深度睡眠，其大部分時(shí)間的功耗只有15微瓦。）而正是由于其睡眠時(shí)間比較長的特點(diǎn)，能有效減少終端監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的頻度，并進(jìn)而簡化對(duì)移動(dòng)性的管理[4]。

3.4 低成本

相較其他技術(shù)模塊來說，NB-IoT的模塊成本更低，預(yù)計(jì)單個(gè)接連模塊不超過5美元，且NB-IoT是基于授權(quán)頻段的低功耗技術(shù)，這就保證了其可以直接部署在運(yùn)營商現(xiàn)有的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)中，這樣既可以合理利用現(xiàn)有的資源，避免重復(fù)建設(shè)；又可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有資源進(jìn)行相互融合、互相補(bǔ)充，推進(jìn)低速率業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，且隨著應(yīng)用的不斷深入，預(yù)計(jì)未來NB-IoT的成本將減到1美元左右。

4 NB-IoT應(yīng)用

4.1 智能抄表

目前，我國部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)抄表，以提升抄表工作的效率，提高管理水平。但是在智能抄表方面，基于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)想實(shí)現(xiàn)智能抄表可謂困難重重。因?yàn)槲挥诜课莸叵禄蛘呷醺采w范圍之中的表僅靠目前的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)有效接入，而利用NB-IoT技術(shù)的低功耗和深度覆蓋功能則可以完全解決這些問題，因此未來NB-IoT技術(shù)將在智能抄表方面有著十分廣闊的前景。

4.2 智能檢測

環(huán)境問題是國家近幾年來最為重視的內(nèi)容之一，由于環(huán)境污染來自于生產(chǎn)和生活的方方面面，因此如果僅憑人工進(jìn)行檢測和排查，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，更要消耗大量的財(cái)力和物力。而通過基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能傳感器則不但可以準(zhǔn)確提供土壤監(jiān)測、危險(xiǎn)氣體檢測、水質(zhì)監(jiān)測和危險(xiǎn)品管理等多種檢測、監(jiān)測功能，更能成功幫助我們解決現(xiàn)有的部署難題，提升管理水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 一文看懂NB-IoT所有貓膩：華為如此青睞的原因？EEFOCUS.2016-07-17[引用日期2017-1-24]

[2] 繼標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，華為在NB-IoT又有大動(dòng)作！電子發(fā)燒網(wǎng).2016-07-29[引用日期2017-1-24]

[3] 重磅！NB-IoT核心標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié).物聯(lián)網(wǎng)智庫. 2016-06-16[引用日期2017-1-24]

[4] 物聯(lián)網(wǎng)給NB-IoT等新技術(shù)帶來哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)？電子發(fā)燒友網(wǎng). 2016-07-16[引用日期2017-1-24]