基于NB-IoT的物聯網及其應用研究

武文強

摘 要：文中對NB-IoT的概念和其產業鏈發展以及其在生活中的智慧應用進行了詳細闡述。首先介紹LPWAN低功耗廣域網技術，包括LoRa，SigFox和華為主推的NB-IoT技術。然后詳細闡述NB-IoT的關鍵技術和NB-IoT的產業鏈發展。最后介紹NB-IoT在生活中的智慧應用，如智慧井蓋、智慧路燈、智慧農業、智慧環保、智慧交通等。分析表明NB-IoT已經形成完整的產業鏈，其核心芯片受主流廠家的支持。

關鍵詞：物聯網;低功耗廣域網;NB-IoT;蜂窩網;小功率廣域網;LoRa

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-03

0 引 言

物聯網的無線通信技術有很多，主要分為兩類：一類是ZigBee，WiFi等短路程的通信連接技術;另一類是廣域網。廣域網具體可劃分成兩類：一類是運行于未得到授權的頻譜LoRa方法;另一類是運行于授權頻譜環境下，3GPP支持的4G，5G蜂窩通信技術，如EC-GSM，LTECat-m，NB-IoT等[1]。

1 LPWAN低功耗廣域網技術

低功耗廣域網是一種低功耗的無線通信廣域網絡，其以低速率實現遠距離通信。多數LPWAN技術可以實現幾千米甚至幾十千米的網絡覆蓋。由于其具有網絡覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點，更適合于大規模的物聯網應用部署。目前業內最主要的LPWAN技術有LoRa，SigFox以及華為主推的NB-IoT技術[2]。

1.1 LoRa

LoRa （Long Range）是Semtech公司私有的技術，其采用LoRaWAN 的物理層，主要應用于IoT、M2M、智慧城市、工業等領域。目前國際主流運營商均未全面部署LoRa網絡。LoRa的行業典型應用場景如圖1所示[3]。

1.2 SigFox

SigFox可理解為一種窄帶、超窄帶技術，其通過設定BPSK的調制方式，從而完成數據傳輸，同時只運用到較窄的頻譜塊，可通過對無線電波的相位進行調整，從而實現編碼的程序。這樣接收機只能收聽一小段頻譜，以減輕噪音的影響。它只需要廉價的端點無線電和更復雜的基站來管理網絡。SigFox目前沒有在中國地區進行網絡部署及相關部署計劃[4]。

1.3 NB-IoT

2014年5月，華為提出了窄帶技術NB M2M;2015年5月融合NB OFDMA形成了NB-CIoT;2015年7月，NB-LTE跟NB-CIoT進一步融合形成NB-IoT;NB-IoT標準在3GPP R13前出現，并于2016年6月份凍結。

NB-IoT聚焦于低功耗廣域網市場，其屬于一種在世界范圍內大量運用的新型技術方案，具有大面積覆蓋、連接廣泛、速率小、成本可控等突出優勢。NB-IoT通過License頻段，靈活運用帶內、保護帶等三種不同的設計方案，從而達到與當下網絡的并存效果[5]。

2 NB-IoT關鍵技術研究

2.1 覆蓋增強技術

NB-IoT在設計過程中的主要任務是在GSM前提下進一步強化20 dB。將144 dB設定成GSM的極限耦合路損，此時其部署的耦合路損數值不會超過164 dB。具體來說，下行過程中重點通過提升不同信道的重傳次數，從而實現更大面積的覆蓋。而在上行覆蓋的強化上，重點來源有兩個部分：一是最大覆蓋狀態下，NB-IoT可以結合單子載波實現傳輸;二是可增加上行信道的最大重傳次數以獲得覆蓋增強。

2.2 低功耗

NB-IoT遠端的小功耗可從軟、硬件兩個角度進行優化設計。

軟件角度，即通過物理層優化、節點特征的設計、協議調整等方法來完成。通過簡化物理層設計，降低實現的復雜度，同時引入若干優化方法進行物理層優化，從而降低能耗;新的節電特性包括節電模式PSM和增強的非連續接收eDRX兩項技術。根據LPWAN業務低速率、小數據量特征，對現有流程進行簡化，減少信令/數據傳輸，降低功耗;使操作系統更簡單高效[6]。而硬件的低功耗處理，主要是通過改善集成度、提升裝置性能等方法來實現。

2.3 低成本

NB-IoT在系統的最初設計階段，期待經過減少終端復雜性，或者損失部分性能，從而控制整體的成本。另外，還可在集成度上下功夫，這也是控制成本的一個關鍵方案。在終端方面，通過減小儲存裝置要求、運用低成本部件、運用集成方案等多種方式來實現低成本。

2.4 海量連接

為滿足物聯網大連接的需求，NB-IoT在設計之初所定目標為5萬連接數/小區。根據初期計算評估，目前版本可基本達到要求。按照物聯網運用場合的實際需求，也就是小包業務的要求，在設計的最初階段就考慮運用窄帶部署的方法，大大減小粒度帶寬，并擴大了并行服務的用戶規模，從而達到更多終端的連接效果。

3 NB-IoT產業鏈發展

與過去的產業相比，物聯網的產業生態規模更大，需要從縱向、橫向兩個維度多個環節進行分析。對于低功耗廣域網絡，從縱向層面來分析，當下已經創建起“下部芯片-模組-終端運營商-應用”的整體鏈條體系。

芯片在NB-IoT的鏈條中位于關鍵位置。當下的很多芯片以及一些生產廠家都設定了具體而確定的NB-IoT支持方案。眾所周知，在底層芯片領域，當前華為海思、高通、英特爾、MTK等，都提供了NB-IoT芯片的研發方案與實施過程。其中華為海思以及高通NB-IoT芯片已經在業內廣泛使用。

在模組環節，由于國內規模巨大的NB-IoT市場，模組主要出貨廠商已經由以前國外的Ublox、金雅拓、Sierra向國內的SimCom、移遠、中移物聯網、廣和通、龍尚等主要廠商轉移。其中移遠通信以及中移物聯網NB-IoT模組率先在業內實現規模使用。

終端環節中，由于NB-IoT技術優勢，許多以前不方便聯網的終端與應用場景亦可以通過NB-IoT進行萬物互聯。NB-IoT帶來了產業的升級與變革。升級是對終端的物聯化升級，變革是行業商務模式的變革。典型如水表、燃氣表、電力表已經在進行大規模的終端物聯網化升級，并將帶動更多的行業進行終端物聯網化升級[7]。

運營商環節，國際主流運營商明確會部署運營NB-IoT網絡。其中中國三大運營商均表示會發力NB-IoT物聯網市場，根據市場調研數據，預計2022年能形成規模網絡覆蓋。

應用環節，NB-IoT將努力解決多種多樣的應用需求。此類物聯網的運用無法獲得過去通信時代下的同質化業務特征，實際上表現出高度的碎片化特征。當下一些常見的行業應用包括：遠程抄表、智能路燈、智慧消防、農業物聯網、能源互聯網以及工業物聯網等相關應用。

4 NB-IoT的典型應用

4.1 智慧井蓋

市政管網、運營商、水務、電力等管道規模伴隨著城市化進程快速成倍增長，已成為城市生命線，近年來全國發生的管網井蓋損毀、丟失導致公眾生命財產損失，同時其他行業的管道資源，越來越難以全面、有效地管理覆蓋，可以說井蓋雖小，卻時刻考驗著城市的生命線。

智能井蓋監控管理系統面向通信、電力、市政等行業戶外管道人井，提供全覆蓋的管理能力，系統利用移動互聯網技術、業務流程，提供巡檢、正常開啟及故障處理的業務處理能力，同時通過數據收集為各種人井監控終端建設提供數據支撐，并自動優化巡檢業務線路，形成對運維的強力支撐。

系統由應用層、業務層、數據層和設備層組成。設備層為傳統設備內置通信模塊，通過GPRS/NB-IoT/LoRa等無線接入方式，由數據采集層統一，并統一給業務應用提供接口，可以方便用戶編寫自己的特色應用，并部署到平臺上。

4.2 智慧路燈

照明是生活中必然的組成部分，按照應用的分類主要包含家庭照明、辦公照明、公共照明、應急照明等。隨著能源的日趨缺乏，節能被列入了時代的主題。在上述實際應用中，又以公共照明和辦公照明為能耗大戶，他們具有使用時間長、設備功率大、節能空間充裕等特點。同時在以上的應用中，都采用集中運營的方式;以工作人員定期對照明設備進行巡檢，或用戶主動上報的方式完成設備的維護。具有響應速度慢、維護成本高、影響面積大等特點[8]。

為降低照明能耗、節約照明管理成本，采用智能化的照明管理控制系統是當今設備的必然趨勢，也必將成為時代主流，如圖2所示。

4.3 智慧農業

而這里提到的智慧農業，即為高度借助當代的信息技術成果，與網絡技術、物聯網技術方法等充分結合，從而達到智能化管理的效果。通過設計在農業生產場合中的不同傳感節點，以及生產現場中的智能感知、預警決策裝置等，從而給農業種植帶來更多的借鑒依據。

NB-IoT技術具備的超低功耗、覆蓋廣、連接多、成本低、架構優等特點，使智慧農業在農業大部分應用場景下，可以得到更優的使用和推廣，這有效降低智慧農業系統成本和提升系統的安全與可靠性。

通過智慧農業的建設，可以建立多渠道的“快、準、新”信息服務，改變傳統農業的生產和管理方式，實現種植農作物和飼養動物過程中的精細控制，促進農業生產、加工、流通、銷售與現代信息技術相融合，加快農業的改造過程，努力提升生產水準，加快農業與農村經濟的穩定化發展。

基于NB-IoT的智慧農業系統在大田、溫室大棚、畜禽養殖、水產、食用菌、糧庫、冷庫、冷鏈物流、農藥殘留檢測、農產品質量安全追溯、農產品電子商務等各個農業領域應用廣泛。NB-IoT和傳感器相結合，全密封設計，成本低，可靠性高，直接與NB-IoT移動基站通信，設備快速安裝在各類農業場景下，可使農業生產水平上升一個大臺階，如圖3所示[9]。

4.4 智慧環保

智慧環保可理解為網絡技術與環境信息化綜合的結果。這是數字環保概念的發展與延伸，是利用物聯網技術，將一些感應器與設備嵌入到多種監控對象中，利用計算機等設備以及技術，進行聯網整合，進而達到社會生產與生活和業務系統的集成效果，以更加高效合理的方法，實現綜合化決策。

智慧環保即借助物聯網技術、云計算技術、3G/4G技術等，基于數據信息，將信息獲取、傳輸、研究、處理等過程整合為一體，從而讓環境的管理、監控、執法業務網更加高效、準確，通過“智在管理、慧在應用”，對環境管理與生態環保工作帶來多方面的支持保障。

“智慧環保”整體而言有下述三個構成部分：

（1）感知互動層。通過使用多種能夠便捷感知、測定以及傳輸數據的程序，從而達成針對環境、污染以及生態等多方面因素更為深刻的感知。

（2）網絡傳輸層。依托專業的NB-IoT等網絡體系，綜合運用4G、衛星等專業的鏈接技術，從而使得個體的電子器材、系統內部存入的環境數據可以實現高效的交互以及共享，以此來實現更大范圍的互聯互通。

（3）應用服務層。通過云計算以及虛擬化等多個方案的深入統籌，整體研究較為龐大的跨區域以及行業的專業數據，進一步解決大量存儲、實時處置以及深入開發等方面的需求，從而形成更為理想的智能化體系;通過專業的云服務體系，構建面向對象的專業系統以及門戶，進而為環保、生態以及管理等實現更為智能化的決策支持。

硬件方面的重點是獲取周邊的環境參數，同時將獲取的參數傳遞至專業的數據中心，通過中心處理存儲、分析以及報警等多方面的需求。實際獲取的重點數據有溫濕度、pH值、輻射、廢水、廢氣污染源、粉塵、噪聲等。所獲取的數據重點通過無線的模式來解決傳遞的需求，多個采集器以及相應的路由，能夠依靠ZigBee 技術實現便捷的組網，而且多個構成部分都能夠依靠NB-IoT來提供高效的通信支持[10]。在獲取的數據大于閾值的情況下，系統會隨之而傳遞相應的報警信息，依靠專業的報警設備、短信等模式來告知管理者，并且可自行調整相關設備，實現對指標的有效控制。

4.5 智慧交通

智慧交通方面的現有設備主要有地磁探測器、無線數據采集器、無線數據網關、云平臺服務器、后臺管理中心、前端手持收費終端等。一般采用LoRa組網，并且通過ZigBee，GPRS將數據傳輸到后臺。這樣的多節點、多協議的傳輸方式，經常會導致在數量比較大的占道停車項目中，出現部分的節點（個別的采集器掉線）數據丟失，并且需要人工進行干預。這種方式必然增加維護成本，同時因故障設備得不到及時維護，影響客戶的經營運營（損失停車費用）。

現有的NB-IoT占道停車系統是以基站為傳輸手段的系統，可以保障數據的穩定傳輸，設備的穩定運行，并實現設備數據資源共享[11]。NB-IoT占道停車收費管理系統包含NB-IoT地磁車位探測器、NB-IoT基站（移動基站）、云平臺服務器、后臺管理中心、前端手持收費終端等多種設備，如圖4所示。

5 結 語

本文詳盡闡述了NB-IoT的概念、NB-IoT產業鏈發展以及其在生活中的智慧應用。對于NB-IoT產業的發展，從縱向來看，已經形成了由芯片、模組、終端、通信設備、平臺、運營商和應用組成的完整產業鏈。而其中，芯片在NB-IoT整個產業鏈中處于基礎核心地位，現在幾乎所有主流的芯片和模組廠商等都有明確的NB-IoT支持計劃和實施步驟。NB-IoT具有相當龐大的市場，雖然它面臨著互操作和一致性問題、部署問題、應用和商業模式、與LPWAN（低功耗廣域物聯網）技術的競爭、市場普及在各國間的差異等各方面的問題，但相信在大家共同的努力下，NB-IoT會越來越成熟。

參考文獻

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