淺談NB-IoT 關鍵技術及應用

王建忠

（中國電信股份有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000）

1 NB-IoT 應用背景介紹

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）構建為蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，消耗占用180kHz 頻段，可以直接部署于 LTE（800M）網(wǎng)絡，相比其他網(wǎng)絡，具有高安全性、可靠性、高頻譜、低功耗、低成本等條件優(yōu)勢，從而降低成本、降低投資、提高回報。

2 NB-IoT 的關鍵技術與特點

2.1 NB-IoT 的主要特點

（1）廣/深覆蓋。在其余網(wǎng)絡相同的頻段下，發(fā)射功率同為20dB，對比其他網(wǎng)絡覆蓋面積擴大7倍，覆蓋面積大大增強，適用范圍區(qū)域增多。

（2）大連接應用。利用窄帶技術，大大提升信道容量。單個扇區(qū)，滿載可承載10萬個用戶連接使用；NBIoT 設備一個扇區(qū)可以承載10萬個用戶連接，而且終端對時延要求不敏感，傳輸可在15分鐘-24小時靈活傳輸。

（3）低功耗。NB-IoT 終端基于AA 電池，使用壽命可以長達10年之久，其終端長時間處于節(jié)能狀態(tài)，占用功耗小于百分之一；芯片構造簡單、信令簡化、傳輸功耗小、分周期傳輸降低損耗等，是其使用壽命長的主要關鍵技術。

2.2 NB-IoT 的網(wǎng)絡結構

NB-IoT 網(wǎng)絡構架主要包括：終端；E-UTRAN、SCEF、SCS、AS 、HSS、MME、SGW- 服 務 網(wǎng) 關、PDN/PGW。結合現(xiàn)網(wǎng)LTE 網(wǎng)絡，NB-IoT 網(wǎng)絡新增業(yè)務能力開放單元，優(yōu)化了小數(shù)據(jù)傳輸和支持非IP 數(shù)據(jù)傳輸。同時物理網(wǎng)元數(shù)量對比LTE 網(wǎng)絡簡化， MME、S-GW、P-GW 等核心網(wǎng)網(wǎng)元合并部署，大大降低部署難度。

2.3 NB-IoT 系統(tǒng)特點

2.3.1 物理層

NB-IoT 系統(tǒng)支持的操作模式：

（1）獨立操作模式；（2）保護帶操作模式；（3）帶內(nèi)操作模式。

2.3.2 空口層

空口層簡化了現(xiàn)有網(wǎng)絡LTE 的控制面，從而降低了系統(tǒng)的復雜度和終端的功耗利用，節(jié)省開銷的同時，更有效的支出了小數(shù)據(jù)傳輸和覆蓋增強。

2.3.3 接入網(wǎng)

NB-IoT 系統(tǒng)的接入網(wǎng)特性是基于現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡的S1接口和X2接口之間進行優(yōu)化處理。優(yōu)化后的傳輸方案下，終端移動到了新基站發(fā)起RRC 連接恢復，攜帶先前從舊基站獲得的恢復ID 編號，新基站在X2接口向舊基站發(fā)起用戶上下文獲取流程，從舊基站獲取終端在舊基站掛起時保存的用戶信息，以便最后在新的基站上將該UE 實施快速恢復。

3 NB-IoT 典型應用場景

公共事業(yè)：水表、水務、氣表、熱表等應用。

智慧城市：停車、路燈、垃圾桶、井蓋等應用。

消費電子：獨立可穿戴設備、智能自行車、慢病管理系統(tǒng)、老人小孩寵物管理。

設備管理：設備狀態(tài)監(jiān)控、白色家電管理、大型公共基礎設施、管道管廊監(jiān)控。

智能建筑：環(huán)境報警系統(tǒng)、中央空調(diào)監(jiān)管、電梯物聯(lián)網(wǎng)、人防空間覆蓋。

智慧物流：冷鏈物流、集裝箱跟蹤、固定資產(chǎn)跟蹤、金融資產(chǎn)跟蹤。

農(nóng)業(yè)與環(huán)境：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、畜牧業(yè)養(yǎng)殖、空氣實時監(jiān)控、水質(zhì)實時監(jiān)控。

其他應用：移動支付、智慧社區(qū)、智能家居、文物保護。

4 典型應用案例

4.1 挖掘需求

隨著NB-IoT 的商用應用，各類NB-IoT 終端隨之面世，其中小牧童產(chǎn)品為智慧牧場在奶牛廠的應用之一，通過小牧童產(chǎn)品的物聯(lián)網(wǎng)技術，可以動態(tài)監(jiān)控奶牛的發(fā)情期，有效提高受胎率，縮短胎間距，減少奶牛的空懷天數(shù)，從而達到提升奶牛的產(chǎn)奶量，幫助牧場提升經(jīng)濟效益，促進農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。

4.2 項目背景

朔州公司與山西仁德牧場簽訂了智慧牧場NB 小牧童項目合同，雙方將在養(yǎng)殖領域開展基于NB-IoT 網(wǎng)絡的精準作業(yè)、精準控制等智慧牧場項目上開展合作，推動智慧牧場項目在朔州落地，借力智慧牧場項目推動朔州農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。這是山西省首款NB 小牧童項目的落地，填補了農(nóng)牧業(yè)在奶牛畜聯(lián)網(wǎng)方面的空白，帶頭實踐NB 商用、智能應用。

4.3 實施效果

2018年年底，朔州分公司根據(jù)省公司安排部署，鉆研物聯(lián)網(wǎng)應用場景，結合懷仁的市場進行分析后，決定在農(nóng)牧業(yè)進行深耕。經(jīng)過長達6個月的拜訪，對不同的奶牛場進行市場調(diào)研、產(chǎn)品推薦、實踐學習，最后了解到山西仁德牧業(yè)可能有小牧童產(chǎn)品的需求。在了解客戶需求后，客戶經(jīng)理主動上門，多次拜訪。摸清客戶需求后，公司領導對項目十分重視，在省、市公司全力支撐下，迅速組建了省市縱向項目團隊，縣公司專人負責，協(xié)同為客戶提供產(chǎn)品演示、方案制定、產(chǎn)品試用等服務。

4.4 推廣價值

通過長達一年對客戶的跟蹤、產(chǎn)品試用，最終贏得了客戶的肯定。隨之大批量應用后，智慧牧場小牧童設備作為物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)牧業(yè)上的應用，在朔州是頭一次批量投入使用，一期200臺已全部投入使用，二期項目已簽訂合同，帶動DICT 收入20余萬元。本次項目的合作，為物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)牧業(yè)上的應用有了良好的開端，起到帶頭作用，大大降低人力投入，減少開支，提升效益。物聯(lián)網(wǎng)智慧牧場的應用推動朔州農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，同時也讓同業(yè)企業(yè)看到智能物聯(lián)網(wǎng)帶來的科技收益。

5 NB-IoT 典型優(yōu)化案例

5.1 問題故障背景

在懷仁仁德牧業(yè)開通使用物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務后，接到懷仁仁德牧業(yè)NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)終端無法連接建立申告投訴，朔州電信網(wǎng)優(yōu)中心第一時間接收處理。初步通過基站故障核查、參數(shù)核查、現(xiàn)場排查、終端調(diào)研、信令跟蹤等手段進行處理。

5.2 排查優(yōu)化流程

（1）后臺網(wǎng)管排查故障區(qū)域基站參數(shù)配置，告警情況，一切正常，基站近期無故障，無告警；后臺網(wǎng)管提取近期NB 指標，指標良好，后溝通廠家人員參數(shù)核查，全網(wǎng)對比無差異，故參數(shù)設置合理。由于后臺無法確認終端使用情況等問題，廠家陪同網(wǎng)優(yōu)中心人員前往現(xiàn)場核查。

（2）現(xiàn)場測試正常，排查終端，終端在養(yǎng)殖場奶牛脖子上懸掛，主要作用為監(jiān)測奶牛是否正常，是否在走動，其終端主要激活、監(jiān)測方式為搖一搖記錄。同時用戶提供故障終端確實處于休眠狀態(tài)，無法正常記錄。終端也無手動重啟開關，后決定采取故障終端樣本帶回核查處理。

（3）設備帶回后，后臺核查時發(fā)現(xiàn)該終端已上線。初步分析為設備自行恢復。具體恢復原因通過信令跟蹤等手段發(fā)現(xiàn)，該設備帶回時，發(fā)生位置更新，網(wǎng)絡重選，從而自行從休眠中啟動恢復。

（4）由于帶回3臺設備均自行恢復，后決定溝通用戶首先用搖一搖啟動終端，受終端靈敏度不同，部分終端晃動幅度較大時自行恢復啟動，部分無法恢復。網(wǎng)優(yōu)人員決定，由省公司強制將該終端設備批量下線，從而強制終端進行網(wǎng)絡搜索，小區(qū)選擇，修改后終端陸續(xù)恢復。

（5）初步判定為終端搖一搖靈敏度太低導致，強制下線后通過終端廠家網(wǎng)管核查故障恢復。雖然本次通過強制下線，強制終端進行網(wǎng)絡搜索，小區(qū)選擇，修改后終端陸續(xù)恢復，但是本次優(yōu)化案例可以驗證由于終端低功耗、低時延而導致終端靈敏度自身偏低，需調(diào)高靈敏度來適應不同場景需求。

6 結束語

目前，移動互聯(lián)網(wǎng)、各類智能終端設備普及應用，已經(jīng)融入日常生活，諸如各類智能技術小程序小應用已經(jīng)是人民生活中必不可少的一部分。物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，大大降低了各行業(yè)人力資源的投入，減少投入降本增效，已逐步融入了各行各業(yè)。隨著“萬物互聯(lián)”“互聯(lián)互通”的大形勢下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)相對通信行業(yè)是新的產(chǎn)業(yè)應用，也是新的發(fā)展機遇，隨著市場規(guī)模的不斷擴大，其具備的商業(yè)價值也很大。同時NB-IoT 憑借著自己獨有的技術特點，會大大降低成本，擴大產(chǎn)業(yè)需求。未來，在物聯(lián)網(wǎng)領域快速發(fā)展的過程中，搶占市場、拓展業(yè)務，并將物聯(lián)網(wǎng)核心技術掌握在自己的手中，將對我國推動物聯(lián)網(wǎng)市場發(fā)展起到至關重要，也會為物聯(lián)網(wǎng)應用帶來可觀的價值收益。