NB—IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)部署實現(xiàn)研究

曾海燕 鄭鑫 張曉潔

文章編號： 2095-2163（2018）03-0179-03中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

摘要： 關(guān)鍵詞： （College of Physics and Electronic Engineering， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo Guangxi 532200， China）

Abstract： With the rapid development of the Internet of Things， the narrowband Internet of Things （NB-IoT） technology has attracted more and more attention due to the advantages of low power consumption and wide coverage. Firstly， this article introduces the technical characteristics of narrowband Internet of Things. Then，the paper analyzes the network deployment implementation of narrowband Internet of Things and lists the typical application scenarios of NB-IoT. Finally， the paper provides the broad prospects of the technology of narrowband Internet of Things in the future application.

Key words：

基金項目：

作者簡介：

收稿日期： 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是將各種信息的傳感設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，以最終接入互聯(lián)網(wǎng)而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其研發(fā)本質(zhì)就是設(shè)備采用通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)建立連接，從而設(shè)計實現(xiàn)人與物以及物與物的智能連接。隨著蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，IoT在智慧城市及醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

目前，市場競爭不斷加劇，中國移動、中國聯(lián)通以及中國電信這些運營商盈利增長已步入相對平緩時期。為了解決這種問題，運營商需要尋求新的盈利增長條件。為此，就需要借助自身獨具的優(yōu)勢，抓住萬物互聯(lián)發(fā)展的新機(jī)遇，更好地發(fā)揮利用連接驅(qū)動增長這種組合模式所帶來的積極推動作用。由于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以讓運營商比較容易在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上平滑升級支持物聯(lián)網(wǎng)，因此受到運營商的關(guān)注和青睞。迄至目前，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已然成為運營商搶占物聯(lián)網(wǎng)市場的重要技術(shù)手段。

1NB-IoT技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)是3GPP為運營商量身定制的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。NB-IoT是具有低速率、低功耗、廣覆蓋、大連接的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。這里，針對NB-IoT主要特色功能可表述如下：

（1）更深的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。在設(shè)計性能上，窄帶物聯(lián)網(wǎng)表現(xiàn)出更高的功率譜密度，重傳次數(shù)也更多。相比于GPRS，其增益可以提升20 dB，可以有效地提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而且允許時延大概10 ms。便于在偏遠(yuǎn)地區(qū)、室內(nèi)環(huán)境、地下環(huán)境來設(shè)計部署低成本、低功耗設(shè)備。

（2）更少的電池消耗。窄帶物聯(lián)網(wǎng)借助PSM模式和eDRX模式可以延長睡眠周期，同時減少終端監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)頻度，這樣就可以延長待機(jī)時間，顯著降低設(shè)備耗電，減少設(shè)備維護(hù)工作量。

2窄帶物聯(lián)網(wǎng)部署實現(xiàn)

2.1NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)由終端、無線基站、核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通用平臺等部分組成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可如圖1 所示。

由圖1可知，感知層的NB-IoT移動用戶通過Uu空中接口連接到網(wǎng)絡(luò)層的eNodeB，其中Uu接口主要用于傳送用戶數(shù)據(jù)和控制面的數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)協(xié)議包括有PHY、MAC和RRC。IoT 控制器可專門用于和終端非接入層實現(xiàn)交互，同時將 IoT 業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到 IoT平臺進(jìn)行加工處理。IoT平臺則將各種傳輸?shù)臄?shù)據(jù)劃定分類并轉(zhuǎn)發(fā)到相關(guān)的應(yīng)用層。IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點是業(yè)務(wù)應(yīng)用，這一層將會根據(jù)客戶的需求調(diào)取數(shù)據(jù)處理等一系列操作。通過分析可以知道，NB用戶面流量少，接入建立與釋放次數(shù)遠(yuǎn)大于LTE?？刂泼鍯-IOT -EPC優(yōu)化，用戶數(shù)據(jù)可以通過控制面來分發(fā)傳輸，不需建立用戶面承載。UE的用戶數(shù)據(jù)和NAS層信令發(fā)送至MME，繼而轉(zhuǎn)發(fā)到SGW/PGW。

網(wǎng)絡(luò)層主要涉及無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋等比較復(fù)雜的情況，類似于通信網(wǎng)絡(luò)中無線層面臨的覆蓋問題、系統(tǒng)容量以及在傳輸過程中的干擾問題。運營商著重考慮的是通信網(wǎng)絡(luò)在NB-IoT技術(shù)傳輸過程中展現(xiàn)的功能效應(yīng)。

2.2NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方式

NB-IoT提供了3種部署方式，分別是：獨立部署（Stand-alone）、保護(hù)帶部署（Guard-band）以及帶內(nèi)部署（In-band），詳情參考則如圖2所示。而對各種方式的技術(shù)功能闡釋即可做如下研究分述。

（1）獨立部署。主要是利用現(xiàn)網(wǎng)空閑頻譜或是新的頻譜部署NB-IoT，頻帶寬度200 kHz。適合GSM和CDMA 頻段重耕。這種方式具有相對靈活的容量擴(kuò)展性，同時具有獨立的高發(fā)射功率，下行速率也比較高。

（2）保護(hù)帶部署。主要體現(xiàn)在NB-IoT工作在LTE 系統(tǒng)中邊緣的保護(hù)帶。這種方式容量擴(kuò)展比較困難，同時還降低了LTE的信噪比。

（3）帶內(nèi)部署。主要的優(yōu)點是容量擴(kuò)展非常靈活，發(fā)射功率較高，但是影響LTE的網(wǎng)絡(luò)容量，而且還使網(wǎng)絡(luò)覆蓋受限。因為這種方式可占用LTE 帶內(nèi)一個Rb的帶寬部署NB-IoT。在這種方式下，2個系統(tǒng)的頻帶相鄰就會存在頻率干擾。為了避免這種干擾現(xiàn)象，NB-IoT 技術(shù)的發(fā)射功率應(yīng)該低于LTE 功率譜密度的6 dB。

2.3核心網(wǎng)部署

實踐中，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用反映出海量連接、數(shù)據(jù)分組小、功耗敏感等特點，而物聯(lián)網(wǎng)用戶與普通LTE 用戶差異較大，研究后建議引入NFV部署專用的物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)。

設(shè)計實施方案是：首先建議采用大區(qū)制建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專用的HSS和PGW 網(wǎng)元。同時，各省網(wǎng)現(xiàn)有EPC核心網(wǎng)元MME和SGW將著重打造軟件升級并根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)容，在容量、功能等方面保障物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展。其次，逐步增配NFV 技術(shù)構(gòu)建虛擬物聯(lián)網(wǎng)vEPC 專網(wǎng)，推進(jìn)“人網(wǎng)”、“物網(wǎng)”接入分離?，F(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)EPC與vEPC共存，大部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用選取vEPC進(jìn)行承載。最后，將整體改善網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)，基于統(tǒng)一NFVI 構(gòu)建專用接入，綜合設(shè)定業(yè)務(wù)的按需編排，獲得設(shè)備資源的統(tǒng)一調(diào)配和動態(tài)擴(kuò)容。通過虛擬化物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)對不同類別的業(yè)務(wù)和應(yīng)用進(jìn)行切片，提供對應(yīng)的服務(wù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)快速部署。

3NB-IoT典型應(yīng)用場景

目前，NB-IoT已日趨廣泛地應(yīng)用在公共事業(yè)、智慧城市和工業(yè)應(yīng)用等眾多領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用上將涵蓋七大類，具體內(nèi)容如下。

（1）公共事業(yè)：表類，主要包括智能水表和智能氣表。

（2）智慧建筑：報警系統(tǒng)、采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、接入系統(tǒng)。

（3）農(nóng)業(yè)與環(huán)境：包括農(nóng)林牧漁、家畜監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控。

（4）工業(yè)應(yīng)用：工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、進(jìn)程與安全監(jiān)控、能源基礎(chǔ)設(shè)施。

（5）消費與醫(yī)療：家用電器、寵物/小孩追蹤、共享單車、遠(yuǎn)程臨床跟蹤。

（6）智慧城市：智能停車、智能垃圾桶、智能燈桿。

（7）后勤保障：工業(yè)資產(chǎn)、貨柜跟蹤、位置與狀態(tài)更新。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍廣闊，在此僅針對智能抄表和智能停車2個典型的應(yīng)用場景給出如下探討與研究解析。

3.1智能抄表

傳統(tǒng)的智能抄表常采用電力線載波和非授權(quán)頻段技術(shù)，通過區(qū)域通信接入設(shè)備，比如采集器，連接到管理平臺，比較麻煩，而采用NB-IoT技術(shù)的智能抄表業(yè)務(wù)就不需要部署區(qū)域通信設(shè)備及有線接入線路，只需要租用運營商的無線網(wǎng)絡(luò)就可以全面管理水、電、氣表的自動抄錄，因而采用NB-IoT技術(shù)在很大程度上可以降低建設(shè)難度，縮短建設(shè)周期，減少建設(shè)投資以及后期的維護(hù)成本。而且 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋廣、容量大、可靠性高等特點，進(jìn)一步說明了采用NB-IoT技術(shù)的智能抄表優(yōu)勢明顯，易于實現(xiàn)。

3.2智能停車

智能停車是配置應(yīng)用普遍常見的城市物聯(lián)網(wǎng)之一，智能停車場景設(shè)計可如圖3所示。

目前常用的方案是在停車位處安裝車檢器，車檢器一般采用的是非授權(quán)頻段技術(shù)，通過將車位信息上報給匯聚網(wǎng)關(guān)，而匯聚網(wǎng)關(guān)則通過運營商網(wǎng)絡(luò)上報到管理平臺。非授權(quán)頻段通信技術(shù)會存在一些信號干擾，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性比較差。并且匯聚網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍多為有限，通常一個匯聚網(wǎng)關(guān)只能管理10個左右的車位，部署工作量較為可觀。

采用NB-IoT 部署智能停車優(yōu)勢將尤為突出，只需在車檢器上安裝NB-IoT 芯片，通過芯片與運營商基站的通信即可實現(xiàn)?？偟貋碚f，就是監(jiān)測車位是否有車，將車位信息上報到平臺，通過引導(dǎo)屏和終端指引車主停車。這樣就不需要根據(jù)車位數(shù)量添加相應(yīng)的匯聚網(wǎng)關(guān)，可以大大降低設(shè)計工作量、以及部署和維護(hù)成本。而且智能停車業(yè)務(wù)特點是低速率小包業(yè)務(wù)為主，對移動性沒有要求，對時延也不敏感，后續(xù)車位擴(kuò)容將不需要考慮網(wǎng)絡(luò)兼容性問題，非常簡單方便。

4結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，萬物互聯(lián)已經(jīng)成了必然趨勢。NB-IoT就充分利用了低帶寬、低功耗、待機(jī)時間長的優(yōu)點，可根據(jù)客戶的應(yīng)用場景的不同實現(xiàn)功能自定義。NB-IoT 作為低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的代表，在低速率物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中扮演著重要的角色，是運營商搶占物聯(lián)網(wǎng)市場的關(guān)鍵切入點。隨著NB-IoT技術(shù)解決方案的相繼推出，基于NB-IoT技術(shù)的商業(yè)模式也將趨于成型。未來，NB-IoT技術(shù)將會獲得更為廣泛的拓展與創(chuàng)新應(yīng)用。

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