窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用淺析

祁家榕，張昌偉，郭永安

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

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窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用淺析

祁家榕，張昌偉，郭永安

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,舊有的一些傳輸協(xié)議面臨著一些局限性,窄帶物聯(lián)網(wǎng)是一種最新提出的專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的傳輸方式。首先針對(duì)目前窄帶物聯(lián)網(wǎng)的研究現(xiàn)狀和未來的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了大致介紹，討論了窄帶物聯(lián)網(wǎng)的獨(dú)立布置、保護(hù)帶布置和帶內(nèi)布置三種部置方式，并且針對(duì)現(xiàn)在方興未艾的“互聯(lián)網(wǎng)+” 趨勢提出了幾種窄帶物聯(lián)網(wǎng)可能的使用場景。最后闡述了窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景及未來的挑戰(zhàn)。

物聯(lián)網(wǎng)；NB-IOT；部署方式；LTE

0 引言

未來所有電子設(shè)備都會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)被連接到一起。在這種網(wǎng)絡(luò)社會(huì)中，每個(gè)人或組織的生產(chǎn)力都將被極大地激發(fā)出來。未來實(shí)現(xiàn)這種萬物互聯(lián)的社會(huì)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是至關(guān)重要的，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)做到了機(jī)器與機(jī)器(M2M)和機(jī)器與人的連接，可以極大地促進(jìn)人類社會(huì)的發(fā)展[1]。

目前，有很多技術(shù)可以用于物聯(lián)網(wǎng)信息的傳輸，比如藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)、紅外、LTE等。在這些技術(shù)中，有的技術(shù)著重于小范圍的傳輸，有些技術(shù)側(cè)重于覆蓋范圍的增強(qiáng)，但是卻沒有一個(gè)專門針對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)膮f(xié)議。與目前人們所熟知的互聯(lián)網(wǎng)相比，物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興的事物有著很多與互聯(lián)網(wǎng)不同的地方。首先它是各種感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,放置的傳感器數(shù)量是海量的,且包含了各種各樣的種類,每種傳感器的功能不同,收集到的信息的內(nèi)容和格式也各不相同，每一個(gè)傳感器都是一個(gè)獨(dú)立的信息收集節(jié)點(diǎn)。各種類型的傳感器按照事先設(shè)定好的頻率每隔一段時(shí)間收集一次信息，并將收集到的信息不斷地上傳到指定的服務(wù)器或處理單元，這種信息的收集和傳輸都是實(shí)時(shí)的。這是一種利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施傳輸新的數(shù)據(jù)類型、連接新的通信終端的新型網(wǎng)絡(luò)，即“泛在網(wǎng)絡(luò)”。雖然是一種新型的傳輸網(wǎng)絡(luò)，但是其最基本的通信還是基于互聯(lián)網(wǎng)的，也可以說物聯(lián)網(wǎng)是依附于互聯(lián)網(wǎng)的存在而存在的，物聯(lián)網(wǎng)利用互聯(lián)網(wǎng)的各種信息傳輸方式，包括有線的和無線的，最終的目的都是將各類傳感器收集到的信號(hào)準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)街付ǖ牡胤健Ｓ捎谖锫?lián)網(wǎng)的特征之一就是在網(wǎng)絡(luò)中包含了海量的傳感器節(jié)點(diǎn)用于收集各種信息，因此由這種傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也將是非常巨大的，為了保證收集到的信息能夠被及時(shí)無誤地傳送，這些物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)必須具備適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議的能力。而且在物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)之初，這一網(wǎng)絡(luò)所需要提供的不僅僅是一個(gè)各種傳感器相互連接的途徑，還需要包括處理加工數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析能力，通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于傳感器收集到的信息的反饋，從而實(shí)現(xiàn)“智能工廠”、“智慧城市”等目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)的一大創(chuàng)新之處就是數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，通過結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、行為識(shí)別等新技術(shù)來擴(kuò)展其應(yīng)用的范圍。可以說，物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展將會(huì)極大地改變?nèi)藗兊纳罴皩?duì)于生活方式、生產(chǎn)方式的認(rèn)識(shí)。

因此，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)牡退俾省捀采w、大連接、生命周期長等特點(diǎn)，3GPP組織專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)布了窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即Rel-13。相對(duì)于其他標(biāo)準(zhǔn)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)覆蓋廣。對(duì)于室內(nèi)傳輸，將提供更高的增益，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在同樣的頻帶條件下，窄帶物聯(lián)網(wǎng)將提供比現(xiàn)有技術(shù)高20 dB的增益，這樣可以使得窄帶物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍擴(kuò)大100倍。

(2)支持大連接。在特殊情況下，一個(gè)LTE小區(qū)可以支持?jǐn)?shù)百萬個(gè)IoT設(shè)備，核心網(wǎng)絡(luò)容量的增加主要得益于軟件的升級(jí)、信號(hào)的優(yōu)化和高容量平臺(tái)的使用。

(3)低成本設(shè)備。通過降低峰值速率、存儲(chǔ)需求和設(shè)備的復(fù)雜性來降低模塊的綜合成本。從圖1可以看到從Cat 1標(biāo)準(zhǔn)到NB-IOT標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備的花費(fèi)在不斷地降低，電池壽命在不斷提高。

(4)提高電池壽命。在省電模式電池壽命最長可達(dá)10年，這些特征使得設(shè)備可以只在有需要時(shí)才連接網(wǎng)絡(luò)，在其他時(shí)間可以處于睡眠或休眠狀態(tài)，大大節(jié)約維護(hù)的成本，甚至可以做到終身無需更換電源。這在未來的一些應(yīng)用場景特別是傳感器數(shù)量規(guī)模十分巨大時(shí)是非常必要的[2]。

圖1 3GPP演進(jìn)路線圖

圖1顯示的是3GPP從開始到現(xiàn)階段的發(fā)展演進(jìn)趨勢，可以看出，在最近一次的NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)中，突出的就是降低器件的成本，進(jìn)而可以快速地進(jìn)行大范圍部署。圖2顯示了窄帶物聯(lián)網(wǎng)與其他低功耗廣域網(wǎng)的各項(xiàng)技術(shù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)雖然在一些指標(biāo)上窄帶物聯(lián)網(wǎng)落后于其他的一些廣域網(wǎng)技術(shù)，但是就整體情況來說，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)小數(shù)據(jù)、多終端的數(shù)據(jù)傳輸特征，窄帶物聯(lián)網(wǎng)是目前應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)場景中最為合適的技術(shù)。

圖2 NB-IOT和其他低功耗廣域網(wǎng)的比較

1 NB-IOT的關(guān)鍵特征

窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為基于蜂窩的一個(gè)分支，依附于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，并且主要有三種不同的部署方式，最大程度地增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性。這三種部署方式分別是獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署和帶內(nèi)部署。當(dāng)用戶設(shè)備第一次開機(jī)尋找載頻時(shí)，基站就應(yīng)當(dāng)向用戶設(shè)備顯示使用何種部署方式。與現(xiàn)有的LTE用戶設(shè)備一樣，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備只需以100 kHz間隔搜尋載頻即可。圖3表示的是利用10 MHz的LTE載波部署窄帶物聯(lián)網(wǎng)的方式，處于直流載波附近的第25個(gè)資源塊的中心頻率是97.5 kHz。由于LTE直流子載波頻率是100 kHz，中心頻率97.5 kHz的第25個(gè)資源塊與100 kHz有2.5 kHz的間隔。相鄰兩個(gè)資源塊的間隔是180 kHz，因此第30、35、40和45的資源塊距離最近的100 kHz頻點(diǎn)都是2.5 kHz。對(duì)于3 MHz、5 MHz和15 MHz的LTE載波，資源塊中心頻率距離最近的100 kHz整數(shù)倍頻點(diǎn)最少相差7.5 kHz。而且窄帶物聯(lián)網(wǎng)的錨載波不應(yīng)是LTE載波中間的6個(gè)，這是因?yàn)長TE同步和廣播信道占據(jù)了很多中間6個(gè)資源塊的資源。與帶內(nèi)部署類似，一個(gè)保護(hù)帶部署窄帶物聯(lián)網(wǎng)錨載波不應(yīng)偏離100 kHz整數(shù)倍頻點(diǎn)超過7.5 kHz[3]。

圖3 NB-IOT部署方式示意圖

2 NB-IOT的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把最新一代的通信技術(shù)帶入到人們生活的方方面面，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合共同組建“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，具體地說，就是利用傳感器和網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)事物比如鐵路、電網(wǎng)、公路、城市交通等都連接到一起，然后將這些傳感器收集的數(shù)據(jù)通過傳感器發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，通過與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了人類社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，分工合作。在這個(gè)超級(jí)龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，除了各種各樣的傳感器外，還需要有計(jì)算能力強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算集群，可以通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算處理收集到的海量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中人員、設(shè)備、資源的實(shí)時(shí)調(diào)度和控制。在此基礎(chǔ)之上，整個(gè)社會(huì)都能以一種更加精細(xì)化的方式動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)調(diào)整人們的生活和生產(chǎn)方式，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益的最大化、生產(chǎn)過程的最優(yōu)化，提高對(duì)各種資源的利用水平，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。圖4顯示了物聯(lián)網(wǎng)在生活中的各種應(yīng)用，可以看到，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用于生活的方方面面，將會(huì)極大地改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

圖4 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域

3 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用于各種行業(yè)，比如日常購物、健康監(jiān)護(hù)、物流運(yùn)輸?shù)取Ｔ谶@些行業(yè)中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，一定可以大大提高這些行業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于普通大眾，相對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來說，更關(guān)心的是這些服務(wù)的收費(fèi)和服務(wù)方式。因此對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商來說，在現(xiàn)階段應(yīng)該以服務(wù)為主，先解決有沒有的問題，平衡好技術(shù)和市場之間的關(guān)系，這樣才能取得最高的經(jīng)濟(jì)效益。業(yè)界普遍認(rèn)為，在未來的5到10年內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)這一概念將得到井噴式的發(fā)展。

現(xiàn)在，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可謂方興未艾，發(fā)展勢頭很猛，但需要審慎地對(duì)待這種發(fā)展，任何新事物的產(chǎn)生和發(fā)展都不會(huì)是一帆風(fēng)順的，都會(huì)出現(xiàn)各種各樣的困難，但是其發(fā)展趨勢是不會(huì)改變的，也需要對(duì)這一新興事物抱有耐心和信心。未來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將比現(xiàn)在更加豐富多彩，如果用一句話概括未來的物聯(lián)網(wǎng)生活，那就是“身在外，家就在身邊；回到家，世界就在眼前”。

[1] SHARIATMADARI H, RATASUK R, IRAJI S. Machine-type communications: current status and future perspectives toward 5G systems[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(9): 1-2.

[2] ERICSSON.Cellular networks for massive IoT.[EB/OL]. (2016-XX-XX)[2017-02-01].https://www.ericsson.com/res/docs/whitepapers/wp_iot.pdf.

[3] WANG Y P E, LIN X Q, ADHIKARY A, et al. A primer on 3GPP narrowband Internet of things(NB-IoT)[J]. IEEE Communications Magazine, 2017,55(3): 117-123.

Maxim面向外部照明和高級(jí)安全應(yīng)用推出車載LED控制器，兼具快速響應(yīng)時(shí)間和低EMI

近日，Maxim宣布推出MAX20078同步降壓、高亮度LED控制器，是業(yè)內(nèi)唯一一款可同時(shí)提供快速響應(yīng)和低電磁干擾(EMI)的器件，理想用于外部LED照明和高級(jí)安全產(chǎn)品。該LED控制器可理想用于矩陣式照明設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)者提供高性能解決方案，設(shè)計(jì)便利，大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

MAX20078提供超快響應(yīng)速度，支持更平滑的瞬態(tài)響應(yīng)，無需外部補(bǔ)償元件，也可提供較寬的調(diào)光比，器件集成了故障保護(hù)和監(jiān)測電路。MAX20078同時(shí)支持快速LED開關(guān)和低EMI，設(shè)計(jì)人員不必?fù)?dān)心顧此失彼。以上特性結(jié)合設(shè)計(jì)的簡單性和開關(guān)頻率選擇的靈活性，能夠幫助設(shè)計(jì)者將產(chǎn)品快速推向市場。

(Maxim Integrated 供稿)

Application of narrowband Internet of Things

Qi Jiarong, Zhang Changwei, Guo Yongan

(College of Telecommunications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

With the rapid development of Internet of Things, some of the old transmission protocol faces some limitations. Narrowband Internet of Things is a new kind of special application for the Internet of Things transmission. In this paper, the current research situation and future application of narrowband Internet of Things are introduced. The deployment of narrowband IOTs, deployment of protection band and in-band deployment are discussed. In view of the current “Internet+” trend, several narrowband Internet of Things application scenarios are proposed. Finally, the development prospect and future challenges of narrowband IOT are expounded.

Internet of Things; NB-IOT; deployment; LTE

TN929.53

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.004

祁家榕，張昌偉，郭永安.窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用淺析[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(13)：10-12.

2017-02-11)

祁家榕(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向：電子與通信工程。

張昌偉(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電子與通信工程。

郭永安(1981-)，男，博士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。