NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王瑞琦 鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院/河南省信息咨詢設(shè)計研究有限公司

引言：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是對互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的又一次發(fā)展，通過這個網(wǎng)絡(luò)可以做到物物之間的信息共享和數(shù)據(jù)交換。物聯(lián)網(wǎng)相對于互聯(lián)網(wǎng)而言是一種更高級的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有智能化、精準(zhǔn)化、實時化等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對信息的感知、監(jiān)測、采集等功能。由于移動蜂窩網(wǎng)自身具有覆蓋范圍廣、可靠性高、部署便利等特點，可以為物聯(lián)網(wǎng)提供高效可靠的連接技術(shù)，因此移動蜂窩網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢。

1 NB-IoT技術(shù)性能特點

1.1 覆蓋范圍廣

頻段相同的情況下，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)與現(xiàn)網(wǎng)相比，增益能夠增加約20dB，同時其覆蓋的范圍也更廣。信號上下行時，通過信號的重復(fù)傳輸以及對信號采取合并接收的方式，能夠使信號質(zhì)量得到有效的提高，還可以根據(jù)覆蓋廣、功耗低對重復(fù)傳輸次數(shù)進行調(diào)整。與目前的GSM網(wǎng)絡(luò)相比，其上行功率譜的密度獲得了增加，使覆蓋的深度及廣度獲得了顯著的提高，從而使得在地下管道或地下車庫等場景也可以接收到信號，使應(yīng)用場景進一步擴大。

1.2 低功耗

NB-IoT的一項重要應(yīng)用性能指標(biāo)就是低功耗，適合用于一些無法經(jīng)常更換電池的場合或設(shè)備。NB-IoT技術(shù)能夠使終端芯片的復(fù)雜度得到有效的降低，工作電流小，減少耗電量并簡化了空口信令，使傳輸?shù)男诗@得了提高，從而減少了位置更新的發(fā)送次數(shù)。另外R12版本協(xié)議新增設(shè)了節(jié)電模式PSM，從而使終端能夠更長時間的停留于深睡眠狀態(tài)；而R13版本進一步引入了非連續(xù)性發(fā)生擴展eDRX，減少終端監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的頻度，使處于空閑模式的終端睡眠周期得到了進一步的延長，也使接收單元減少了不必要啟動。

1.3 低成本

NB-IoT技術(shù)通過各種方法實現(xiàn)了終端芯片成本的降低。將其終端的工作帶寬減少到200kHz，從而降低了基帶的復(fù)雜性；而將峰值的速率降低到100kbps，使低速率對于大緩存的需求相應(yīng)的減少；降低峰均比、單天線半雙工等提高功放效率的設(shè)計，降低了RF的設(shè)計成本。另外NB-IoT無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都可實現(xiàn)與現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備復(fù)用，低速率、低功耗、低帶寬同樣給芯片以及模塊帶來了低成本的優(yōu)勢。

1.4 大連接

在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供約五十倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持十萬個連接，并且支持低延時敏感度、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)；同時還具有頻譜效率高、終端激活比極低、小包數(shù)據(jù)發(fā)送等特征。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析

2.1 RFID技術(shù)

RFID(Radio Frequency Identification)即射頻識別技術(shù)是借助于無線電信號碼對指向?qū)ο筮M行精準(zhǔn)識別并獲得相關(guān)信息的一種新型通信技術(shù)。RFID技術(shù)的實現(xiàn)原理其實很簡單，當(dāng)目標(biāo)對象進入到射頻信號覆蓋范圍之后，接收解讀設(shè)備發(fā)出的電磁射頻信號能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)對象的捕獲，或者由目標(biāo)對象主動發(fā)出特定的電磁信號，然后由接收解讀器進行接收，最后把收到的信息輸送到信息處理設(shè)備進行處理。RFID技術(shù)具有掃描速度快、設(shè)備微型化、耐用性強等特點。

2.2 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是采集信息的關(guān)鍵技術(shù)，可以把傳感器技術(shù)看成整個物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的起點。目前傳感器的種類繁多，且傳感器設(shè)備正朝著小型化、精準(zhǔn)化、智能化的方向發(fā)展。傳感器在無線網(wǎng)絡(luò)中布置較多，在有線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用較少，所以傳感器的分布不會受到有線線路分布的影響，具有組網(wǎng)簡單、部署靈活機動的特點。傳感器技術(shù)一般是在近距離范圍內(nèi)使用，因而安全性高且功率較低，并能夠延長電池的使用壽命。

3 NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用

3.1 NB-IoT技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT的系統(tǒng)由應(yīng)用平臺、核心網(wǎng)、終端側(cè)以及無線側(cè)四個部分組成。其終端側(cè)是主要的感知層，負責(zé)將所采集的數(shù)據(jù)通過接入網(wǎng)和核心網(wǎng)向服務(wù)平臺傳送；無線側(cè)是主要的接入網(wǎng)絡(luò)，能夠以其優(yōu)異的覆蓋性能為接觸終端提供基礎(chǔ)；核心網(wǎng)的SGW以及MME網(wǎng)元則必須新建，可以對HSS和PGW網(wǎng)元進行改造，為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)提供支持；對物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)統(tǒng)一進行管理的就是應(yīng)用平臺，其能夠?qū)B-IoT網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進行拓展。

3.2 NB-IoT的應(yīng)用

NB-IoT技術(shù)在實際應(yīng)用領(lǐng)域具有多項優(yōu)勢，其所包含的網(wǎng)絡(luò)層、感知層以及應(yīng)用層能夠與行業(yè)的應(yīng)用進行緊密的結(jié)合，能夠使物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智能化的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)能夠在智慧城市、智能電網(wǎng)、智能制造以及醫(yī)療保健和公共設(shè)施等多個領(lǐng)域展開應(yīng)用。

中國電信已建成全球首個全覆蓋的新一代窄帶物聯(lián)網(wǎng)商用網(wǎng)絡(luò)，目前已在深圳實現(xiàn)窄帶物聯(lián)網(wǎng)商用全覆蓋。截至目前已有近1200塊“智慧水表”投入了使用；最近“智慧燃氣”首批遠傳抄表也已在深圳投入商用6000 個。

南京移動將路燈行業(yè)應(yīng)用作為NB-IoT重要試點方向，聯(lián)合市路燈管理處共同推動基于“單燈控制”的路燈智能化研究，可滿足遠程管理、故障定位、環(huán)保節(jié)能的智能路燈管理需求。

4 NB-IoT 通信技術(shù)發(fā)展趨勢

物聯(lián)網(wǎng)將會為良好的商業(yè)模式形成提供科學(xué)保障，并使與之相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)可靠性增強，使得不同要素之間能夠保持良好的互聯(lián)狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，NB-IoT 低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)良好的發(fā)展趨勢將更加明顯，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平也將保持在更高的層面上，將會為我國信息化產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大給予必要的技術(shù)支持。

結(jié)合云計算技術(shù)的應(yīng)用及大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展?fàn)顩r，為了使物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中能夠形成符合其可持續(xù)發(fā)展需要的商業(yè)生態(tài)模式，其未來發(fā)展中將會加深對 NB-IoT 的依賴程度，即 NB-IoT技術(shù)將會處于良好的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，滿足不同行業(yè)的生產(chǎn)需求。同時在 NB-IoT技術(shù)的支持下，也將形成良好的垂直應(yīng)用場景，像智能氣表與水表所屬的公共事業(yè)領(lǐng)域、智能路燈及垃圾箱所涉及的智慧城市建設(shè)等，都需要該技術(shù)發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

結(jié)束語：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展將深刻改變我們工作、生活以及娛樂的方式。從生產(chǎn)領(lǐng)域的自動化到日常生活中的家用電器以及新興的穿戴式傳感器，在未來發(fā)展的各個領(lǐng)域中都將有物聯(lián)網(wǎng)的介入。各種形式的網(wǎng)絡(luò)隨著科技的進步不斷的發(fā)展，使人們可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得的各種環(huán)境信息對自己的工作和生活進行設(shè)計，從而使我們的生活更加便捷和安全，同時還能夠?qū)Y源更加合理的進行利用，促進人與自然環(huán)境的和諧發(fā)展，留住金山銀山，更快更好的實現(xiàn)每個人的中國夢。