基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)性能及應(yīng)用

安進朝

摘要：信息技術(shù)的發(fā)展推進了移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，也助推了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于蜂窩技術(shù)的NB-IoT也逐漸應(yīng)用到了多個行業(yè)和業(yè)務(wù)領(lǐng)域。介紹了NB-IoT的發(fā)展情況以及蜂窩技術(shù)背景，分析和論述了NB-IoT的技術(shù)性能和優(yōu)勢，并對以蜂窩為支撐的NB-IoT的應(yīng)用實踐進行了總結(jié)。NB-IoT適用于低速率業(yè)務(wù)和靜態(tài)業(yè)務(wù)，在對非連續(xù)移動、實時傳輸數(shù)據(jù)要求嚴格的業(yè)務(wù)場景有明顯優(yōu)勢，將成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：蜂窩技術(shù);NB-IoT;技術(shù)性能;信息技術(shù)

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）04-56-3

0引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推進了移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，物聯(lián)網(wǎng)也迅速得到發(fā)展。在這一過程中，NB-IoT的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷增多，為進一步提高物聯(lián)網(wǎng)使用成效提供了幫助。NB-IoT屬于3GPP技術(shù)，可疊加在現(xiàn)有2G/3G/LTE的網(wǎng)絡(luò)上，有專用的頻段，已被中國三大運營商及全球多個運營商采納。同時，NB-IoT設(shè)備的電池使用壽命超過10年，使用成本相對較低。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋全球50%以上地理面積和90%人口的基礎(chǔ)上，NB-IoT有著極為廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用場景。為了提高窄帶物聯(lián)網(wǎng)的實用性，滿足人們的物聯(lián)網(wǎng)使用需求，對以蜂窩技術(shù)為基礎(chǔ)的NB-IoT進行了深入研究。

1 NB-IoT發(fā)展概述

NB-IoT是一種以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為平臺的物聯(lián)網(wǎng)，分屬于萬物物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[1]。蜂窩技術(shù)應(yīng)用的主要目標是建立大型的蜂窩小區(qū)，現(xiàn)階段蜂窩技術(shù)不僅包括宏蜂窩技術(shù)，還包括微蜂窩技術(shù)和智能蜂窩技術(shù)?；诜涓C技術(shù)，移動通信技術(shù)人員將構(gòu)建蜂窩網(wǎng)絡(luò)，有分布式蜂窩通信系統(tǒng)和蜂窩移動電話系統(tǒng)之分。在2014年，窄帶技術(shù)NB M2M被提出，次年該技術(shù)與NB OFDMA融合形成NB-CIoT，然后又將后者與NB-LTE融合，最終形成了NB-IoT。這種基于蜂窩的物聯(lián)網(wǎng)可以被直接部署在GSM，UMTS，LTE網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，而且所需帶寬和部署成本不高，十分有利于實現(xiàn)平滑升級。在實踐中，NB-IoT構(gòu)建環(huán)節(jié)所需的帶寬頻段僅為180 kHz，被廣泛應(yīng)用于多個垂直行業(yè)?，F(xiàn)階段，全球NB-IoT標準制定開展的如火如荼，我國也在其中扮演了重要角色。國內(nèi)多個城市啟動了外場規(guī)模組網(wǎng)試驗，預(yù)計到2025年，NB-IoT將成為國內(nèi)5G物聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)。

2蜂窩支持下的NB-IoT技術(shù)性能

2.1信號廣

對于以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為支撐的NB-IoT而言，最為突出的技術(shù)特點是信號覆蓋范圍廣。與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)相比，在同頻段當(dāng)中NB-IoT不僅可以增加20 dB，還具有更為廣泛的信號覆蓋范圍[2]。從當(dāng)前的比較情況來看，頻段相同的情況下，NB-IoT的信號覆蓋面積是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的百倍。而且，NB-IoT的速率與TB大小、RU數(shù)量以及重發(fā)次數(shù)有關(guān)。若要提高信號質(zhì)量，可通過推進信號接收方式合并或基于重復(fù)傳輸來實現(xiàn)。在對中國移動的某一試點進行4G和NB-IoT技術(shù)覆蓋測試時，在4G覆蓋測試的PCI，RSRP，RSRQ，SINR速度分別為292 MB/s，-107.7 dBm，-8，3;而NB-IoT測試值分別為189 MB/s，-100 dBm，-11，12。

2.2多連接

NB-IoT技術(shù)有著十分強大的多連接性能，可以支撐海量連接，意味著在單一扇區(qū)之內(nèi)可支撐的連接能達到十萬個。同一基站下，蜂窩支持的NB-IoT技術(shù)接入數(shù)量可以達到現(xiàn)有無線技術(shù)的50倍，最高接入數(shù)量甚至是現(xiàn)有的100倍，可以構(gòu)建出一種支持低延時敏感度的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，使得基于小空間可放置多設(shè)備，而且設(shè)備之間彼此不會干擾。通過NB-IoT技術(shù)可有效提升上行等效功率、降低空口信令開銷，更有助于提升頻譜效率和通信容量，實現(xiàn)多連接和強連接[3]。

2.3低功率

功率高低是衡量通信技術(shù)有效性的重要指標，而對于NB-IoT技術(shù)低功率恰恰是其最具代表性的特點，適用于電池更換不便的場合和設(shè)備，可以提供更為便利的移動通信條件。通過節(jié)約不必要的功耗，既能為用戶提供方便，又能為運營商帶來充足盈利，符合大數(shù)據(jù)時代背景下的節(jié)能和便利要求。實踐發(fā)現(xiàn)，NB-IoT可以使終端芯片的負載程度和耗電程度大幅下降，空口信令得到簡化，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。同時，還可以延長TAU/RAU周期，并減少位置更新頻次。經(jīng)測量，NB-IoT在PSM模式和IDLE模式下的最大耗流分別為5μA和6 mA。

2.4小成本

在NB-IoT應(yīng)用環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員不斷通過調(diào)整和創(chuàng)新壓縮終端芯片的成本。比如，為降低基帶復(fù)雜性，將終端工作帶寬減至200 kHz;提高功放效率;降低RF設(shè)計成本和低峰均比等。而且，在應(yīng)用NB-IoT技術(shù)時也無需面對重新建網(wǎng)的壓力，所用的天線和射頻也屬于通用款式;與現(xiàn)有的無線終端相比，NB-IoT無論是在模塊、供電還是通信運營方面都有著極高的性價比，單個連接模塊的預(yù)期價格還在持續(xù)降低。

3 NB-IoT實踐分析

目前，移動通信巨頭紛紛開展了關(guān)于NB-IoT技術(shù)的研究，使得該技術(shù)在遠程抄表、智能農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)跟蹤及智能停車等多個垂直行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

3.1技術(shù)架構(gòu)

在NB-IoT系統(tǒng)當(dāng)中，共有4個組成部分：終端側(cè)、無線側(cè)、核心網(wǎng)和應(yīng)用平臺。在NB-IoT業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，終端側(cè)主要包含模組、終端以及芯片等設(shè)備;而無線側(cè)則主要包含無線網(wǎng)管、BBU、RRU、光纖;核心網(wǎng)主要是IP網(wǎng)絡(luò)，包含EOC核心網(wǎng)和EPC網(wǎng)管;應(yīng)用平臺則主要是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)平臺。

終端側(cè)主要扮演的是感知層角色，如圖1所示，內(nèi)部包含多種類型的傳感器。比如，溫度傳感器、RFID標簽和讀寫器、GPS、二維碼標簽及攝像頭等，這一層級是物聯(lián)網(wǎng)進行物體識別和信息采集的關(guān)鍵性層面。若將NB-IoT與人類相比，終端側(cè)就是人體視覺、聽覺和觸覺的集合體?；诮K端側(cè)，NB-IoT采集到的信息被有效傳遞給接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，而后可以進入服務(wù)平臺為提高移動通信質(zhì)量提供輔助。無線側(cè)發(fā)揮接入網(wǎng)絡(luò)的作用，這一部分的覆蓋能力極為強大，將充當(dāng)接觸終端的基礎(chǔ)[4]。不僅如此，在建立NB-IoT技術(shù)架構(gòu)時，為了提高技術(shù)應(yīng)用有效性，相關(guān)工作人員還需要對PGW和HSS網(wǎng)元進行改造。NB-IoT結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用平臺，主要發(fā)揮著管理物聯(lián)網(wǎng)所承擔(dān)的業(yè)務(wù)的作用，具有管理統(tǒng)一性特點，有助于推進NB-IoT的應(yīng)用拓展。

為了能讓NB-IoT的功能更為完善，消除其無法滿足移動性要求高、數(shù)據(jù)量大且有語音業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的弊端，可以為窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計基于GSM的FDD&NB-IoT升級方案。在建網(wǎng)環(huán)節(jié)，無需儲備FDD的窄帶物聯(lián)網(wǎng)以滿足物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，進一步推進低成本和廣覆蓋為思路;而儲備FDD的窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該以FDD-LTE規(guī)劃為目標建網(wǎng)，并對物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求進行兼顧。比如，推進多載波通信模塊軟件升級、BBU框新增LTE主控版及基帶板，實現(xiàn)天線共用，為不具備PTN的站點建設(shè)新的PTN設(shè)備，與TD-LTE共同用核心網(wǎng)，實現(xiàn)GSM與FDD共網(wǎng)管等。

3.2頻段與頻點

在應(yīng)用階段，頻段選擇和頻點部署同樣重要，從現(xiàn)階段國內(nèi)移動通信運營商的NB-IoT部署情況來看，中國移動、中國聯(lián)通和中國電信在部署NB-IoT時選擇的頻段和頻點布設(shè)方式皆不相同。

在頻點部署環(huán)節(jié)，部署方式主要有3種類型：Stand-alone，Guard-band，In-band。Stand-alone部署也稱獨立部署，可借助于GERAN系統(tǒng)占用的資源來替代GSM載波[5];Guard-band部署也被稱為保護帶部署，可以基于LTE載波對帶上未被使用的資源塊加以保護;In-band部署也被稱為帶內(nèi)部署，利用LTE載波內(nèi)的資源塊。在滿足協(xié)議的前提下，獨立部署方式的容量可達5.3萬/小區(qū)，保護帶部署系統(tǒng)容量可達4萬/小區(qū)，帶內(nèi)部署系統(tǒng)容量可達3.1萬/小區(qū)。NB-IoT的下行鏈路為OFDMA方式，此時3種操作模式的子載波間隔相同;而上行鏈路可支持Single-tone和Multi-tone傳輸。而且，NB-IoT終端只需支持半雙工操作。

在實踐中，獨立部署實際上是在獨立200 kHz頻段部署頻點，所以有著獨占頻譜、不與現(xiàn)有系統(tǒng)共存的頻譜特點;保護帶部署方式則需要將頻點部署在FDD-LTE保護帶以內(nèi)，需要考慮與LTE系統(tǒng)的頻譜共存所導(dǎo)致的射頻指標或干擾規(guī)避問題;帶內(nèi)部署在FDD-LTE頻段以內(nèi)，這種帶內(nèi)頻點部署需要考慮的頻譜問題與保護帶部署相同。當(dāng)然，這3種頻點部署類型的差異不僅表現(xiàn)在頻譜上，還表現(xiàn)在共存、小區(qū)峰值速率、覆蓋以及容量等多個方面：

①共存：獨立部署模式下，NB-IoT與GSM共站共存需100 kHz保護間隔;保護袋部署模式下，NL共站共存無需保護間隔，而帶內(nèi)部署模式下，NL共站共存無需保護間隔，但是應(yīng)該避開PDCCH，PRS，CSI-RS，PBCH等。

②小區(qū)峰值速率：3種部署的上行峰值速率分別為261.6 bps，261.6 bps，261.6 bps;下行峰值速率分別為226.6 bps，226.6 bps，170 bps。

③覆蓋：3種部署在重發(fā)次數(shù)和速率方面存在明顯差異，若在最大耦合路損（MCL）超過164 dB的情況下，獨立部署重發(fā)次數(shù)少且速率高;保護帶部署重發(fā)次數(shù)多且速率高;帶內(nèi)部署重發(fā)次數(shù)多且速率低。

④容量：獨立部署模式的容量為53 169/小區(qū)，隨機接入容量受限;保護帶部署模式的容量為40 863/小區(qū)，尋呼容量受限;帶內(nèi)部署模式的容量為31 288/小區(qū)，下行業(yè)務(wù)信道受限。

3.3應(yīng)用場景

現(xiàn)階段，NB-IoT所具有的低功耗、小成本、長待機、深覆蓋、大容量和多接入特點，使其十分適用于低速率業(yè)務(wù)和靜態(tài)業(yè)務(wù)，對非連續(xù)移動、實時傳輸數(shù)據(jù)有所要求的業(yè)務(wù)場景當(dāng)中都能得到廣泛應(yīng)用。在實踐中，自主異常報告業(yè)務(wù)類型、自主周期報告業(yè)務(wù)類型、遠程控制指令業(yè)務(wù)類型和軟件遠程更新業(yè)務(wù)類型都屬于NB-IoT的應(yīng)用場景。比如，煙霧報警探測器、水電表遠程抄表、設(shè)備遠程啟閉、軟件更新等。在行業(yè)中，NB-IoT的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛。比如，公共事業(yè)、智慧城市、消費電子、設(shè)備管理、智能建筑、智慧物流和農(nóng)業(yè)環(huán)境等領(lǐng)域都可見NB-IoT的身影[6]。尤其是在智慧城市和農(nóng)業(yè)環(huán)境當(dāng)中，NB-IoT的應(yīng)用為提高智能交通管理質(zhì)量和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)水平提供了巨大幫助，為實現(xiàn)萬物互聯(lián)做出了技術(shù)保障。

4結(jié)束語

綜上所述，NB-IoT屬于萬物物聯(lián)網(wǎng)的分支，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為支撐建立。在使用過程中，表現(xiàn)出了信號廣、功率低、成本低和多連接功能，為提高物聯(lián)網(wǎng)實用性提供了巨大幫助，實踐重點在于其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和頻段與頻點的選擇部署上，應(yīng)用方向十分多樣。

參考文獻

[1]徐穎.以蜂窩為基礎(chǔ)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)性能和實踐[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（9）：131.

[2]羅象乾.探究窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）標準與關(guān)鍵技術(shù)[J].通信電源技術(shù)，2018，35（11）：269-270.

[3]李景楓，黃曉弟，趙永峰.蜂窩技術(shù)支持下的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)性能及應(yīng)用[J].中國新通信，2018，20（22）：108.

[4]曾忠誠.基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)性能及應(yīng)用[J].信息記錄材料，2018，19（5）：44-45.

[5]鄭飛，吳斯棟.窄帶物聯(lián)網(wǎng)標準化概述和性能測試[J].中國自動識別技術(shù)，2020（5）：69-72.

[6]何澤鵬.基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)性能及應(yīng)用[J].廣東通信技術(shù)，2017，37（3）：29-34，65.