5G通信技術(shù)下NB-IoT的發(fā)展與商用

張晉

【摘要】? ? 隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)技術(shù)的成熟，萬(wàn)物互聯(lián)的社會(huì)需求日益增加。市場(chǎng)對(duì)高新通信技術(shù)提出了新的需求，物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到關(guān)注并得到廣泛的應(yīng)用。NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文介紹了NB-IoT的現(xiàn)狀、技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)它在5G技術(shù)下的發(fā)展與商用進(jìn)行了分析和討論。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ? 物聯(lián)網(wǎng)? ? NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）

前言

目前，我國(guó)正處在通信飛速發(fā)展的時(shí)代。2019年6月6日，工信部正式向中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信和中國(guó)廣電發(fā)放了5G商業(yè)許可證，我國(guó)正式進(jìn)入了5G商用元年，我國(guó)也是繼韓國(guó)、美國(guó)、瑞士、英國(guó)等國(guó)家后，全球首批提供5G商用服務(wù)的國(guó)家。

從上世紀(jì)八十年代末我們手持大哥大跨入1G時(shí)代，1G我們擺脫了電話線實(shí)現(xiàn)了邊走邊聊;2G我們實(shí)現(xiàn)了短信功能;3G我們除了電腦外還可以用手機(jī)上網(wǎng)看圖片瀏覽新聞;在4G，網(wǎng)絡(luò)的速度已經(jīng)達(dá)到幾十甚至數(shù)百兆比特。體育賽事的現(xiàn)場(chǎng)直播和隨意瀏覽高清視頻已基本沒有障礙，4G基本滿足了用戶的需求，與4G相比，5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度進(jìn)一步提高。

事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)速度的進(jìn)一步提高只是5G的特征之一，甚至不是最重要的特征。

作為5G、eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、URLLC（高可靠性低時(shí)延連接）、MMTC（海量物聯(lián)）的應(yīng)用，這三個(gè)關(guān)鍵詞是由專業(yè)通信角度對(duì)5G定義的三種應(yīng)用場(chǎng)景。

提到mMTC（海量物聯(lián)）就不得不提到IoT，IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)），物聯(lián)網(wǎng)在4G時(shí)代就已經(jīng)較多的應(yīng)用，大家也一定不覺得陌生，在許多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無(wú)疑是目前在全國(guó)最主流的技術(shù)之一。然而從4G的發(fā)展來(lái)看NB-IoT還沒有非常完善的商業(yè)模式，本文結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，討論5G通信技術(shù)下NB-IoT的發(fā)展與商用。

一、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)概述

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)即窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NarrowBand -Internet of Things），NB-IoT萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，NB-IoT技術(shù)專注于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)范疇，是一種可在世界范圍內(nèi)廣泛使用并推廣的新技術(shù)。NB-IoT采用非授權(quán)頻段，可以采用帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立波三種方式進(jìn)行部署。NB-IoT構(gòu)建在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，僅消耗約180kHz帶寬，可直接在GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行大范圍的部署，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。目前聯(lián)通、電信、移動(dòng)已在各大城市部署了大量NB-IoT基站，并進(jìn)行了一些商化應(yīng)用，解決了物與網(wǎng)的互聯(lián)。

二、NB-IoT在我國(guó)商用的瓶頸

從當(dāng)前世界NB-IoT技術(shù)和5G全球化部署的情況來(lái)看，我國(guó)NB-IoT技術(shù)大規(guī)模的進(jìn)行商用所面臨的問(wèn)題和瓶頸來(lái)源于以下三個(gè)方面：

首先，是來(lái)自芯片方面的瓶頸。

目前我國(guó)芯片的研發(fā)企業(yè)由于缺乏相關(guān)技術(shù)人才，創(chuàng)新服務(wù)能力不足，再加上芯片設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高等因素，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)企業(yè)不愿意投入資源進(jìn)行研發(fā)與設(shè)計(jì)。國(guó)產(chǎn)芯片供給難以匹配，依賴進(jìn)口不僅制約了國(guó)內(nèi)芯片行業(yè)本身的發(fā)展，并且由于成本的因素，導(dǎo)致NB-IoT技術(shù)推廣遇到阻礙。

其次，是來(lái)自終端的瓶頸。

NB-IoT技術(shù)所面臨的終端的瓶頸也主要實(shí)在成本方面的。只有在成本足夠低的情況下，對(duì)于推廣NB-IoT技術(shù)更可行更商業(yè)化。但由于目前NB-IoT適用范圍沒達(dá)到一定的規(guī)模，致使數(shù)據(jù)流在終端產(chǎn)生的較少，且對(duì)該技術(shù)受成本的影響高于其他相關(guān)技術(shù)，因此終端的發(fā)展及經(jīng)濟(jì)程度也成為NB-IoT技術(shù)廣泛發(fā)展商用的一個(gè)瓶頸。

最后，是來(lái)自產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸。

NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈和市場(chǎng)成熟度與LoRa相比，存在一定滯后。NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈在2017年初步成熟，2018年小規(guī)模商用，NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈短期無(wú)法成熟，給了其他同類技術(shù)比如LoRa迅速發(fā)展的空間，同時(shí)也使得NB-IoT技術(shù)自我的發(fā)展和商用有了一定的制約。

三、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在5G的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

從事物的兩面性來(lái)看，NB-IoT在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)還是能夠突破上述的瓶頸制約。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，具有功耗少、連接點(diǎn)多、覆蓋面積廣、傳輸速率低、消耗成本低、易于優(yōu)化架構(gòu)等特點(diǎn)，或許會(huì)成為結(jié)束碎片化、統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)方法。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在5G中的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1、大連接、接入能力增強(qiáng)。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)支持海量的低吞吐量終端，每小區(qū)支持用戶5萬(wàn)個(gè)鏈接，小包化的傳輸模式優(yōu)化了空口開銷，減少無(wú)線資源占用，支持更多用戶。

2、低功耗，低陳本、兼容性設(shè)計(jì)。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署的基站天線可以和現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)以即將到來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)共用，在終端測(cè)，5Wh的電池可供終端使用10年，同時(shí)低寬帶、低功耗和低速率等技術(shù)使得NB-IoT在成本上的縮減，也是從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講的優(yōu)勢(shì)。

3、覆蓋能力強(qiáng)。

從覆蓋能力的角度來(lái)分析，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力比現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)20dbB左右的增益，可以很好的提升室內(nèi)覆蓋穿透能力和室外的覆蓋范圍。

四、NB-IoT商用現(xiàn)狀及5G部署后的發(fā)展

優(yōu)勢(shì)技術(shù)勢(shì)必會(huì)推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，目前NB-IoT推動(dòng)了智能產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，衍生出了智能生產(chǎn)、智慧城市、智能農(nóng)業(yè)、智能家居、智能醫(yī)療、智能教育抄表等領(lǐng)域。因?yàn)樵摷夹g(shù)可以直接在GSM、UMTS或LTE網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行"疊加"，所以與其他的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，NB-IoT更容易受到電信運(yùn)營(yíng)商的選擇。該技術(shù)在運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備供應(yīng)商、終端芯片制造商等的合力發(fā)展推行下，在短時(shí)間內(nèi)便可以取得進(jìn)一步的發(fā)展。

近年來(lái)，我國(guó)非常重視在細(xì)分領(lǐng)域中推廣NB-IoT的應(yīng)用。2018年，基于NB-IoT的MTM（機(jī)器與機(jī)器）連接超過(guò)1億。大膽的推測(cè)在5G進(jìn)行商用之后，到達(dá)2022年的總連接數(shù)將達(dá)到9.5億。預(yù)計(jì)全球?qū)⒂?70億設(shè)備將在2011年之前與物聯(lián)網(wǎng)連接，那么粗略估計(jì)市場(chǎng)規(guī)模產(chǎn)生的市值將超過(guò)萬(wàn)億美元，其中NB-IoT技術(shù)將覆蓋連接30%的物聯(lián)網(wǎng)，完成230億的連接。

根據(jù)目前物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用情況，在5G大規(guī)模商用后，相比當(dāng)前4G中以?shī)蕵泛托阅転閷?dǎo)向的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，最終到了5G時(shí)代將會(huì)發(fā)展到面向各種物聯(lián)網(wǎng)低端終端、大范圍廣域部署，如智能水務(wù)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能照明、智能停車、智能追蹤為代表的智能家居、智能城市、智能生產(chǎn)等領(lǐng)域，如下：

1、NB-IoT智能水務(wù)在5G部署后的發(fā)展：

傳統(tǒng)水務(wù)在現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)模式下規(guī)劃、維護(hù)復(fù)雜，成本高;覆蓋距離和容量有限，干擾嚴(yán)重，質(zhì)量差;耗電高，電池壽命導(dǎo)致產(chǎn)品更換頻繁，2G逐漸退網(wǎng)，3G/4G終端模組成本高;智能水務(wù)更易于部署，免網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，大幅提高電池續(xù)航能力，在高可靠的5G網(wǎng)絡(luò)下，可以實(shí)現(xiàn)海量終端在線監(jiān)控。

2、NB-IoT智能農(nóng)業(yè)在5G部署后的發(fā)展：

傳統(tǒng)通信技術(shù)下的農(nóng)業(yè)技術(shù)60%農(nóng)業(yè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足，GPRS/UMTS功耗/成本較高，短距通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜;NB-IoT智能農(nóng)業(yè)在5G中相對(duì)GSM覆蓋范圍增至7倍，超低功耗長(zhǎng)達(dá)10年電池壽命，甚至可以達(dá)到即插即用無(wú)需網(wǎng)絡(luò)配置。

3、NB-IoT智能物流在5G部署后的發(fā)展：

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下物流大面積自建網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本高，局限在區(qū)域使用，不支持遠(yuǎn)距離和漫游，容量受限，可靠性、安全性低，覆蓋不足導(dǎo)致上報(bào)失敗率高，同時(shí)因電池使用周期短，導(dǎo)致運(yùn)作成本增高;NB-IoT智能物流技術(shù)減少40%海關(guān)清關(guān)時(shí)間，日常工作量減少45%，貨物追蹤準(zhǔn)確率提升至70%-90%，貨物轉(zhuǎn)運(yùn)效率提升至30%。

4、NB-IoT智能路燈在5G部署后的發(fā)展：

傳統(tǒng)路燈PLC電力線組網(wǎng)對(duì)電纜要求高，施工難度大，電力線傳輸干擾嚴(yán)重，傳輸距離有限，需密集布放，數(shù)據(jù)上報(bào)失敗率可達(dá)20%，存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、難以矯正等問(wèn)題，傳統(tǒng)Zigbee兩跳組網(wǎng)成本高傳播距離短、干擾嚴(yán)重，Mesh組網(wǎng)容量受限，超過(guò)200盞燈有廣播風(fēng)暴;NB-IoT智能路燈采用跳組網(wǎng)技術(shù)，易部署易維護(hù)，高可靠電信網(wǎng)絡(luò)，低成本，可以完成遠(yuǎn)程控制每路燈開關(guān)、實(shí)時(shí)獲取路燈狀態(tài)、遠(yuǎn)程配置路燈開關(guān)及明亮度，遠(yuǎn)程故障排除，遠(yuǎn)程軟件升級(jí)。

5、NB-IoT智能停車在5G部署后的發(fā)展：

傳統(tǒng)停車管理方式一般采用短距兩跳方案、有線結(jié)合紅外檢測(cè)方案、人工管理等，其中短距兩跳中繼器方案部署困難，維護(hù)成本高、信號(hào)干擾嚴(yán)重質(zhì)量差等缺點(diǎn)，有限集合紅外傳輸方案僅限于室內(nèi)使用且安裝布線復(fù)雜，維護(hù)成本高，人工管理方案計(jì)費(fèi)容易流失、管理難度大、工作時(shí)間長(zhǎng);NB-IoT智能停車選用一跳方案容易部署，遠(yuǎn)程管理易維護(hù)，授權(quán)頻譜無(wú)干擾，高可靠電信網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)質(zhì)覆蓋。

以上示例僅是NB-IoT智能應(yīng)用的一隅，隨著現(xiàn)階段5G部署的加速，該技術(shù)會(huì)在我們的社會(huì)發(fā)展、城市應(yīng)用、人民生活中發(fā)揮其積極的一面，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物皆智能。

五、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)飛速發(fā)展的社會(huì)，伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化的迅速發(fā)展，電子信息技術(shù)在人們的生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。Nb-IoT和5G的融合使其具有許多復(fù)雜的特性。也體現(xiàn)在更詳細(xì)的產(chǎn)品中，人與事物、人與人，事物與事物都有更強(qiáng)的溝通和各種聯(lián)系，所得到的數(shù)據(jù)也成為專家們參考某一領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

隨著新能源的發(fā)展，5G將更多地釋放能量，同時(shí)NB-IoT也將為整個(gè)社會(huì)提供更多的發(fā)展能力，為人類的發(fā)展創(chuàng)造出更多的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]馬超，《5G移動(dòng)通信技術(shù)下的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代》，通信設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2018

[2]陳志欽，《基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》，江西師范大學(xué)，2018

[3]王水平，《江西新經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究》，江西財(cái)經(jīng)大學(xué)，2018

[4]素文，《NB-IoT迎來(lái)商用元年，萬(wàn)億級(jí)市場(chǎng)啟航》，人民郵電，2017

[5]劉世波 等，《NB-IoT 在智能家居中的應(yīng)用 》，建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018

[6]鄭梅云，《全球首個(gè)NB-IoT套餐面世》，文匯報(bào)，2017

[7]張余明 等，《一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIOT）智慧泊車前端系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)》，數(shù)字化用戶，2018

[8]黃征宇，《物聯(lián)網(wǎng)芯片國(guó)產(chǎn)化“困局”》，中國(guó)信息化，2013