NB—IoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術現(xiàn)狀與發(fā)展研究

張志峰

摘要：物聯(lián)網(wǎng)目前主要依托無線蜂窩網(wǎng)技術，窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)應用最廣泛技術，其通過帶內、保護帶或獨立載波等形式，使用License頻段實現(xiàn)有網(wǎng)絡的互聯(lián)。該技術可以支撐多領域、多城市涵蓋智能交通、智能醫(yī)院、智能抄表、智能家居等多種用途的大規(guī)模部署的低功耗的海量傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設備。文章介紹了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程，分析了NB-IoT關鍵技術特點，論述了其應用的主要場景。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；發(fā)展歷程；NB-IoT；技術特點；應用場景

1 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程

2005年國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union， ITU）發(fā)布ITU互聯(lián)網(wǎng)報告，第一次以國際組織形式對物聯(lián)網(wǎng)進行重新定義：“通過二維碼識讀設備、射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡?！睋?jù)此定義，全球實現(xiàn)了物與物（Thing to Thing，T2T），人與物（Human to Thing，H2T），人與人（Human to Human，H2H）互通互聯(lián)的愿望。隨后2006年韓國制定u-Korea計劃，擬在韓國國民日常生活中建設IPv6， USN，BcN等智能型網(wǎng)絡以及RFID，Telematics，DMB等智能應用，以期給人民帶來智慧科技服務。

2008年11月，中國第二屆中國移動政務研討會上，首次提出“創(chuàng)新2.0”概念，旨在新的信息技術應用方面，帶動我國創(chuàng)新體系的重構。2009年歐盟國家開始執(zhí)行物聯(lián)網(wǎng)計劃，對物聯(lián)應用場景及關鍵技術進行研究和管理。同年，美國政府及IBM企業(yè)提出“智慧地球”概念，標志著美國物聯(lián)網(wǎng)技術進入新的發(fā)展里程。2009年8月，我國建立了 “感知中國”研究中心和物聯(lián)網(wǎng)研究院，物聯(lián)網(wǎng)首次被確立為中國國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。2013年年底工信部正式發(fā)放了LTE牌照?，F(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)成了“中國式”標簽，隨著“中國制造2025” “絲綢之路”等規(guī)劃實施，高速無線接入網(wǎng)已經(jīng)惠及全國人民的日常生活之中[1]。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術可以支撐多領域、多城市涵蓋智能交通、智能醫(yī)院、智能抄表、智能家居等多種用途的大規(guī)模部署的低功耗的海量傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設備。在低功耗廣覆蓋（Low Power Wide Area，LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場中，2016年NB-IoT標準核心協(xié)議正式獲批，建立了全球運營商基于標準化的物聯(lián)網(wǎng)專有協(xié)議，并正式具備商業(yè)應用的資質。2017年我國政府及電信、聯(lián)通、移動3大電信運營商和設

備供應商華為、中興等企業(yè)共同支持下，成立了 “NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)標準”。由此開啟了中國窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT商用時代。隨著《2017—2023年中國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)市場需求預測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》的發(fā)布，我國物聯(lián)網(wǎng)市場2017年已經(jīng)突破1萬億元人民幣的規(guī)模。IDC公司在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)預測方面，預測到2020年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)可能突破300億元人民幣，市場總市值可達到1.7萬億美金[2]。

2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術特點

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT（Narrow Band-IoT）作為3GPP組織對運營商設定的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。NB-IoT主要承載深度覆蓋、低功耗、低速率、大連接的應用業(yè)務，式低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術（Low-Power Wide-Area Network， LPWAN）重要應用內容，特點主要有以下幾點。

2.1 全覆蓋，低時延

NB-IoT可以實現(xiàn)全面覆蓋，深度覆蓋，同頻段下，功率譜密度進一步加大，重傳次數(shù)實現(xiàn)無限次，增益比GPRS增加20 dB，覆蓋面積增加7倍以上，可允許時延約10 ms。

2.2 低功耗

NB-IoT借助節(jié)電模式（Power Saving Mode，PSM）和延長的非連續(xù)接受模式（Enhanced Discontinuous Reception，EDRX），實現(xiàn)小數(shù)據(jù)量、低頻調制、小速率傳輸，睡眠周期得到延長，終端監(jiān)聽網(wǎng)絡頻度少，待機時間更長。

2.3 低成本

NB-IoT采用模塊低功耗、低速率、低基寬寬、簡化協(xié)議棧、RF設計等，使得核心芯片集成度較高，成本目前可達到35元人民幣，未來隨著技術的突破，成本不超過10元人民幣。

2.4 連接數(shù)里超大

NB-IoT采用窄帶技術，信道容量較大，基站和核心網(wǎng)優(yōu)化設計，空口信令開銷小，頻譜效率高，支持海量設備連接技術，可以提供大于移動蜂窩技術50?100倍接入數(shù)，連接密度為50 000設備/200 kHz/小區(qū)。其上行為3.75 kHz子載波間隔。NB-IoT下行鏈路損耗表如表1所示。

NB-IoT網(wǎng)絡架構是基于FDD LTE技術的4G網(wǎng)絡架構，其流程通過引入MME與SCEF以及HSS與SCEF之間接入，業(yè)務能力開放單元增加，并且支持非IP數(shù)據(jù)傳輸傳輸和控制優(yōu)化方案，網(wǎng)絡架構較完善。

2.5安全穩(wěn)定性強

我國物聯(lián)網(wǎng)完全繼承4G網(wǎng)絡安全性。隨著5G時代的到來，逐步朝著低時延高可靠、高速率用戶體驗、大連接低功耗的演進過程成，未來物聯(lián)網(wǎng)可以提供電信級可靠無縫接入。NB-IoT自接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡、LTE等網(wǎng)絡，通過與現(xiàn)有網(wǎng)絡基站復用，NB-IoT不占用現(xiàn)有網(wǎng)絡語音和數(shù)據(jù)帶寬，不提供定位等業(yè)務，單獨應用180 kHz頻段，穩(wěn)定性更強。

3 技術應用典型場景

3.1 服務型管理平臺

物聯(lián)網(wǎng)通用服務平臺是物聯(lián)網(wǎng)主要典型應用場景之一，可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用的各個環(huán)節(jié)服務，向POS機、手機、讀卡器、掃描設備等終端提供開放的OS軟件支持及配套技術支持。并支持多速率網(wǎng)絡連接服務，實現(xiàn)感知、配置、管理、控制、業(yè)務變更、資源分配、診斷、應用等智能連接服務。同時支持向應用服務標準化開發(fā)、中間件服務、數(shù)據(jù)存儲、邏輯引擎、應用程序接口（Application Program Interface，API）接入、實現(xiàn)不同應用業(yè)務的快速開發(fā)、設計部署等。典型智能服務管理平臺應用場景[4]如圖1所示。

3.2 智能生活場景

主要包括智能型公共服務，如智能水、電氣抄表、智能數(shù)據(jù)監(jiān)測追蹤，智慧城市建設應用主要有智能交通和小區(qū)建設，智能導航和其他服務。工業(yè)生產(chǎn)方面可實現(xiàn)能源、生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)、安全管理、設計等多個環(huán)節(jié)實現(xiàn)智能控制和管理，充分實現(xiàn)所有設備及數(shù)據(jù)的共建共享。在智能家居、智能服務方面可實現(xiàn)建筑、家用電器、物流、出行、購物等接入管理和控制。而在農業(yè)、金融、旅游、軍事等方面也可以提供智能物聯(lián)服務。充分滿足人民群眾各個方面的需求，帶來較多的經(jīng)濟、社會效益，不斷改善人民生活質量。

4 結語

隨著智能、大數(shù)據(jù)挖潛、信息共享等技術不斷進步，物聯(lián)網(wǎng)將像大海一樣具有更深邃的研究領域。NB-IoT作為低功耗廣域網(wǎng)關鍵技術之一，在低速率物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務服務方面，將會帶來更多的商機和更貼切的服務。

[參考文獻]

[1]張萬春.NB-IoT系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中興通訊技術，2017（1）：10-14.

[2]曲井致.NB-IoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科技創(chuàng)新與應用，2016（31）：115.

[3]陳博，甘志輝.NB-IoT網(wǎng)絡商業(yè)價值及組網(wǎng)方案研究[J].移動通信，2016（13）：44-48.

[4]趙靜.低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].移動通信，2016（7）：27-30.