NB-IoT技術特性及應用

張永強，高 尚，石 瑩，周萬珍

(河北科技大學 信息科學與工程學院，河北 石家莊 050011)

0 引 言

在物聯網技術不斷發展的同時，物聯網通信技術也日趨成熟[1]。目前，很多監控系統采用GPRS、GSM、3G等無線通信技術實現遠程傳輸并取得了很好的效果，但通信模塊存在成本高、功耗大等缺點。而NB-IoT技術的發展很好地解決了這些問題。

NB-IoT全稱為基于蜂窩的窄帶物聯網，它可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，可以支持大量的低吞吐率、超低成本設備連接，并且具有低功耗、優化的網絡架構等特點[2]。

除此以外，其低功耗、低成本、廣覆蓋、海量連接的特點也使得數據的傳輸過程更加清晰透明，從而也提高了數據傳輸的可靠性。

因此，了解NB-IoT技術的基本架構、關鍵技術以及應用領域將有助于該技術未來的發展，從而充分發揮其獨特的優勢。

1 NB-IoT基本架構及關鍵特性

物聯網框架包含了信息的感知層、傳輸層以及應用層。NB-IoT體系架構主要分為五個部分：NB-IoT終端、基站、物聯網核心網、物聯網平臺(云平臺)、第三方應用。NB-IoT終端屬于物聯網層次架構中的感知層，負責實時監測并收集相關數據；基站、物聯網核心網、云平臺屬于傳輸層，其中物聯網核心網是NB-IoT體系架構的核心部分。該層主要負責數據的傳輸，存儲，并對數據加以分析；應用層包含了用戶基于物聯網平臺的各種應用，例如：智能停車、智能路燈、智慧農業等。NB-IoT基本架構如圖1所示。

圖1 NB-IoT基本架構

NB-IoT技術目前得到廣泛的應用主要源于其低功耗、低成本、廣覆蓋、海量連接的獨特優勢。

(1)低功耗：NB-IoT主要適用于低速率、低功耗的設備。其獨特的PSM、eDRX技術，使得終端在90%以上的時間都處于休眠狀態，減少了通信原件的損耗。

(2)低成本：NB-IoT技術低功耗的獨特優勢使得該技術的成本相比于其他物聯網通信技術而言變得更低。芯片成本往往和芯片尺寸相關，尺寸越小，成本越低，模塊的成本隨之變低[3]。

(3)廣覆蓋：在一些物聯網應用場景中，有些場景對于覆蓋區域和穿透強度的要求更高。與一般分組無線電服務(GPRS)相比，NB-IoT可以在所有操作模式下提供多達20 dB的增強覆蓋[4]。

(4)海量連接：NB-IoT的終端可以支持大批量部署，目標是在一個cell-site扇區內至少支持52 547個設備的接入[5]。

2 關鍵技術

據統計，到2020年將有超過250億臺的設備會通過無線通信連接起來[6]。相比于其他的物聯網通信技術，NB-IoT技術在功耗、范圍、成本方面提供了優勢。物聯網通信技術對比如表1所示。

表1 物聯網通信技術對比

2.1 低功耗

NB-IoT技術最大的優勢在于它的低功耗。相比于其他物聯網通信技術，NB-IoT的功耗可以達到12.5年，同時可以延長終端的使用壽命，進一步降低該技術的成本。低功耗的實現形式分為兩種，即PSM省電模式以及eDRX擴展非連續接收技術。

(1)PSM省電模式。

PSM省電模式的原理在于NB-IoT終端大部分時間都處于休眠態。當終端傳輸完數據后，會進入空閑態。在該段時間內，終端并不會向基站發送數據，而是等待基站與終端設備進行通信。如果兩者沒有發生任何通信，此時，終端會進入休眠態。進入休眠態后，由于通信原件的損耗較少，所以其功耗非常低。而休眠的時間可以通過兩個低功耗的定時器實現，即激活定時器以及休眠PSM定時器。通過對兩個定時器時間的設置可以控制空閑態以及休眠態的時長。PSM省電模式的劣勢很明顯，在90%的休眠態中，基站是無法與終端設備進行通信的，所以該模式比較偏重數據主動上報場景。PSM原理[7]如圖2所示。

（一）發病情況 墊江縣某鎮養殖戶飼養了2 000只種鴨，在小河邊(河中的水質較差)、樹林中放養，大部份種鴨開始產蛋。10月中下旬陸續有種鴨發病，曾用鴨瘟疫苗免疫注射過，用氟哌酸治療，效果不明顯，先后共死亡220只，死亡率為11%；附近農戶圈舍飼喂有鵝，雞未發病。

圖2 PSM原理

(2)eDRX擴展非連續接收。

eDRX是在DRX技術上的擴展。當終端設備與基站進行通信的時候，在DRX技術的基礎上，終端設備會周期性地監聽尋呼消息。相比于DRX技術，eDRX技術支持的尋呼周期更長，從而達到節電的目的[7]。除此之外，該技術更適合上行加下行的場景，一定程度上下行數據可以“實時”接收。eDRX原理如圖3所示。

圖3 eDRX原理

2.2 廣覆蓋

NB-IoT廣覆蓋來自于兩方面。下行主要依靠增加各自信道的最大重傳次數以獲得覆蓋增強；上行主要通過提升其功率譜密度以及增加上行信道的最大重傳次數增強其覆蓋面積[8]。在頻段形同的情況下，該技術與傳統的物聯網通信技術相比，覆蓋目標為164 dB，比傳統的2G技術增強20 dB，相當于提升了100倍覆蓋區域能力[9]。

2.3 海量連接

NB-IoT技術實現海量連接的方式主要有兩種，分別是降低信令開銷和窄帶傳輸。

NB-IoT通過降低信令開銷提高了數據包在傳輸過程中的效率，同時可以節省4～5條信令。

2.4 低成本

相比于其他的通信技術，NB-IoT技術不需要重新建網，射頻和天線是可以重復使用的[10]。通過對物理層和硬件的重新設計，終端芯片的價格也會不斷下降，未來的目標是將該芯片的價格降到$1。低成本的價格使得NB-IoT技術在未來可以得到更好的推廣，應用于實際生活的各個領域。

3 NB-IoT技術應用

3.1 智慧農業

NB-IoT低功耗、廣覆蓋的優勢使物聯網技術得到了更快的發展。與此同時，NB-IoT技術也逐步應用于農業領域，是相關開發人員進行產品研發的首要選擇。眾所周知，農業環境對農作物的生長有著至關重要的作用。農業的發展迫切需要低成本，低功耗的傳感器實現對農作物生長環境的實時監測。目前很多農業環境監控系統采用2G/3G/WI-FI等無線通信技術實現數據的遠程傳輸，并取得了一定的效果，但通信模塊存在成本高、功耗大等不足[11]。通過NB-IoT技術，實現廣覆蓋、遠距離、低功耗的數據傳輸，最終將數據傳送到云平臺。相關工作人員可以實時查看農作物生長環境的參數。農業環境監測系統體系架構如圖4所示。

圖4 農業環境監測系統體系架構

首層為感知層，NB-IoT終端包括了溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器、土壤酸堿度傳感器等，負責數據的采集，并把采集到的數據發送到NB-IoT基站；第二層為傳輸層，負責NB-IoT設備的接入。核心網包括了PGW、SGW、HSS、MME，是整個NB-IoT技術的核心。同時無線傳感網絡將數據發送到NB-IoT網絡，再經過協議的轉換發送到Internet網絡。第三層為IoT平臺層，負責處理收集到的相關數據；第四層為應用層，云服務器和監控終端部署在這一層，云服務器負責數據的存儲，監控終端負責數據可視化，顯示參數。最終通過分析數據，得出結論，指導農作物的生長，同時向用戶層提供報警功能等API服務接口。總之，對于一些傳輸距離比較遠、部署耗時比較長的業務，選擇NB-IoT技術將是最佳解決方案[12]。

3.2 智能路燈

在智慧城市建造方面，國內路燈的數量不斷增長，與此同時，如何節省電力資源，保障公共交通安全，方便相關人員對于路燈的管理也成為了亟待解決的問題。而智能路燈的實現也成為了解決該問題的最好方式。在最近幾年，呂祚英等[13]提出了基于電力載波的智能路燈控制系統，曲宇寧等[14]提出了一種基于ZigBee和LabVIEW的智能路燈控制系統。這兩種設計方案雖都能滿足一般需求，實現對路燈的智能控制，但存在功耗高、部署難等缺點。將NB-IoT技術應用到智能路燈，對城市道路每盞燈實現全面的感知，并根據光照強度或者人流量自動調節亮度，有效節省維護成本[15]。智能路燈基本架構如圖5所示。

智能終端可以完成對光照強度、車流量、電流等相關參數的采集，并最終上傳到云平臺，由云平臺完成對數據的存儲；軟件設計包含了路燈控制終端的軟件設計、車流量檢測系統的設計以及云平臺的搭建。在吳超華等[16]提出的基于NB-IoT的路燈控制系統設計中，以NB-IoT取代傳統的物聯網通信技術，提高了路燈的安全性。

圖5 智能路燈基本架構

4 結束語

目前，NB-IoT通信技術的使用率正在逐年增加，但不能僅僅局限于看到其廣闊的應用前景，它背后的問題同樣值得深思。NB-IoT技術作為一種新興技術，其在大規模應用背景下成本價格低至$1，但是單個模塊仍然停留在$5。相比于較成熟的Sigfox、Zigbee技術等，該劣勢成為限制眾多企業選擇NB-IoT技術的主要原因；其次，在部署NB-IoT的網絡環境的過程中，由于使用大量短距離、微功率的無線設備，這使得在同一區域內RFID傳感器遭受無線電攻擊的機率大大增加，NB-IoT環境內自擾的現象也十分嚴重，同樣會產生新的電磁干擾[17]。除此以外，部署時間長，隱私安全是否能得到一定的保障都會限制其發展。NB-IoT技術的出現是一項革命性的技術，其低成本、低功耗、廣覆蓋、海量連接的優勢適用于監測、測量等一些新興的物聯網應用場景[18]。相信隨著科技的發展，NB-IoT技術也會得到進一步完善，并逐步應用于生活中的各個領域。