窄帶物聯網技術與應用探討

楊峰 龐志成 武文學

一、概述

隨著科技發展，萬物進入互聯時代，物聯網用戶也隨之迅速發展起來。2009年，國家將物聯網定位為戰略性新興產業;各級政府也加大政策力度，在頻率、網絡規劃、碼號資源等多個方面推動物聯網快速發展。物聯網建設是國家戰略，具有重大意義。

基于現有蜂窩網絡的物聯網技術已經成為萬物互聯的重要組成部分，其中窄帶物聯網是在無線網絡基礎上發展的，是一種廣泛應用的新技術。它具有成本低、功耗低、覆蓋廣、連接多等技術特點，能夠廣泛應用于生活中多個領域。

本文從NB-IoT的基本架構和關鍵技術出發，分析其優勢，探討產業應用，推進物聯網業務發展。

二、NB-IoT基本架構

物聯網框架包含了信息的感應層面、信息的傳送層面以及信息的處理層面。

2.1信息的感應層面

感應層負責獲取人和物等各種數據信息，它是由多種傳感器和傳感器網關組成。感應層是物聯網的核心，主要工作是對物品進行識別及智能采集信息。

2.2信息的傳送層面

傳送層也叫網絡層，完成感應層獲得的數據信息在一定范圍內的傳輸問題，主要解決數據的接入和傳送，是進行數據信息傳輸、交換的通道，由兩張網絡組組成：接入網和傳輸網。

2.3信息的處理層面

處理層也叫應用層，處理數據信息以及完成人機界面相關問題。將網絡層傳來的各種數據送入各種信息系統，對這些數據進行處理，并完成各設備與人之間的交互。

在物聯網的各層架構中，數據通過控制、交互等相互傳輸不同類型的信息，通過識別碼和物品的靜態及動態信息對物品進行唯一標識。雖然物聯網特點千變萬化，但是它們的基本框架都不會離開這三個層次。

窄帶物聯網的基本組成部分主要分為五個方面： 物聯網終端、物聯網基站、核心網、控制管理平臺和三方應用軟件組成。

三、NB-IoT技術特點與優勢

3.1 NB-IoT工作模式

NB-IoT的三種工作模式：

Stand-alone（獨立部署）：部署在獨立的200KHz頻點，不依賴LTE。

Guard band（保護帶內部署）：利用LTE邊緣無用頻帶，不占LTE資源，與LTE共享功率。

載波In-band（LTE帶內部署）：利用LTE載波中任一資源塊，占用LTE的1個PRB資源，與LTE共享功率。

3.2 NB-IoT關鍵技術

NB-IoT的關鍵技術包括利用現有蜂窩網技術以及在此基礎上新增功能，具體如下表。通過這些關鍵技術，能夠提升上行的容量、擴大覆蓋區域、降低設備復雜度等要求。NB-IoT技術優勢明顯，具體如下

1、超強覆蓋：NB-IoT的覆蓋能力更強，對比GSM提升20dB增益，相當于提升了100倍覆蓋能力。

2、低功耗：低功耗是物聯網應用的一項重要指標。和其他物聯網技術相比，窄帶物聯網的功耗非常小，能夠達到12.5年的續航能力。低功耗的實現形式如下：

1）除了IDLE狀態外，引入新的狀態PSM狀態（終端關閉射頻接收，進入休眠）;2）eDRX ：相比LTE中的DRX，非連續偵聽接收周期由2.56s拉長為2.92h小時;3）更長周期的定期位置更新：定期位置更新周期由LTE目前的2h延長為310小時。

3、低成本： NB-IoT不需要重新建網絡，直接復用現網射頻和天線。以中國移動為例，900MHZ里面有一個比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2G的頻段，就可以直接進行LTE和NB-IoT的同步部署。低功耗、低速率、低帶寬可以降低NB-IoT模塊成本，模塊價格1美元左右。

4、大連接：NB-IoT實現大連接的方式主要有兩種：1、提升功率譜密度，窄帶技術使得上行等效功率（12信道*23dBm）提升，大大提升信道容量;2、減小空口信令開銷，NB-IoT能夠節省4到5條信令，通過降低信令開銷從而提高數據傳輸效率。同一基站下，NB-IoT相比于其他傳統物聯網通信技術，接入數達到50-100倍。一個扇區就可以滿足10萬個連接，同時支持低設備成本、低功耗、低時延的網絡構造。NB-IoT能力輕松滿足大量設備聯網需求。

四、蜂窩物聯網應用探討

移動通信正在向萬物互聯邁進。非常多傳感類、控制類連接需求存在于物聯網的世界，這些連接對傳輸速率要求非常低，但對于功率損耗和使用成本非常靈敏，而且分布非常廣、海量需求，現有4G/5G技術從成本上非常難滿足需求;目前GSM網絡雖然已經承擔了一些對功耗要求相對低的業務需求，但大量需求未得到滿足，這不符合長期發展的規劃。

基于蜂窩的物聯網可以提供更多的連接量，滿足海量的物物連接以及更低的時延，將加快高清視頻業務以及物聯網等應用的普及，從而蜂窩物聯網開啟了一個非常廣闊的市場。

4.1智能路燈

智慧城市、安全城市帶來路燈廣泛升級需求，智能路燈是空白新市場，多種技術方案角逐，因為路燈分散性，數量大，NB-IoT有較大優勢。

4.2 智能城市

市政管網、運營商、水務、電力等規模伴隨著城市化進程快速成倍增長，已成為城市生命線。水、氣、電、熱四表業務，NB-IoT都具有明顯的技術優勢，智能抄表除數據記錄外可帶來大量數據分析收益（水質、電力使用峰谷數據），對運維形成強力支撐。

4.2物流跟蹤

市場前景非常廣闊，包括物流、貴重資產、抵押資產等跟蹤，能保障貨物安全以及運作高效，可先基于試點區域范圍內提供跟蹤服務，后續隨網絡建設擴展到全國。

五、結語

本文闡述了NB-IoT的概念，從NB-IoT的基本架構和關鍵技術出發，分析其優勢，探討其在生活中的智慧應用。窄帶物聯網技術具有造價低、功率損耗小、覆蓋面積大、連接數高等優點，市場應用前景廣闊。NB-IoT正在逐步應用于生活中的各個領域，將開啟萬物互連的新時代。

參? 考? 文? 獻

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