NB-IoT技術及其在物聯網中的應用研究

李菁 葉卓映

摘? ?要：首先，文章介紹了物聯網通信技術的標準分類以及NB-IoT的產生背景，對NB-IoT的關鍵技術進行了介紹和分析。其次，基于NB-IoT的特點和優勢，分析了NB-IoT的業務及應用場景。最后，介紹了NB-IoT目前的部署情況和面臨的挑戰。

關鍵詞：NB-IoT技術;物聯網;技術應用

1? ? 窄帶物聯網簡介

隨著信息技術的不斷發展，物聯網已成為下一代信息技術的研究方向，發展前景十分廣闊，產業規模也逐漸壯大。目前，物聯網產業的發展主要集中在智能產業、智能農業、智能住宅、智能交通、智能電網、智能環保、智能安全、智能醫藥、智能物流等十大領域。為了滿足不同行業領域的需要，應用于各個行業物聯網系統網絡層的無線通信標準也有很多。按照傳輸距離長短，目前常用的標準可分為以下兩類：（1）短距離無線通信技術。（2）廣域無線通信技術，又稱為低功耗廣域網技術。短距無線通信技術如紫峰、WiFi、藍牙技術等，典型的應用有智能農業大棚、室內環境監測等，而低功耗長距離通信的典型應用則有無線智能電表、水表的數值讀取等。

低功耗廣域網無線通信標準按工作頻段是否被授權可分為下面兩類：（1）工作在授權頻段下，如2G，3G，4G蜂窩移動通信技術，長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術等，這些技術基本都由國際電信聯盟第3代合作伙伴（3rd Generation Partnership Project，3GPP）組織來統一制定標準;（2）通信標準，如LoRa，SIGFOX，工作頻段屬于未被授權頻段。目前，被廣泛商用的蜂窩移動通信技術無法滿足物聯網系統的廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本的要求。

為滿足以上需求，多家大型通信公司展開了大量的研究，并提交了大量的仿真評估。華為、高通、愛立信、中興、諾基亞等多家世界大型通信設備廠商先后提出了“NB-M2M”“NB-OFDM”“NB-LTE”等技術方案。2015年，窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）標準的制訂作為一項重要課題，被3GPP組織正式命名并立項。又經過近一年的研究，NB-IoT技術核心部分的研究工作基本完成并獲得3GPP組織批準。如今，NB-IoT技術已成為入5G（第5代移動通信技術）的一個重要組成部分[1-2]。

2? ? NB-IoT關鍵技術

NB-IoT技術在已有的通信協議的基礎上，結合了物聯網系統應用場景的特點，進行了相應的修改。

2.1? MIMO技術

多入多出（Multiple-Input Multi-Output，MIMO）技術已經在3G/4G蜂窩移動通信技術中被廣泛地應用。MIMO技術利用多天線發送和接收，獲得了空間分集增益，進而達到抵抗多徑衰落和提高系統容量的目的。這樣的多發多收方法可以充分地利用空間資源，并且在不減少頻率利用率和發射功率的情況下，成倍提高系統的信道容量，從而有效地提高通信質量。因此，NB-IoT也借鑒了此項技術。

2.2? 多載波傳輸技術

與LTE相似，NB-IoT也支持正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）傳輸技術。NB-IoT標準定義了單子載波和多子載波兩種傳輸方式。多載波技術的思路是將高速串行數據流轉換為多個低速并行的數據流，同時，在多個子載波上進行數據調制。NB-IoT通過應用多載波傳輸技術有效地減少了由于信道延遲的擴展而引起的符號間干擾，提高了數據傳輸質量[3]。

2.3? 數據重傳機制及低階調制方式

NB-IoT通過重復數據傳輸實現時間上的分集，因此，可以使用一些低階調制來提高解調性能和覆蓋性能。碼元的重復傳輸雖然降低了信息的傳輸速率，但是在低信噪比接收環境下卻大大提高了解調和譯碼的可靠性，從而提高了傳輸效率。各種信道所能支持的重傳次數及其對應的調制方式都在NB-IoT標準中有所規定。由于大部分使用NB-IoT的業務場景對傳輸速率的要求很低，100 bps左右已經可以滿足大部分業務場景的需求[4]。因此，可采用較為低階的調制技術以及較短的循環冗余檢查（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗碼。

2.4? 半靜態鏈路自適應技術

NB-IoT通信協議主要針對以小數據包傳輸為目標的業務場景。一般來說，不需要提供長時間持續變化的信道質量信息。因此，在NB-IoT標準中沒有專門針對信道快速變化的場景設計動態鏈路自適應方案，而是設計了3種覆蓋類型。這3種覆蓋等級分別是：（1）常規覆蓋，對應的鏈路損耗為144 dB。（2）增強覆蓋，對應的鏈路損耗為154 dB。（3）極遠覆蓋，對應的鏈路損耗為164 dB。

NB-IoT基站根據終端對不同場景需求和信道質量來劃分不同的覆蓋等級。不同的覆蓋等級則采用該等級相對應的數據編碼調制方式和差錯重傳次數。這樣的鏈路覆蓋方式不同于蜂窩移動通信中采用的動態自適應鏈路技術，因此，被稱為半靜態鏈路自適應。

2.5? NB-IoT網絡部署模式

目前，NB-IoT支持的網絡部署模式分為獨立部署、保護帶部署、帶內部署3種。

2.5.1? 獨立部署

此模式利用獨立的新頻段或空閑頻段進行部署，不會對目前已有的網絡形成干擾。

2.5.2? 保護帶部署

此模式主要利用LTE頻譜邊緣的保護帶來進行部署，使用弱信號強度最大限度地利用頻譜資源。只有當原來的LTE帶寬大于5 Mbit/s時，才可以使用這種部署模式，避免LTE與NB-IoT之間的信號干擾。

2.5.3? 帶內部署

此模式主要在LTE載波中的某一個頻段內進行部署。在該模式下，NB-IoT的頻譜和附近的LTE資源塊的功率譜密度均不能超過6 dB，以避免相鄰頻段間的互擾。

保護帶部署和帶內部署都需要考慮和原有系統的兼容性，部署技術難度相對較高，網絡容量也相對較低。

3? ? NB-IoT的特點及其優勢

為了適應特定物聯網應用場景的需求，NB-IoT在現有的通信標準的基礎上進行了技術優化，對網絡特性和終端特性進行了適當平衡，因此，NB-IoT技術擁有以下特點。

（1）廣覆蓋。在同一頻段，NB-IoT將比現有通信網絡增加近20 dB，覆蓋面積也將擴大上百倍，因此，NB-IoT將提供更好的室內覆蓋性能。

（2）支持大規模連接。NB-IoT基站單扇區可支持50 000個終端接入核心網，比現有的移動通信網的用戶容量擴大了50～100倍。

（3）低功耗。NB-IoT為終端設備設定了休眠模式，當設備在待機狀態下可關閉部分功能，從而減少了終端模塊的功耗。

（4）低成本。NB-IoT低速、窄帶的特點將會降低其終端的復雜度，進而降低了終端成本。另外，由于NB-IoT技術基于蜂窩移動網絡，可以直接部署在現有的LTE網絡上，大大降低了運營商的網絡建設成本。

（5）更好的安全性。NB-IoT技術繼承了4G移動通信網絡中空口雙向認證機制和加密機制，從而可以確保終端用戶使用NB-IoT接入網絡時擁有非常高的安全性。

當然，NB-IoT也有先天的局限性，它不適用于低時延、高可靠性的業務場景。然而，沒有一種通信接入技術能夠完全滿足物聯網生態鏈中所有的應用場景，因此，各種接入技術之間也存在著一定的互補性。NB-IoT憑借上述技術優勢，非常適合應用在水電氣熱等基礎設施中進行智能管理、交通智能調度管理、智能停車、空氣土壤等的實時監測控制、集裝箱等物流資源的跟蹤與監測、家居安防設備的智能化控制管理，應用場景非常廣泛。

4? ? NB-IoT目前的部署情況

雖然另外兩種廣域網通信技術SIGFOX和LoRa與NB-IoT的特點較為類似，在一定程度上也與NB-IoT技術形成了競爭關系。但由于其采用的是未經授權的頻段，因此，未受到廣泛關注和使用。NB-IoT技術則因其技術優勢以及標準的完善和統一受到了全世界各主流運營商和通信設備提供商的青睞。據統計，全球已有超過40家運營商部署了NB-IoT商用網絡，國內運營商也在積極推進NB-IoT業務，以期能在蓬勃發展的物聯網產業中取得先機。工信部于2017年頒布了《關于全面推進移動物聯網（NB-IoT）建設的通知》，旨在引導國內NB-IoT產業的全面發展。

5? ? 結語

截至2018年年底，在各大運營商、通信設備制造商以及通信芯片廠商為代表的供應方的主導下，需求方如水電等公共服務提供商的部署也逐漸完善，NB-IoT產業已在智能抄表、智慧停車、市政管理、智慧醫療、智能物流、公安消防、工業物聯網等多個行業領域啟動了商用部署。NB-IoT的連接數也已達到3 000萬，并有望在2019年取得新的突破。目前，中國NB-IoT網絡部署位居世界前列，產業鏈布局也已經初具規模。

[參考文獻]

[1]戴國華，余駿華.NB-IoT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究[J].移動通信，2016（7）：31-36.

[2]王曉周，藺琳，肖子玉，等.NB-IoT的標準化及發展趨勢研究[J].現代電信科技，2016（6）：9-16.

[3]錢小聰，穆明鑫.NB-IoT的標準化、技術難點和產業發展[J].信息化研究，2016（5）：23-26.

[4]劉瑋，董江波，劉娜，等.NB-IoT關鍵技術與規劃仿真方法[J].電信科學，2016（S1）：151-155.