窄帶物聯(lián)網(wǎng)標準與關(guān)鍵技術(shù)淺析

付艷

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窄帶物聯(lián)網(wǎng)標準與關(guān)鍵技術(shù)淺析

付艷

中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）的優(yōu)點為功耗低、覆蓋面廣。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的崛起，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在逐漸被更多的人所重視。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，滿足了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的各項要求。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的各項標準是在2016年6月份確定下來的，并且在2016年冬季開始進行測試并且試運行，2017年上半年已經(jīng)開始在商業(yè)領(lǐng)域進行運用。通過研究窄帶物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，對其發(fā)展做了簡要的闡述，從而為后續(xù)研究提供一定的參考。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)；關(guān)鍵技術(shù)；應用前景

引言

物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通信存在很大的差別，物聯(lián)網(wǎng)具備大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，而且不耗費大量的資金和能源，同時還能滿足各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。物?lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)與其他方式的數(shù)據(jù)傳輸最大的差別是安全性能。另外，低耗能的傳輸模式可以最大限度保證信息的安全性。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，窄帶物聯(lián)網(wǎng)應運而生。窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的速度更快、安全性能更高?？偨Y(jié)來說，窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有五大特點：大容量、廣覆蓋、低功耗、低成本和高穩(wěn)定性。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的重要構(gòu)成之一，具有現(xiàn)代化和創(chuàng)新性等特點，因此受到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。近年來，窄帶物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為重點研究項目。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的合理使用有助于短距離通信傳輸和廣域網(wǎng)通信傳輸，是3GPP標準組織中提出的一種新型窄帶蜂窩通信技術(shù)。

相比而言，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別在于，具有強大的兼容性，通過在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)的基礎上來構(gòu)建新的形式，在使用過程中能夠有效解決室內(nèi)覆蓋范圍的問題，支持各種分辨率的設備接入，對于低時延的現(xiàn)象比較敏感，有效降低了物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡建設的設備成本，進一步優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡的架構(gòu)，確保物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)低功耗的優(yōu)勢[1-2]。目前，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實際的應用操作中還存在著不足之處，這就需要我們針對不同場景對窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用情況進行仿真，以此來明確窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用特性，從而促進物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域的進一步發(fā)展。

從行業(yè)發(fā)展空間來看，根據(jù)Gartner預測，我國物聯(lián)網(wǎng)服務方面的支出增長了22%，傳統(tǒng)的3G、4G網(wǎng)絡已無法滿足人們生活的需求。當前，大部分物聯(lián)網(wǎng)設備仍然使用藍牙、Wi-Fi等連接方式，僅有10%使用了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。但是隨著現(xiàn)在社會越來越關(guān)注窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會得到大幅提升，從而實現(xiàn)真正意義上的推廣。這一現(xiàn)象也勢必會為運營商的投資提供新的收益[2]。

目前，我國有著相當一部分的企業(yè)已開始在經(jīng)營過程中使用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并且拿到了全球三代合作伙伴的“通行證”，建立了一套完善精準的技術(shù)標準規(guī)范。這一點進一步體現(xiàn)出了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高效性和迅捷性，也說明了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以適用企業(yè)生產(chǎn)中的個性化需求。值得慶幸的是，有相當一部分的企業(yè)已經(jīng)開始掌握與窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的核心研發(fā)技術(shù)。這一成果為企業(yè)在技術(shù)研發(fā)的過程中取得了領(lǐng)先的地位。

2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)標準和工作模式

2.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的標準

（1）窄帶物聯(lián)網(wǎng)和其他物聯(lián)網(wǎng)一樣，具有和目前大部分網(wǎng)絡相同的帶寬，即180?Hz的帶寬。

（2）為了保障下行兩種模式能夠自由運用，分別是多載波15?kHz和單載波的3.75?kHz，下行應使用OFDMA，子載波間隔應是15?kHz。

（3）窄帶物聯(lián)網(wǎng)通過利用先進的數(shù)據(jù)傳輸通道和信息，降低設備成本和能耗，使用了半雙工的方式。

（4）窄帶物聯(lián)網(wǎng)劃分為三個層面：感知層、網(wǎng)絡層和應用層[3]。

人是萬物之靈，任何一項活動都要靠人去實踐，因此建立一支好的會計隊伍是會計職業(yè)道德建設的根本。那么如何建設會計隊伍呢？首先，在選用人上。在用人上除了是否具備從業(yè)資格等硬件條件外，更要注重個人的品行。在實踐中對那些品行不端的人堅決不能任用。其次，在后續(xù)教育上。業(yè)務素質(zhì)的提升離不開后續(xù)的教育，教育的途徑多種多樣，有職稱考試、會計人員從業(yè)資格的繼續(xù)教育、自考學歷等。企業(yè)要為那些想學、肯學的會計人員提供條件、搭建平臺。如：對考出的人員進行獎勵、給予考前復習公休、統(tǒng)一聯(lián)系召集繼續(xù)教育的培訓等。通過選用人、教育人打造一支道德品行、業(yè)務素質(zhì)過得硬的會計隊伍。

（5）覆蓋增強，低時延敏感。

根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，可以確定在獨立部署方式下，窄帶物聯(lián)網(wǎng)覆蓋能力可達164?dB，帶內(nèi)部署和保護帶部署還有待仿真測試。

在耦合耗損達164?dB的環(huán)境下，有著穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。由于大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸會導致延時增長，因此TR45.820中仿真測試了異常報告業(yè)務場景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環(huán)境下的時延（區(qū)分有無頭壓縮）[4]。

（6）不支持連接態(tài)的移動性管理。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造之初就被認為能夠為適用移動性支持不強的應用場景。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應用同時也可簡化終端的復雜性、降低功耗，Rel-13中窄帶物聯(lián)網(wǎng)將不支持連接態(tài)的移動性管理，包括相關(guān)測量、測量報告、切換等。

2.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的工作模式

窄帶物聯(lián)網(wǎng)目前局限于FDD模式的數(shù)據(jù)傳輸。目前所采用的主要的帶寬是180?kHz。同時窄帶物聯(lián)網(wǎng)有三種工作模式。

（1）Standalone模式：可以利用單獨的頻帶，適合用于GSM頻段的重耕。

（2）Guardband模式：可以利用LTE系統(tǒng)中邊緣無用頻帶。

（3）Inband模式：能夠使用LTE載波中間的任何資源塊。對于Inband模式來說，窄帶物聯(lián)網(wǎng)無限接近于LTE資源塊，為了避免干擾，3GPP要求窄帶物聯(lián)網(wǎng)信號的功率譜密度與LTE信號的功率譜密度不得超過6?dB。

這三種工作模式都有自己的優(yōu)缺點，在今后的發(fā)展過程中都需要進行改良。

3 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 PSM（Power Saving Mode）

PSM就是所謂的低功耗形式，其原理是允許UE在進入空閑態(tài)一段時間后，關(guān)閉信號的收發(fā)和AS（接入層）相關(guān)功能，相當于部分關(guān)機，從而減少天線、射頻、信令處理等的功耗消耗。

特點概括如下：

（1）在節(jié)電狀態(tài)時，終端不可達，但保留登記信息；尋呼在非節(jié)電狀態(tài)進行。

（2）時間常數(shù)PSM Time：10?min～310?h。

（3）目標10年的電池壽命（2×AA），極大地降低維護、部署成本，極大地促進物聯(lián)網(wǎng)的應用，減少系統(tǒng)心信令載。

3.2 eDRX（Extended Discontinuous Reception）

eDRX即非連續(xù)接收。從字面上即可看出，eDRX是對原DRX技術(shù)的增強，即支持的尋呼周期可以更長，從而達到節(jié)電目的。

特點概括如下：

（1）目標達10年的電池壽命對窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應用很關(guān)鍵。

（2）eDRX從規(guī)范的角度延長了終端與無線系統(tǒng)間的不連續(xù)接收時間，節(jié)省終端電源。

（3）可配置時間常數(shù)2.5?s～44?min。

3.3 傳感器技術(shù)

眾所周知，至今而言幾乎所有的計算機都是處理數(shù)字信號。同樣在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，傳感器的模擬信號也要轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，以此方便計算機進行分析處理。

到目前為止，絕大部分計算機都依賴于數(shù)字信號進行工作處理。因此，在很長一段時間內(nèi)都需要傳感器的適用，以此把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這種操作模式在物聯(lián)網(wǎng)也是一樣的。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，必須通過傳感器的適用，來完成數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，才可以被計算機識別處理。

3.4 RFID標簽技術(shù)

RFID融合了無線射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)。RFID被廣泛應用于自動識別、物品物流管理應用中，有著良好的發(fā)展場景。

3.5 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是一種綜合的復雜技術(shù)，包含了計算機軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應用技術(shù)。經(jīng)過長時間的研究，載入了嵌入式系統(tǒng)的智能終端產(chǎn)品廣泛存在于我們的周圍，從隨身攜帶的MP3到衛(wèi)星系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)正在影響著我們的生活，同時推動著工業(yè)的發(fā)展。如果將物聯(lián)網(wǎng)比作是人的身體，那么傳感器就是人們的感官系統(tǒng)，網(wǎng)絡就是神經(jīng)系統(tǒng)，而我們所講的嵌入式系統(tǒng)就是大腦——分類處理接收到的信息。

4 結(jié)束語

窄帶物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定水平才產(chǎn)生的，并且應用范圍非常廣泛。隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)的實際應用，我國可以進行窄帶物聯(lián)網(wǎng)市場的開發(fā)工作，將窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為重點通信工程進行發(fā)展。窄帶物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代科學手段產(chǎn)生的結(jié)果。隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)的大范圍應用，我國窄帶物聯(lián)網(wǎng)市場的開發(fā)工作也開始全面展開，但窄帶物聯(lián)網(wǎng)仍然有自身的發(fā)展局限性，因此仍需要我們不停地探索和改善。

[1]鄒玉龍，丁曉進，王全全. NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)及應用前景[J]. 中興通訊技術(shù)，2017，23（1）：43-46.

[2]戴國華，余駿華. NB-IoT的產(chǎn)生背景、標準發(fā)展以及特性和業(yè)務研究[J]. 移動通信，2016，40（7）：31-36.

[3]趙靜. 低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 移動通信，2016，40（7）：27-30.

[4]劉毅，孔建坤，牛海濤，等. 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探討[J].通信技術(shù)，2016，49（12）：1671-1675.

Analysis of Narrowband Internet of Things Standards and Key Technologies

Fu Yan

China Mobile Communications Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080

The advantages of narrow-band Internet of Things (NB-IoT) technology are low power consumption and wide coverage. With the rise of Internet of Things technology, narrow-band Internet of Things technology is gradually being taken seriously by more people. The emergence of the Narrow Band Internet of Things has brought about tremendous changes in the field of Internet of Things and has met the requirements of the development of the Internet of Things industry. The standards for the narrow-band Internet of Things were determined in June 2016, and they began to be tested and trial run in the winter of 2016. In the first half of 2017, they have begun to be used in the commercial field. Through studying the key technologies of narrow-band Internet of Things, a brief explanation of its development is provided, which provides a certain reference for follow-up research.

narrowband Internet of Things; key technology; application prospect

TN929.5；TP391.44

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