NB—IOT技術(shù)及應(yīng)用探討

張莉

摘要：物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)種類繁多，NB-IOT作為新興技術(shù)具有其獨(dú)有的特性及適用范圍。該文介紹了NB-IOT的技術(shù)由來及特性，并以現(xiàn)網(wǎng)案例說明NB終端接入網(wǎng)絡(luò)的流程，在此基礎(chǔ)上對(duì)NB-IOT應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；NB-IOT；流程；應(yīng)用場(chǎng)景

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）35-0050-02

Exploration of NB-IOT Technology and Application

ZHANG Li

（China Telecom Co Anhui Branch， Heifei 230001 ，China）

Abstract： The access technology of Internet of things access is very wide，NB-IOT as emerging technology has its unique characteristics. In this paper， the origin and characteristics of NB-IOT are introduced， and the flow of NB terminal access network is described with the existing network case. On this basis， the application scenario of NB-IOT is discussed.

Key words： template； format； NB-IOT； process； application scenario

1 概述

2017年6月，工信部下發(fā)《關(guān)于全面推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設(shè)發(fā)展的通知》。要求建設(shè)廣覆蓋、大連接、低功耗移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)展基于NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”和“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)部署方面要求到2017年末，實(shí)現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋直轄市、省會(huì)城市等主要城市，基站規(guī)模達(dá)到40萬個(gè)。到2020年，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全國普遍覆蓋，面向室內(nèi)、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)深度覆蓋，基站規(guī)模達(dá)到150萬個(gè)。

由此引起廣泛的關(guān)于NB-IoT技術(shù)及應(yīng)用的探討。本文介紹了NB-IOT的技術(shù)由來及特性，并以現(xiàn)網(wǎng)案例說明NB終端接入網(wǎng)絡(luò)的流程，在此基礎(chǔ)上對(duì)NB-IOT應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了探討。

2 NB-IOT技術(shù)概述

2.1 概述

物聯(lián)網(wǎng)是由物主動(dòng)發(fā)起傳送、物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，顧名思義，人主動(dòng)控制信息傳送非物聯(lián)網(wǎng)范疇。依據(jù)這個(gè)概念出現(xiàn)了物連物（M2M）和物主動(dòng)連人（M2P）的連接新時(shí)代。

隨著人們對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、高速率的越來越高的追求，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由2G、3G發(fā)展到如今的4G+階段，5G的研發(fā)和商用也在如火如荼進(jìn)行，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)速度由幾十Kbps發(fā)展到幾百M(fèi)bps甚至更高，但鑒于物與物連接階段的獨(dú)特特性，這些飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)并不適用。

NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)比對(duì)

在物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)中，包括短距技術(shù)、廣域連接技術(shù)，其中廣域連接技術(shù)指?jìng)鹘y(tǒng)蜂窩網(wǎng)（2G/3G/4G）和LPWA等。針對(duì)新型網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)LPWA，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)類型的不同，分為3GPP LPWA和非3GPP LPWA，前者包括eMTC/NB-IOT，后者包括SigFox和LoRa。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)

相比非授權(quán)頻段的LoRa及Sigfox技術(shù)，電信級(jí)的eMTC技術(shù)及NB-IOT技術(shù)更加安全可靠。各LPWA技術(shù)的網(wǎng)路定位見表1。

表1 LPWA技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)定位

為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，3GPP制定了一系列增強(qiáng)型的標(biāo)準(zhǔn)，他們的速率呈倒金字塔型，見表2。這一系列的標(biāo)準(zhǔn)也達(dá)到廣覆蓋、多連接、低功耗、低成本的目標(biāo)。

Cat0：向Cat M1演進(jìn)的過渡版本。

eMTC： 增強(qiáng)型機(jī)器類型通信。信道帶寬和射頻接收帶寬均為1.4MHz；降低了終端復(fù)雜度及功耗。

NB-IoT：“窄帶物聯(lián)網(wǎng)”Narrow-Band IoT（NB-IoT），接收帶寬僅200kHz。進(jìn)一步降低功耗，提升覆蓋，尤其是遮擋區(qū)和地下覆蓋環(huán)境。

3 NB-IOT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及業(yè)務(wù)流程

3.1 NB-IOT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IOT設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是都能部署在現(xiàn)在的LTE網(wǎng)絡(luò)，只需要對(duì)基站和核心網(wǎng)的軟件進(jìn)行升級(jí)即可，不需要為IoT物聯(lián)網(wǎng)通訊專門設(shè)計(jì)并建設(shè)一個(gè)專門網(wǎng)絡(luò)，可以大大降低建設(shè)成本。

NB-IOT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與LTE一致，在LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上進(jìn)行了功能優(yōu)化與裁剪。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口：S1、S6a、S11、S5/S8、Uu。

針對(duì)NB-IOT的數(shù)據(jù)傳輸方案，3Gpp引入了兩種模式：CP模式和UP模式。

CP模式：無需建立空口數(shù)據(jù)無線承載（DRB）和S1-U連接，直接通過NAS消息傳輸數(shù)據(jù)，空口承載使用SRB，MME將數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行GTP封裝后通過S11-U接口送給SGW。UE進(jìn)入空閑態(tài)后，不支持RRC連接重建立過程。

UP模式：與LTE用戶相同，數(shù)據(jù)傳輸使用DRB承載。增加RRC-Suspended狀態(tài)，前一次傳輸數(shù)據(jù)的用戶面連接被掛起，下次傳輸可恢復(fù)掛起的用戶面連接，無需新建用戶面連接。與CP方案相比，UE和基站需要保存用戶面連接相關(guān)上下文。

針對(duì)NB-IOT，3gpp協(xié)議規(guī)定：CP模式為必選方案，UP模式為可選方案。

3.2 NB-IOT信令及業(yè)務(wù)流程

CP模式為NB-IOT必選模式，下文即針對(duì)此模式分析信令及業(yè)務(wù)流程。CP模式數(shù)據(jù)傳輸前空口消息量較少。

圖3為CP模式。

NB用戶附著及業(yè)務(wù)流程：

1） 發(fā)起Attach Request附著請(qǐng)求，MME收到請(qǐng)求后對(duì)UE進(jìn)行鑒權(quán)流程，之后MME根據(jù)UE當(dāng)前的TA，判斷RAT為NB-IoT，MME發(fā)給HSS的Update Location Request消息里的RAT為NB-IoT。

2） Create Session Request/Response消息傳送MME和SGW建立連接所需的S11-C TEID（控制面）及S11-U TEID（用戶面），并攜帶RAT type為NB-IoT。

3） 上下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文通過S11-U接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

4 NB-IOT關(guān)鍵特性及應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 NB-IOT關(guān)鍵特性

1） 大鏈接：小包傳輸優(yōu)化空口信令開銷，減少無限資源占用。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)。支持低延時(shí)敏感度、設(shè)備低成本、低功耗，能很好地滿足未來智慧家庭中大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求。

2） 覆蓋增強(qiáng)：NB-IoT覆蓋增強(qiáng)20dB增益，可很好地提升室內(nèi)覆蓋深度和覆蓋概率。對(duì)于農(nóng)村、車庫等深度覆蓋有要求的應(yīng)用較適用。

3） 低功耗：芯片復(fù)雜度降低，工作電流?。豢湛谛帕詈?jiǎn)化，減少單次傳輸功耗；同時(shí)PSM/eDRX機(jī)制進(jìn)一步優(yōu)化了信令交互傳輸功耗；長(zhǎng)周期TAU，減少發(fā)送位置更新，降低功耗，設(shè)備續(xù)航時(shí)間大幅提升。

4） 低成本：NB-IoT的射頻和天線基本上都是復(fù)用的。180kHz窄帶系統(tǒng)，系帶復(fù)雜度降低；低采樣速率，對(duì)緩存要求較小；低速率、低功耗、低帶寬給NB-IoT芯片以及模塊帶來低成本優(yōu)勢(shì)。

4.2 NB-IOT應(yīng)用場(chǎng)景

GSMA研究報(bào)告定義了7種LPWA應(yīng)用分類，包括：智慧樓宇、智慧城市、農(nóng)業(yè)和環(huán)境、消費(fèi)電子、物流、公共事業(yè)、工業(yè)應(yīng)用。

NB-IOT因其“兩高兩低”特性（高連接、高覆蓋、低成本、低

功耗）及低移動(dòng)性、時(shí)延不敏感特性，尤其適用于非常適合應(yīng)用于無線抄表（Metering）、傳感跟蹤（Sensor Tracking）這些領(lǐng)域，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在這些領(lǐng)域的實(shí)施，可以大大降低管理成本，讓網(wǎng)絡(luò)管理者可以隨時(shí)掌握各種運(yùn)營數(shù)據(jù)。

應(yīng)用舉例：

1） 智能井蓋：在普通井蓋中部署NB-IOT，可以進(jìn)行水位監(jiān)控、位置上報(bào)、破損監(jiān)控等；

2） 智能水表：普通水表中部署NB-IOT，可定時(shí)上報(bào)水表數(shù)據(jù)，減少人工抄表的繁瑣及工作量。同理，電表、燃?xì)獗硪部梢酝ㄟ^該技術(shù)減少人工成本。

3） 智能停車場(chǎng)：在普通停車場(chǎng)車位中部署NB-IOT，可快速找車位、預(yù)約車位、自助繳費(fèi)，既節(jié)約了各位車主時(shí)間，也可提高收費(fèi)透明度。

5 結(jié)束語

NB-IOT最適宜的場(chǎng)景是固定/游牧終端、小數(shù)據(jù)量、低頻次、終端主動(dòng)上報(bào)模式的應(yīng)用，能夠充分利用低功耗的特性。

現(xiàn)如今大量不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景有著不同的通信需求，合理地選擇恰當(dāng)?shù)臒o線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)以及綜合利用各種網(wǎng)絡(luò)的能力成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和項(xiàng)目成功實(shí)施的關(guān)鍵要素之一。

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