窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用探討

楊峰 龐志成 武文學(xué)

一、概述

隨著科技發(fā)展，萬物進(jìn)入互聯(lián)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)用戶也隨之迅速發(fā)展起來。2009年，國(guó)家將物聯(lián)網(wǎng)定位為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè);各級(jí)政府也加大政策力度，在頻率、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、碼號(hào)資源等多個(gè)方面推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是國(guó)家戰(zhàn)略，具有重大意義。

基于現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為萬物互聯(lián)的重要組成部分，其中窄帶物聯(lián)網(wǎng)是在無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展的，是一種廣泛應(yīng)用的新技術(shù)。它具有成本低、功耗低、覆蓋廣、連接多等技術(shù)特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于生活中多個(gè)領(lǐng)域。

本文從NB-IoT的基本架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，分析其優(yōu)勢(shì)，探討產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展。

二、NB-IoT基本架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)框架包含了信息的感應(yīng)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(yīng)層面

感應(yīng)層負(fù)責(zé)獲取人和物等各種數(shù)據(jù)信息，它是由多種傳感器和傳感器網(wǎng)關(guān)組成。感應(yīng)層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，主要工作是對(duì)物品進(jìn)行識(shí)別及智能采集信息。

2.2信息的傳送層面

傳送層也叫網(wǎng)絡(luò)層，完成感應(yīng)層獲得的數(shù)據(jù)信息在一定范圍內(nèi)的傳輸問題，主要解決數(shù)據(jù)的接入和傳送，是進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸、交換的通道，由兩張網(wǎng)絡(luò)組組成：接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)。

2.3信息的處理層面

處理層也叫應(yīng)用層，處理數(shù)據(jù)信息以及完成人機(jī)界面相關(guān)問題。將網(wǎng)絡(luò)層傳來的各種數(shù)據(jù)送入各種信息系統(tǒng)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并完成各設(shè)備與人之間的交互。

在物聯(lián)網(wǎng)的各層架構(gòu)中，數(shù)據(jù)通過控制、交互等相互傳輸不同類型的信息，通過識(shí)別碼和物品的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)信息對(duì)物品進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。雖然物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)千變?nèi)f化，但是它們的基本框架都不會(huì)離開這三個(gè)層次。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)的基本組成部分主要分為五個(gè)方面： 物聯(lián)網(wǎng)終端、物聯(lián)網(wǎng)基站、核心網(wǎng)、控制管理平臺(tái)和三方應(yīng)用軟件組成。

三、NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

3.1 NB-IoT工作模式

NB-IoT的三種工作模式：

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

Guard band（保護(hù)帶內(nèi)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(nèi)部署）：利用LTE載波中任一資源塊，占用LTE的1個(gè)PRB資源，與LTE共享功率。

3.2 NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)

NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)包括利用現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)技術(shù)以及在此基礎(chǔ)上新增功能，具體如下表。通過這些關(guān)鍵技術(shù)，能夠提升上行的容量、擴(kuò)大覆蓋區(qū)域、降低設(shè)備復(fù)雜度等要求。NB-IoT技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，具體如下

1、超強(qiáng)覆蓋：NB-IoT的覆蓋能力更強(qiáng)，對(duì)比GSM提升20dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋能力。

2、低功耗：低功耗是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)。和其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的功耗非常小，能夠達(dá)到12.5年的續(xù)航能力。低功耗的實(shí)現(xiàn)形式如下：

1）除了IDLE狀態(tài)外，引入新的狀態(tài)PSM狀態(tài)（終端關(guān)閉射頻接收，進(jìn)入休眠）;2）eDRX ：相比LTE中的DRX，非連續(xù)偵聽接收周期由2.56s拉長(zhǎng)為2.92h小時(shí);3）更長(zhǎng)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(zhǎng)為310小時(shí)。

3、低成本： NB-IoT不需要重新建網(wǎng)絡(luò)，直接復(fù)用現(xiàn)網(wǎng)射頻和天線。以中國(guó)移動(dòng)為例，900MHZ里面有一個(gè)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(jìn)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(jià)格1美元左右。

4、大連接：NB-IoT實(shí)現(xiàn)大連接的方式主要有兩種：1、提升功率譜密度，窄帶技術(shù)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(jié)省4到5條信令，通過降低信令開銷從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。同一基站下，NB-IoT相比于其他傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，接入數(shù)達(dá)到50-100倍。一個(gè)扇區(qū)就可以滿足10萬個(gè)連接，同時(shí)支持低設(shè)備成本、低功耗、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。NB-IoT能力輕松滿足大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求。

四、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探討

移動(dòng)通信正在向萬物互聯(lián)邁進(jìn)。非常多傳感類、控制類連接需求存在于物聯(lián)網(wǎng)的世界，這些連接對(duì)傳輸速率要求非常低，但對(duì)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(xiàn)有4G/5G技術(shù)從成本上非常難滿足需求;目前GSM網(wǎng)絡(luò)雖然已經(jīng)承擔(dān)了一些對(duì)功耗要求相對(duì)低的業(yè)務(wù)需求，但大量需求未得到滿足，這不符合長(zhǎng)期發(fā)展的規(guī)劃。

基于蜂窩的物聯(lián)網(wǎng)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(shí)延，將加快高清視頻業(yè)務(wù)以及物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的普及，從而蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開啟了一個(gè)非常廣闊的市場(chǎng)。

4.1智能路燈

智慧城市、安全城市帶來路燈廣泛升級(jí)需求，智能路燈是空白新市場(chǎng)，多種技術(shù)方案角逐，因?yàn)槁窡舴稚⑿?，?shù)量大，NB-IoT有較大優(yōu)勢(shì)。

4.2 智能城市

市政管網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)商、水務(wù)、電力等規(guī)模伴隨著城市化進(jìn)程快速成倍增長(zhǎng)，已成為城市生命線。水、氣、電、熱四表業(yè)務(wù)，NB-IoT都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，智能抄表除數(shù)據(jù)記錄外可帶來大量數(shù)據(jù)分析收益（水質(zhì)、電力使用峰谷數(shù)據(jù)），對(duì)運(yùn)維形成強(qiáng)力支撐。

4.2物流跟蹤

市場(chǎng)前景非常廣闊，包括物流、貴重資產(chǎn)、抵押資產(chǎn)等跟蹤，能保障貨物安全以及運(yùn)作高效，可先基于試點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)提供跟蹤服務(wù)，后續(xù)隨網(wǎng)絡(luò)建設(shè)擴(kuò)展到全國(guó)。

五、結(jié)語

本文闡述了NB-IoT的概念，從NB-IoT的基本架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，分析其優(yōu)勢(shì)，探討其在生活中的智慧應(yīng)用。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有造價(jià)低、功率損耗小、覆蓋面積大、連接數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。NB-IoT正在逐步應(yīng)用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域，將開啟萬物互連的新時(shí)代。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]李鵬飛.窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要點(diǎn)研究[J].通訊世界，2017（05）：60-61

[2]童樺.窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）商業(yè)應(yīng)用探索[J].信息通信，2017（03）：261-262

[3]董勁文.窄帶物聯(lián)網(wǎng)（ NB-IOT）的技術(shù)分析及其應(yīng)用前景[J].通訊世界，2018（ 7） ： 1-2.

[4]華晶晶.窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究[J]. 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技， 2019（06）：277-278

[5]張永強(qiáng).NB-IoT 技術(shù)特性及應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2020（07）：51-55