關(guān)于NB-IoT技術(shù)的研究與應(yīng)用

李春旭 王文成 劉冰婷

【摘要】? ? NB-IoT是近年來新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點在于其網(wǎng)絡(luò)層。因為其覆蓋更加廣闊、功耗更加節(jié)省、工作于授權(quán)頻譜等無可比擬的優(yōu)點在眾多低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)中脫穎而出。本文首先介紹了NB-IoT技術(shù)發(fā)展背景及其基本概念，詳細(xì)闡述了NB-IoT特點和優(yōu)勢，文末描述了NB-IoT廣泛應(yīng)用及發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】? ? NB-IoT? ? 窄帶物聯(lián)網(wǎng)? ? 蜂窩網(wǎng)絡(luò)? ? 智能

一、發(fā)展背景

傳統(tǒng)移動通信是人與人之間的通信，隨著時代發(fā)展移動通信的定義也在不斷的改變，萬物之間的連接才是發(fā)展必然趨勢。然而，當(dāng)前的移動通信網(wǎng)絡(luò)在萬物互聯(lián)的能力上略顯不足。實際上，相對于ZigBee、藍(lán)牙等技術(shù)，移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)在覆蓋能力、可移動性以及連接數(shù)量等指標(biāo)更具優(yōu)勢，能為NB-IoT帶來更加多樣化的應(yīng)用場景，是物聯(lián)網(wǎng)的主要連接技術(shù)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要技術(shù)成分，由于其具有功率損耗低、覆蓋面積廣、投資成本低、連接設(shè)備數(shù)大等特點，在無線網(wǎng)絡(luò)通信中已成為重要組成部分。

二、NB-IoT 概述

NB-IOT是由3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是構(gòu)建于蜂窩通信的窄帶物聯(lián)網(wǎng)。NB-IOT技術(shù)只消耗大約180KHZ的帶寬，可支持帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)部署，網(wǎng)絡(luò)保護(hù)帶內(nèi)部署和獨立部署等三種方式，并可以與現(xiàn)網(wǎng)并存。為了節(jié)省部署成本，NB-IOT可在現(xiàn)有GSM、LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上實現(xiàn)直接部署。與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，NB-IoT具有較強的兼容性，以新的技術(shù)形式構(gòu)建在蜂窩無線網(wǎng)技術(shù)之上，這樣能夠更好的解決在NB-IoT技術(shù)應(yīng)用過程中室內(nèi)信號覆蓋不足的問題。NB-IOT技術(shù)支持接入各種分辨率的終端，可滿足低時延的技術(shù)要求，可有效節(jié)約建設(shè)成本，并且進(jìn)一步改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)架構(gòu)。

NB-IoT逐步演進(jìn)，于2020年7月正式寫入5G標(biāo)準(zhǔn)。2014年5月華為、Vodafone提出了窄帶技術(shù)NB M2M;2015年9月，在3GPP第69次RAN全會上，“NB-CIoT”和“NB-LTE”2個技術(shù)規(guī)范融合為NB-IoT;2016年6月，NB-IoT獲得國際組織3GPP通過，標(biāo)志著NB-IoT商用化開始;2020年7月，ITU-R WP5D會議上，NB-IoT正式成為5G標(biāo)準(zhǔn)。

三、NB-IoT特點與關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 超低功耗

設(shè)備的功率損耗是NB-IoT技術(shù)應(yīng)用一項重要指標(biāo)，尤其對于一些不便常換電池的終端設(shè)備，如安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)的各種傳感類設(shè)備、監(jiān)測類設(shè)備等，它們的電池使用壽命需求長達(dá)幾年。而NB-IoT終端設(shè)備可以控制自身休眠和工作的狀態(tài)，低功耗特性結(jié)合多種節(jié)電技術(shù)，終端設(shè)備待機(jī)時長達(dá)十年之久。

（1）PSM模式：在idle（空閑態(tài)下）增加PSM態(tài)，終端設(shè)備幾乎為關(guān)機(jī)狀態(tài)，處于休眠模式，定時器可控制呼醒狀態(tài)，從而實現(xiàn)設(shè)備的低功耗;

根據(jù)上圖分析可知如果上傳周期TUA為10分鐘，設(shè)備每周上傳一次數(shù)據(jù)，兩節(jié)5號電池可以用132個月之久。

2、eDRX：增強型非連續(xù)接收模式，延長了DXR的周期，實現(xiàn)更長的尋呼周期，以達(dá)到省電的目的。

3.2 超大連接

NB-IoT占用的傳輸帶寬比LTE少了很多，由于NB-IoT在總的帶寬資源一定的情況下，NB-IoT接入的設(shè)備數(shù)量較多，所以NB-IoT技術(shù)資源利用率更高。通過測試發(fā)現(xiàn)，在相同基站相同業(yè)務(wù)帶寬的情況下，相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT通信技術(shù)可以提供百倍的連接數(shù)量，真是實現(xiàn)萬物互聯(lián)所必須的海量連接。據(jù)統(tǒng)計當(dāng)前NB-IoT網(wǎng)絡(luò)單個基站可接入約5-10萬個終端設(shè)備。

3.3 超低成本

從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)看， NB-IoT可以直接在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上改造升級，這樣可以大大降低了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。以現(xiàn)網(wǎng)900MHz網(wǎng)絡(luò)升級為例，只需在帶寬上退出180KHz，就可以將現(xiàn)網(wǎng)直接升級為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及芯片組成方面，設(shè)備成本及芯片成本較低，因此，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)網(wǎng)升級改造過程中具有改造成本低的優(yōu)勢，同時物聯(lián)網(wǎng)的低速率運行、低功率消耗及低帶寬資源設(shè)計也給NB-IoT設(shè)備芯片以及模塊帶來低成本優(yōu)勢。

3.4 超廣覆蓋

NB-IoT技術(shù)通過時域重傳技術(shù)和提升功率譜密度，相比現(xiàn)有的GSM網(wǎng)提升了20dB的MCL（傳送數(shù)據(jù)時，設(shè)備和基站的天線端口之間的最大總信道損耗，MCL值越大，鏈接越強大，覆蓋范圍越廣），信號的傳輸覆蓋范圍更大，穿透能力相當(dāng)于比GSM網(wǎng)絡(luò)多穿透兩堵墻，能覆蓋到深層地下GSM網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋到的地方。

（1）物聯(lián)網(wǎng)通過在時域上重傳技術(shù)來改善傳輸過程中的數(shù)據(jù)有效性，NB-IoT通過重復(fù)數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)時間上的分集，從而提高了傳輸數(shù)據(jù)的有效性，物聯(lián)網(wǎng)的時域重傳技術(shù)能夠提高9dB--12dB的上下行增益。

（2）物聯(lián)網(wǎng)通過將180KHZ的帶寬資源分為不同個15KHZ的子載波資源用來提升功率譜密度，通過增加物聯(lián)網(wǎng)的功率譜密度，并采用子載波傳輸信息的方式，提高了信號解調(diào)效率，提高了信號的傳播距離及信號的穿透能力。

四、NB-IoT廣泛應(yīng)用與未來發(fā)展趨勢

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，NB-IoT得到全面的應(yīng)用，但在近幾年的發(fā)展中，智慧城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域進(jìn)一步推動NB-IoT的需求和發(fā)展。特別是在智能定位、智能告警、智能控制、電池監(jiān)控、智能拉桿箱、智能共享單車智能路燈等智能設(shè)備領(lǐng)域體現(xiàn)尤為突出據(jù)咨詢公司MarketsandMarkets的報告中稱，NB-IoT模組2020年市場規(guī)模將達(dá)到4.61億美元，預(yù)計2025年將達(dá)到24.84億美元，年復(fù)合增長率為40%。

在2020年7月9日結(jié)束的ITU-R WP5D會議上，ITU做出重大決議：中國和3GPP提交的NB-IoT技術(shù)正式成為5G標(biāo)準(zhǔn)。這意味著NB-IoT技術(shù)明確成為5G低功耗廣域網(wǎng)場景應(yīng)用首選，當(dāng)前部署的NB-IoT終端，可平滑接入5G網(wǎng)絡(luò);業(yè)界在NB-IoT生態(tài)的投資，將被保護(hù)，并且將持續(xù)發(fā)揮價值。NB-IoT納入ITU 5G標(biāo)準(zhǔn)，確保了未來10年投資，給行業(yè)吃了一顆定心丸，也意味著聯(lián)接數(shù)量和應(yīng)用場景將持續(xù)擴(kuò)展。面向未來十年，從以智慧氣表、智慧水表、智能煙感、智慧門鎖、智慧路燈為代表的放量市場，到以智慧家電、智慧工廠、消費電子為代表的新興市場，再到應(yīng)急管理、監(jiān)控檢測等孵化市場，還有海量的“物”需要低成本、低速率、低功耗的5G NB-IoT來連接，與5G NR高速率連接一起共同推動全聯(lián)接的智能世界。

五、結(jié)語

隨著標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)和技術(shù)不斷增強，NB-IoT應(yīng)用還將進(jìn)入到更多的行業(yè)，幫助千行百業(yè)提質(zhì)降本增效，NB-IoT是5G物聯(lián)，在產(chǎn)業(yè)日趨成熟的背景下，以及政策支持、標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)持續(xù)演進(jìn)下，5G NB-IoT將持續(xù)繁榮發(fā)展，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新動能。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]張永強，高尚，石瑩，周萬珍.NB-IOT技術(shù)特性及應(yīng)用.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2020第30卷第5期

[2]張福琦，劉禹佳.NB-IOT技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究.中國新通信， 2019第21卷第12期

[3]丁聰.論NB-IoT技術(shù)及應(yīng)用前景.中國新通信， 2017.（20）