NB—IoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展研究

張志峰

摘要：物聯(lián)網(wǎng)目前主要依托無線蜂窩網(wǎng)技術(shù)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最廣泛技術(shù)，其通過帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等形式，使用License頻段實(shí)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。該技術(shù)可以支撐多領(lǐng)域、多城市涵蓋智能交通、智能醫(yī)院、智能抄表、智能家居等多種用途的大規(guī)模部署的低功耗的海量傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。文章介紹了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程，分析了NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)，論述了其應(yīng)用的主要場景。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；發(fā)展歷程；NB-IoT；技術(shù)特點(diǎn)；應(yīng)用場景

1 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程

2005年國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union， ITU）發(fā)布ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告，第一次以國際組織形式對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行重新定義：“通過二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification， RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。”據(jù)此定義，全球?qū)崿F(xiàn)了物與物（Thing to Thing，T2T），人與物（Human to Thing，H2T），人與人（Human to Human，H2H）互通互聯(lián)的愿望。隨后2006年韓國制定u-Korea計(jì)劃，擬在韓國國民日常生活中建設(shè)IPv6， USN，BcN等智能型網(wǎng)絡(luò)以及RFID，Telematics，DMB等智能應(yīng)用，以期給人民帶來智慧科技服務(wù)。

2008年11月，中國第二屆中國移動(dòng)政務(wù)研討會(huì)上，首次提出“創(chuàng)新2.0”概念，旨在新的信息技術(shù)應(yīng)用方面，帶動(dòng)我國創(chuàng)新體系的重構(gòu)。2009年歐盟國家開始執(zhí)行物聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，對(duì)物聯(lián)應(yīng)用場景及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和管理。同年，美國政府及IBM企業(yè)提出“智慧地球”概念，標(biāo)志著美國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展里程。2009年8月，我國建立了 “感知中國”研究中心和物聯(lián)網(wǎng)研究院，物聯(lián)網(wǎng)首次被確立為中國國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。2013年年底工信部正式發(fā)放了LTE牌照。現(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)成了“中國式”標(biāo)簽，隨著“中國制造2025” “絲綢之路”等規(guī)劃實(shí)施，高速無線接入網(wǎng)已經(jīng)惠及全國人民的日常生活之中[1]。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)可以支撐多領(lǐng)域、多城市涵蓋智能交通、智能醫(yī)院、智能抄表、智能家居等多種用途的大規(guī)模部署的低功耗的海量傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在低功耗廣覆蓋（Low Power Wide Area，LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場中，2016年NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)核心協(xié)議正式獲批，建立了全球運(yùn)營商基于標(biāo)準(zhǔn)化的物聯(lián)網(wǎng)專有協(xié)議，并正式具備商業(yè)應(yīng)用的資質(zhì)。2017年我國政府及電信、聯(lián)通、移動(dòng)3大電信運(yùn)營商和設(shè)

備供應(yīng)商華為、中興等企業(yè)共同支持下，成立了 “NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”。由此開啟了中國窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT商用時(shí)代。隨著《2017—2023年中國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)市場需求預(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》的發(fā)布，我國物聯(lián)網(wǎng)市場2017年已經(jīng)突破1萬億元人民幣的規(guī)模。IDC公司在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)預(yù)測方面，預(yù)測到2020年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)可能突破300億元人民幣，市場總市值可達(dá)到1.7萬億美金[2]。

2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT（Narrow Band-IoT）作為3GPP組織對(duì)運(yùn)營商設(shè)定的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。NB-IoT主要承載深度覆蓋、低功耗、低速率、大連接的應(yīng)用業(yè)務(wù)，式低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術(shù)（Low-Power Wide-Area Network， LPWAN）重要應(yīng)用內(nèi)容，特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

2.1 全覆蓋，低時(shí)延

NB-IoT可以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，深度覆蓋，同頻段下，功率譜密度進(jìn)一步加大，重傳次數(shù)實(shí)現(xiàn)無限次，增益比GPRS增加20 dB，覆蓋面積增加7倍以上，可允許時(shí)延約10 ms。

2.2 低功耗

NB-IoT借助節(jié)電模式（Power Saving Mode，PSM）和延長的非連續(xù)接受模式（Enhanced Discontinuous Reception，EDRX），實(shí)現(xiàn)小數(shù)據(jù)量、低頻調(diào)制、小速率傳輸，睡眠周期得到延長，終端監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)頻度少，待機(jī)時(shí)間更長。

2.3 低成本

NB-IoT采用模塊低功耗、低速率、低基寬寬、簡化協(xié)議棧、RF設(shè)計(jì)等，使得核心芯片集成度較高，成本目前可達(dá)到35元人民幣，未來隨著技術(shù)的突破，成本不超過10元人民幣。

2.4 連接數(shù)里超大

NB-IoT采用窄帶技術(shù)，信道容量較大，基站和核心網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，空口信令開銷小，頻譜效率高，支持海量設(shè)備連接技術(shù)，可以提供大于移動(dòng)蜂窩技術(shù)50?100倍接入數(shù)，連接密度為50 000設(shè)備/200 kHz/小區(qū)。其上行為3.75 kHz子載波間隔。NB-IoT下行鏈路損耗表如表1所示。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是基于FDD LTE技術(shù)的4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其流程通過引入MME與SCEF以及HSS與SCEF之間接入，業(yè)務(wù)能力開放單元增加，并且支持非IP數(shù)據(jù)傳輸傳輸和控制優(yōu)化方案，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較完善。

2.5安全穩(wěn)定性強(qiáng)

我國物聯(lián)網(wǎng)完全繼承4G網(wǎng)絡(luò)安全性。隨著5G時(shí)代的到來，逐步朝著低時(shí)延高可靠、高速率用戶體驗(yàn)、大連接低功耗的演進(jìn)過程成，未來物聯(lián)網(wǎng)可以提供電信級(jí)可靠無縫接入。NB-IoT自接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)、LTE等網(wǎng)絡(luò)，通過與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基站復(fù)用，NB-IoT不占用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)語音和數(shù)據(jù)帶寬，不提供定位等業(yè)務(wù)，單獨(dú)應(yīng)用180 kHz頻段，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3 技術(shù)應(yīng)用典型場景

3.1 服務(wù)型管理平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)通用服務(wù)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)主要典型應(yīng)用場景之一，可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)服務(wù)，向POS機(jī)、手機(jī)、讀卡器、掃描設(shè)備等終端提供開放的OS軟件支持及配套技術(shù)支持。并支持多速率網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，實(shí)現(xiàn)感知、配置、管理、控制、業(yè)務(wù)變更、資源分配、診斷、應(yīng)用等智能連接服務(wù)。同時(shí)支持向應(yīng)用服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)、中間件服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯引擎、應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）接入、實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用業(yè)務(wù)的快速開發(fā)、設(shè)計(jì)部署等。典型智能服務(wù)管理平臺(tái)應(yīng)用場景[4]如圖1所示。

3.2 智能生活場景

主要包括智能型公共服務(wù)，如智能水、電氣抄表、智能數(shù)據(jù)監(jiān)測追蹤，智慧城市建設(shè)應(yīng)用主要有智能交通和小區(qū)建設(shè)，智能導(dǎo)航和其他服務(wù)。工業(yè)生產(chǎn)方面可實(shí)現(xiàn)能源、生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)、安全管理、設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)智能控制和管理，充分實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備及數(shù)據(jù)的共建共享。在智能家居、智能服務(wù)方面可實(shí)現(xiàn)建筑、家用電器、物流、出行、購物等接入管理和控制。而在農(nóng)業(yè)、金融、旅游、軍事等方面也可以提供智能物聯(lián)服務(wù)。充分滿足人民群眾各個(gè)方面的需求，帶來較多的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，不斷改善人民生活質(zhì)量。

4 結(jié)語

隨著智能、大數(shù)據(jù)挖潛、信息共享等技術(shù)不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)將像大海一樣具有更深邃的研究領(lǐng)域。NB-IoT作為低功耗廣域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一，在低速率物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)方面，將會(huì)帶來更多的商機(jī)和更貼切的服務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張萬春.NB-IoT系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中興通訊技術(shù)，2017（1）：10-14.

[2]曲井致.NB-IoT低速率窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（31）：115.

[3]陳博，甘志輝.NB-IoT網(wǎng)絡(luò)商業(yè)價(jià)值及組網(wǎng)方案研究[J].移動(dòng)通信，2016（13）：44-48.

[4]趙靜.低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].移動(dòng)通信，2016（7）：27-30.