NB—IoT的技術(shù)背景及面臨的挑戰(zhàn)

張旭+鄧菲菲+何天愛

摘要：該文對窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）的技術(shù)特點進(jìn)行簡要介紹，并將NB-IoT技術(shù)與現(xiàn)有其他物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)的進(jìn)行分析對比。NB-IoT具有低速率、低功耗、低成本、高容量、廣覆蓋、多連接等特點，隨后介紹了NB-IoT技術(shù)現(xiàn)今的行業(yè)應(yīng)用和發(fā)展情況，包括交通行業(yè)、衛(wèi)生醫(yī)療、公共設(shè)施、物流業(yè)、抄表、工業(yè)制造、商品零售行業(yè)、智能家居、智能農(nóng)業(yè)、企業(yè)能耗管理等行業(yè)。最后闡述NB-IoT面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)；低功耗廣域網(wǎng)；背景

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）06-0089-02

Abstract：In this paper， the narrowband Internet of things （NB-IoT） is introduced. The main advantages of NB-IoT are including low rate， low power consumption， low cost， high capacity， wide coverage， multiple connections etc. And potential applications of NB-IoT technology are listed including the transportation sector， health care， public facilities， the logistics industry， meter reading， industrial manufacturing， retail industry， smart home， intelligent agriculture， energy management， etc. Finally this paper provides the challenge and future analysis of NB-IoT.

Key words：NB-IoT； low-power wide-area network； background

1 背景

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，各業(yè)界都非常認(rèn)可未來萬物互聯(lián)互通的發(fā)展趨勢。然而一個不容忽視的現(xiàn)實情況是，真正承載到移動網(wǎng)絡(luò)上的物與物聯(lián)接只占到聯(lián)接總數(shù)的10%，大部分的物與物聯(lián)接通過藍(lán)牙、WiFi等技術(shù)來承載。從電信運營商的角度來言，當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)并無法為其提供額外的利潤支持，隨著傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)利潤越來越薄，整個電信行業(yè)都在尋找新的利潤增長點，面向人和人連接的市場越來越接近飽和，而面向人和物、物和物的巨大市場則剛剛興起。一個強有力的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，變得迫切而且重要[1-2]。2016年6月16日，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT， Narrow Band Internet of Things）作為3GPP R13一項重要課題，獲得3GPP批準(zhǔn)。這正式宣告了無線產(chǎn)業(yè)廣泛支持的NB-IOT標(biāo)準(zhǔn)核心協(xié)議歷經(jīng)兩年多的研究已全部完成，標(biāo)志著從現(xiàn)有的移動通信架構(gòu)基礎(chǔ)上，為連接越來越多的設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)GSMA預(yù)測顯示，NB-IoT在2020年將達(dá)到30億的連接；Machina亦預(yù)測，NB-IoT未來將覆蓋25%的物聯(lián)網(wǎng)連接。[3]Gartner預(yù)測，2016年將有64億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投入使用，同比增長30%，并將在2020年達(dá)到208億。隨著萬物互聯(lián)時代的來臨，物聯(lián)網(wǎng)正成為所有行業(yè)、設(shè)備的必需。同時，云計算、大數(shù)據(jù)的普及，讓設(shè)備更加傾向于連接到互聯(lián)網(wǎng)中，[5]這讓NB-IoT迎來了眾多發(fā)展機遇。

2 技術(shù)特點

NB-IOT作為LPWAN（LOW-POWER WIDE-AREA NETWORK，低功耗廣域網(wǎng)）的技術(shù)代表，與其他熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)例如eMTC、EC-GSM、Sigfox、LoRa等從技術(shù)參數(shù)而言，差異性如圖1。 Sigfox、LoRa和GSM、Nb-iot的區(qū)別則是前兩者工作在非授權(quán)頻段，后兩者是工作在授權(quán)頻段，有3GPP組織進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)定義。[6]NB-IOT和GSM相比而言，又具備了更低功耗（電池壽命超過十年）、更低成本（每個模塊不足5美元）、更強覆蓋（比GSM增強20dB）以及更多連接（單個小區(qū)能支持10萬連接）等幾大優(yōu)勢，成為當(dāng)前最新、最熱門的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。

NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。它聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)，具有窄帶、低速率、低功耗、低成本、高容量、廣覆蓋、多連接等特點。

1）窄帶：上行可選3.75KHz或15KHz帶寬，兩種模式（單音或多音）；下行OFDMA占用200KHz寬帶，兩邊各占用10K保護帶，子載波數(shù)量12，子載波帶寬15KHz。

2）低速率：上行速率峰值5.6-204.8kbit/s，下行速率峰值176-234.7kbit/s。

3）低功耗：聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。

4）低成本： NB-IoT無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的。

5）高容量：根據(jù)TR45.820中典型業(yè)務(wù)模型下的仿真測試數(shù)據(jù)，單小區(qū)可支持5萬個NB-IOT終端接入。

6）廣覆蓋：NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強，不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。

7）多連接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3 NB-IOT應(yīng)用

盡管標(biāo)準(zhǔn)制定剛剛完成，NB-IOT應(yīng)用已經(jīng)逐漸鋪開，并在實踐中得到了各方肯定。相關(guān)應(yīng)用主要在以下幾類行業(yè)中：

1）交通行業(yè)。涉及車載信息服務(wù)、車載定位監(jiān)控、車載WIFI、車載視屏監(jiān)控、車輛防盜等。用戶只要安裝看APP即可通過收據(jù)查找附件停車位，并可支持導(dǎo)航等功能。與傳統(tǒng)的停車方案相比，這一基于NB-IOT的試點改變了需要通過中繼網(wǎng)關(guān)收集信息再反饋給基站所存在的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)部署、多網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、高成本等諸多問題。

2）衛(wèi)生醫(yī)療。涉及無線血壓計、兒童定位手表、老人智能手表等。

3）公共設(shè)施。涉及城市燈光管控、城市氣象監(jiān)測、城市設(shè)施監(jiān)控等方面。

4）物流業(yè)：涉及物流車輛調(diào)度、物流追蹤管理等。

5）抄表。涉及用戶水表、家庭燃?xì)獗怼⒂脩綦姳淼取?/p>

6）工業(yè)制造。涉及智能產(chǎn)品售后服務(wù)、智能工廠等。

7）企業(yè)能耗管理。涉及園區(qū)、大廈、企業(yè)等能源監(jiān)管。

8）智能家居。涉及家居智能監(jiān)控、家居安全防護等。

9）智能農(nóng)業(yè)。涉及農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等實時情況搜集和監(jiān)控。

10）商品零售行業(yè)：涉及移動貨架、自動售貨機、金屬POS機等。

4 NB-IOT面臨的挑戰(zhàn)

中國政府多次證實將在2020年實現(xiàn)5G商用，如今面向5G的各類技術(shù)已經(jīng)迅速升溫，不少技術(shù)方案已經(jīng)逐漸落地。NB-IoT作為低功率廣域網(wǎng)的代表技術(shù)，也是5G非常核心和重要的部分，如圖2所示，低速率、低功耗、時延不敏感的設(shè)備將占據(jù)整個物聯(lián)網(wǎng)中60%左右的份額。

但是NB-IoT作為一個全新標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，受到來自Sigfox和LoRa技術(shù)的競爭壓力（產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟，商業(yè)化應(yīng)用較早），不過Sigfox和LoRa屬于非授權(quán)頻段，不被運營商和設(shè)備商看好。同時盡管NB-IoT市場前景廣闊，但火熱背后也存在著價格戰(zhàn)。NB-IoT成本極低，大規(guī)模應(yīng)用下成本將降至1美元，目前單個連接模塊還停留在5美元。而藍(lán)牙、Thread、ZigBee三種標(biāo)準(zhǔn)的芯片價格在2美元左右，僅支持其中一種標(biāo)準(zhǔn)的芯片價格還不到1美元，這種價格差距讓企業(yè)思考NB-IoT時不得不考慮成本優(yōu)勢問題。

雖然運營商正在積極推動，最終要真正實現(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)品化還有很長的一段路要走。但不可否認(rèn)的是，由于廣域物聯(lián)所帶來了更高程度、更密集、更有效的數(shù)據(jù)，必將進(jìn)一步拓展物聯(lián)之后的智能生活范疇，這是前所未有的。同時隨著各個行業(yè)應(yīng)用的廣泛開展， NB-IoT生態(tài)正在以一種勢不可當(dāng)?shù)膽B(tài)勢成形，為各行各業(yè)帶來巨大機遇和挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

NB-IOT是技術(shù)演進(jìn)和市場競爭的綜合產(chǎn)物，由于未來的市場被一致看好，設(shè)備廠商在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中曾激烈爭奪市場份額和話語權(quán)，但預(yù)期達(dá)到的特性指標(biāo)仍是基本一致的，標(biāo)準(zhǔn)也仍在加速制定中。目前產(chǎn)業(yè)鏈也在積極地開展實驗測試及試商用，在不遠(yuǎn)的將來，NB-IOT將很大可能會被廣泛應(yīng)用在不同的垂直行業(yè)，融進(jìn)人們的生活，并就此開啟萬物互聯(lián)的新領(lǐng)域、新時代。

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