浅谈窄带物联网（NB-IoT）

一、发展历程

物联网通信技术繁多，从传输距离上可划分成两类：第一类是短距离通信技术，例如ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth等，典型的应用场合如智能家居；第二类是低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)，典型的应用为智能抄表系统。LPWAN技术又可根据工作频段分为两类：一类工作在非授权频段，如Lora、SigFox等，此类技术无统一标准，自定义实现；工作于授权频段下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，如全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication , GSM)、长期演进(Long Term Evolution, LTE)和基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)等。

2014年5月，华为联合沃达丰在3GPP的GSM/EDGD无线接入网(GSM EDGE Radio Access Network, GERAN)研究项目中提出NB-M2M技术。同年，高通公司提交了窄带正交频分复用(Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, NB-OFDM)技术。2015年5月，NB-M2M与NB-OFDM合并为NB-CIoT。7月，爱立信提出NB-LTE方案。2015年9月的RAN#69次会议经过激烈讨论，最终将NB-CIoT与NB-LTE进一步融合，并重新命名为NB-IoT。

2016年6月16日，NB-IoT作为3GPP R13一项重要课题，其对应的3GPP协议相关内容获得了RAN全会批准，正式宣告了这项受到无线产业广泛支持的NB-IoT标准核心协议历经2年多的研究终于全部完成。

二、标准特性

一、灵活部署、窄带、低速率、低成本、高容量
NB-Io支持三种部署方式：独立部署(Stand alone)、保护带部署(Guard band)、带内部署(In band)，如图1所示。Stand alone模式：可以利用单独的频带，适合用于GSM频段的重耕；Guard band模式：可以利用LTE系统中边缘无用频带；In band模式：可以利用LTE载波中间的任何资源块。对于In band模式来说，NB-IoT无限接近于LTE资源块，为了避免干扰，3GPP要求NB-IoT信号的功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超过6dB。

- RF带宽180kHz(上行/下行)(考虑两边保护带，也被描述为200kHz);
- 下行:OFDMA, 子载波间隔15kHz;
- 上行:SC-FDMA, Single-tone:3.75kHz/15kHz，Multi-tone:15kHz;
- 仅需支持半双工; 终端支持对Single-tone和Multi-tone能力的指示;
- MAC/RLC/PDCP/RRC层处理基于已有的LTE流程和协议，物理层进行相关优化;
- 设计单独的同步信号;

二、覆盖增强、低时延敏感
根据TR45.820的仿真数据，可以确定在独立部署方式下，NB-IoT覆盖能力应也可达164dB，带内部署和保护带部署还有待仿真测试。NB-IoT为实现覆盖增强采用了重传(可达200次)和低阶调制等机制，目前是否NB-IoT不需支持16QAM仍在被讨论中。
同时在耦合耗损达164dB的环境下，如果提供可靠的数据传输，由于大量数据重传将导致时延增加，TR45.820中仿真测试了异常报告业务场景、保证99%可靠性、不同耦合耗损环境下的时延(区分有无头压缩)。目前3GPP IoT设想允许时延约为10s，但实际可以支持更低时延，如6s左右(最大耦合耗损环境)。

三、不支持连接态的移动性管理
NB-IoT最初就被设想为适用于移动性支持不强的应用场景(如智能抄表、智能停车)，同时也可简化终端的复杂度、降低终端功耗，Rel-13中NB-IoT将不支持连接态的移动性管理，包括相关测量、测量报告、切换等。

四、低功耗
NB-IoT借助节电模式(Power Saving Mode, PSM)和超长非连续接收(Enhanced Discontinuous Reception, eDRX)可实现更长时间待机。其中PSM技术是Rel-12中新增的功能，在此模式下，终端仍旧注册在网但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。eDRX是Rel-13中新增的功能，进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。NB-IoT目标是对于典型的低速率、低频次业务模型，等容量电池寿命可达10年以上。

三、NB-IoT标准的应用

NB-IoT标准具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，覆盖面积扩大了100倍；二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。

考虑NB-IoT的特性，此标准可可满足对低功耗/长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务；同时由于对于移动性支持较差，更适合静态业务场景或非连续移动、实时传输数据的业务场景，并且业务对时延低敏感。可考虑的业务类型如下：

1) 自主异常报告业务类型。如烟雾报警探测器、智能电表停电的通知等，上行数据极小数据量需求（十字节量级），周期多以年、月为单位。
2) 自主周期报告业务类型。如智能公用事业（煤气/水/电）测量报告、智能农业、智能环境等，上行较小数据量需求（百字节量级），周期多以天、小时为单位。
3) 网络指令业务类型。如开启/关闭、设备触发发送上行报告、请求抄表，下行极小数据量需求（十字节量级），周期多以天、小时为单位。
4) 软件更新业务类型。如软件补丁/更新，上行下行较大数据量需求（千字节量级），周期多以天、小时为单位。

迄今为止，华为已联合全球多家运营商在中国、德国、西班牙、阿联酋等国共同完成了基于NB-IoT技术的智能水表、智能停车、智能垃圾箱业务的功能验证。其中沃达丰和华为于2015年底在西班牙完成了NB-IoT预标准的第一个试商用测试，成功地将NB-IoT技术整合到沃达丰现有移动网络中，发送NB-IoT消息给水表中的物联网模块，水表的放置环境通常在壁橱等隐蔽环境，且水表无法外接电源，NB-IoT可有效解决覆盖及功耗等问题。

2016年世界移动大会上，英特尔与爱立信联合中移动推了NB-IoT智能家庭环境监测系统。它采用了英特尔最新的NB-IoT芯片（XMM7115）。并且可以实时监测到环境的PM值、温度、湿度、光感亮度等。中兴通讯推出了基于NB-IoT技术的智能市政下水道管理系统，各种信息直接传到中兴手机上。

另外，华为和上海联通也提出了基于NB-IoT技术的智能停车解决方案，通过现场演示，展示了基于NB-IoT这一新兴物联网接入技术的商业应用探索已经启动。此前，上海联通与华为合作建设了全球首个基于 4.5G NB-IoT的大规模连续覆盖区域—-上海国际旅游度假区，并率先在P1停车场部署了300多个基于NB-IoT技术的智能车检器，并提供从终端，基站，服务器，手机应用的端到端智能停车方案。用户可以在手机上实现车位查询、预定、导航、移动支付以及停车场管理等功能，解决了游客找车位难的问题，并一定程度缓解了交通拥堵。

四、面临的挑战与机遇

NB-IoT相较于传统物联网技术有着自身的优势。不过，其仍旧有着自身的局限性。根据TR45.820中典型业务模型下的仿真测试数据，单小区可支持10万个NB-IoT终端接入。但是，这种纯中心的网络管理方式，可能会造成过长的轮询周期，像物联网这种高密度网络不一定适合采用中心管理模式，轮询一遍的时间成本可能令系统承受。物联网采用分层模式可能会效率更高。

无线抄表始终都会面临一个问题，就是信号覆盖问题。面对无信号覆盖或者信号受干扰的情况，无线抄表即使优点再多也无用武之地。而且，我国国网已经基本完成了智能电表的改造，采用的是电力线载波通信(Power Line Communication, PLC)技术。智能电表行业已经被PLC占据，NB-IoT基本没有机会。目前，智能电表的需求也仅仅只是，若将来实施实时收费，NB-IoT技术恐怕不能满足实时性的要求。现有的水表和气表市场也面临着国网PLC和双模技术的竞争。国网在积极的推进电、水、热、气四表合一事项，未来NB-IoT到底在抄表市场能够分的多少市场份额实际上具备很大的未知数。

此外，成本价格可能成为NB-IoT发展的阻碍。在成本方面，NB-IoT模组成本未来有望降至5美元之内，但目前支持蓝牙、ZigBee等标准的芯片价格仅在2美元左右，仅支持其中一种标准的芯片价格不到1美元。巨大的价格差距无疑将让企业部署NB-IoT产生顾虑。

物联网应用还处于试验和示范性探索阶段，规模化应用少，创新活力不足。现阶段主要是运营商，华为、爱立信等设备制造商，高通等芯片供应商为代表的供应方比较热情，而需求方的应用主体，如水电气公共服务提供行业还没热络起来。

据相关专家的猜测，物联网行业将会在2018至2019年因为NB-IoT技术和其芯片的商业化迎来再一次的热潮。