淺析NB—IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

甄振微 王許海

摘要：本文綜述了物聯(lián)網(wǎng)的基本概念、基本特征、體系模型和國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并預(yù)見(jiàn)了未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及將為人們生活帶來(lái)的變革。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；NB-IOT；應(yīng)用

一、物聯(lián)網(wǎng)的概念及分類(lèi)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。其英文名稱是“The Internet of things”。顧名思義，“物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，物聯(lián)網(wǎng)的用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。其目的就是實(shí)現(xiàn)物與物、人與物，所有物品與網(wǎng)絡(luò)的連接。因此“人聯(lián)系人”的通信網(wǎng)、“人物互連”、“物物互連”網(wǎng)絡(luò)都可以歸納到物聯(lián)網(wǎng)的范疇。

二、NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)介紹及應(yīng)用

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）業(yè)務(wù)是中國(guó)移動(dòng)面向物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，為具有“小數(shù)據(jù)量、低速率、低功耗”特點(diǎn)的應(yīng)用所提供的低功耗、廣覆蓋的移動(dòng)通信接入服務(wù)。NB-IoT基于極好的覆蓋范圍、極高的系統(tǒng)容量為時(shí)延、速率不敏感（不提供語(yǔ)音功能）類(lèi)業(yè)務(wù)提供服務(wù)。

1、業(yè)務(wù)特征

NB-IoT具有低速率、低功耗、廣覆蓋、低成本、海量連接等特征，適用并可廣泛應(yīng)用于智能抄表、智能家居、可穿戴設(shè)備、智能建筑、物流追蹤、市政、物聯(lián)等應(yīng)用領(lǐng)域。

低速率：NB-IoT具有較低的傳輸速率，單用戶下行速率峰值為21.25kbps，上行速率峰值為56kbps（Multi-tone）/4.5-15.625kbps（Single-tone）。

低功耗：NB-IoT引入了低功耗模式（Power Saving Mode，PSM）和擴(kuò)展的非連續(xù)接收（Extended Discontinuous Reception，eDRX）省電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的極低功耗。例如：NB-IoT抄表終端，假設(shè)每天發(fā)送一次200B報(bào)文，5Wh電池可使用10年。

廣覆蓋：NB-IoT具有超強(qiáng)的覆蓋能力，在同等條件下，相比2G和LTE網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)20dB。例如NB-IoT能覆蓋到地下車(chē)庫(kù)、地下室、地下管道等2G和4G網(wǎng)絡(luò)難以到達(dá)的地方。

低成本：NB-IoT對(duì)物理層、協(xié)議棧和硬件（射頻天線、緩存Flash/RAM、PA等）進(jìn)行了簡(jiǎn)化，與4G相比，大幅降低了芯片/模組成本，隨著規(guī)模的增加，可實(shí)現(xiàn)與2G成本相當(dāng)。

海量連接：NB-IoT網(wǎng)絡(luò)相比2G/3G/4G的上行容量提升50-100倍，單小區(qū)單載波每天可服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)50000個(gè)。

2、業(yè)務(wù)分類(lèi)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)一般可按照服務(wù)內(nèi)容和通信方式進(jìn)行不同的服務(wù)分類(lèi)。

2.1按照不同的服務(wù)內(nèi)容，NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)可分為基礎(chǔ)通信服務(wù)和智能通道服務(wù)。

基礎(chǔ)通信服務(wù)：即窄帶物聯(lián)網(wǎng)可承載的短信、數(shù)據(jù)等基本的通信服務(wù)。智能通道服務(wù)：即可提供終端通信狀態(tài)查詢、賬務(wù)信息查詢、用戶鑒權(quán)和低功耗模式設(shè)置等增強(qiáng)服務(wù)。

2.2按照不同的通信方式，可分為短信業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（1）短信業(yè)務(wù)

NB-IoT終端和應(yīng)用平臺(tái)間可通過(guò)短信方式通信，即：終端通過(guò)短信方式上傳采集到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，應(yīng)用平臺(tái)通過(guò)短信方式下發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

例如：安裝在監(jiān)控車(chē)輛上的終端通過(guò)內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)短信模塊定期上傳終端狀態(tài)信息，應(yīng)用平臺(tái)通過(guò)短信下發(fā)車(chē)輛調(diào)度指令。

（2）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

NB-IoT終端與應(yīng)用平臺(tái)間可采用數(shù)據(jù)方式通信，即：終端通過(guò)數(shù)據(jù)方式上傳終端狀態(tài)、終端報(bào)警等信息，應(yīng)用平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)方式給終端下發(fā)參數(shù)配置、控制命令等信息。

例如：NB-IoT終端向應(yīng)用平臺(tái)回傳油井工作狀態(tài)信息、設(shè)備基本參數(shù)等信息。

3、業(yè)務(wù)架構(gòu)

（1）NB-IoT核心網(wǎng)：包括移動(dòng)性管理設(shè)備（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）、PDN網(wǎng)關(guān)（P-GW）、用于存儲(chǔ)用戶簽約信息的HSS/HLR、移動(dòng)交換中心服務(wù)器（MSC sever）、短消息服務(wù)中心（SMS-SC）。其中，HSS/HLR、SMS-SC、P-GW為物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)元，全網(wǎng)集中設(shè)置；MME、S-GW、MSC sever為各省本地網(wǎng)元。

（2）運(yùn)營(yíng)支撐平臺(tái)：包括物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)連接管理平臺(tái)、OneNET平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自助服務(wù)、通信管理、終端管理、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)、API能力開(kāi)放等功能。其中，應(yīng)用平臺(tái)可以連接OneNET平臺(tái)，也可以不經(jīng)過(guò)OneNET平臺(tái)直連P-GW。

4、典型的業(yè)務(wù)應(yīng)用-智能抄表

對(duì)于現(xiàn)有抄表類(lèi)業(yè)務(wù)，主要存在3個(gè)問(wèn)題，一是海量人工抄表和更換電池導(dǎo)致的人力成本，這點(diǎn)在歐洲尤其明顯，二是繁雜的收費(fèi)模式，人工計(jì)算/銀行刷卡流程復(fù)雜，三是抄表的剛性需求，表類(lèi)根據(jù)地區(qū)很有可能部署在信號(hào)比較差的地方，當(dāng)前GPRS無(wú)法解決全覆蓋的問(wèn)題，當(dāng)前一般都采用有線多跳或無(wú)線多跳的方式，如在中國(guó)地區(qū)氣表一般入戶，覆蓋可以100%，水表和電表會(huì)安裝在豎井內(nèi)，豎井內(nèi)有金屬管、鋼筋等結(jié)構(gòu)，對(duì)于信號(hào)的屏蔽作用很強(qiáng)，所以普通的GPRS覆蓋根本無(wú)法滿足要求。

基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的智能抄表解決方案，在核心網(wǎng)協(xié)同無(wú)線的基礎(chǔ)上可完美解決傳統(tǒng)抄表存在的問(wèn)題。

（1）深度覆蓋：NB-IoT可以為智能抄表系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)高效的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，解決在2/3/4G覆蓋不足的問(wèn)題。

（2）超低功耗：為了表的電池生命周期，可以采用如上介紹的PSM、長(zhǎng)周期TAU/RAU和快速釋放連接以降低終端功耗；

（3）超低成本：為了降低海量抄表的終端部署成本，核心網(wǎng)引入了一系列降低UE成本、提供網(wǎng)絡(luò)效率的方案，如NAS協(xié)議簡(jiǎn)化、Data over NAS等。

綜上，NB-IoT的深度覆蓋可以提供無(wú)處不在的覆蓋，支持箱內(nèi)、地下室等部署場(chǎng)景；NB-IoT的UE低功耗和基于運(yùn)營(yíng)商平臺(tái)的簡(jiǎn)單架構(gòu)使部署和運(yùn)維更方便，并且可以提供運(yùn)營(yíng)商級(jí)別的高可靠性和高質(zhì)量。

三、結(jié)束語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)連接、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析和低成本傳感器等所有核心技術(shù)的就緒，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從萌芽期步入迅速發(fā)展的階段。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的市場(chǎng)前景將非常廣闊，涉及工、農(nóng)、商、貿(mào)等各個(gè)領(lǐng)域，這將為社會(huì)、企業(yè)、家庭和人們生活方式帶來(lái)全新的管理方式和變革。

參考文獻(xiàn)

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