浅谈窄带物联网(NB-IoT)

本文介绍了NB-IoT技术的发展历程,详细阐述了其标准特性,包括灵活部署、覆盖增强、低功耗等特点,并探讨了该技术在智能抄表等领域的应用案例,最后分析了NB-IoT面临的挑战与机遇。
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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。
NB-Io的三种部署方式
- 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。

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### NB-IoT 窄带物联网基本原理 NB-IoT(Narrow Band Internet of Things),即窄带物联网,是一种专为物联网设计的低功耗广域网(LPWAN)技术。它基于蜂窝网络构建,利用现有的 GSM、UMTS 或 LTE 网络进行部署,具有低成本、低功耗和广覆盖的特点。 #### 1. 技术基础 NB-IoT 是 LTE 技术的一种简化版本,专注于满足物联网设备的需求[^2]。相比于传统的 LTE 网络服务于人类用户的高数据速率需求,NB-IoT 更加注重支持海量连接下的低功耗运行能力以及更广泛的信号覆盖范围。这种特性使得 NB-IoT 成为了许多静态传感器类应用的理想选择。 #### 2. 频谱资源与部署模式 该技术使用的频段属于授权许可范围内,仅需大约 180kHz 的带宽即可完成操作[^3]。根据实际环境的不同情况,它可以灵活采用三种主要部署策略——带内部署、保护带部署或者独立载波部署方式之一来实施建设工作,这不仅有助于充分利用已有基础设施还能有效减少初期投入费用并加快项目推进速度。 #### 3. 关键特点 - **超大连接数**:单个小区能容纳超过5万个终端接入。 - **超强覆盖率增益**:相比GPRS提升了20dB以上的链路预算,意味着更强穿透力及更深室内覆盖效果。 - **极低能耗表现**:电池寿命最长可达十年以上,在某些特定条件下甚至可能达到十五年左右水平。 - **安全可靠传输机制**:由于运用的是受监管控制下的专用频率区间执行通讯活动因而具备较高程度上的安全性保障措施防止非法干扰现象发生。 ```python # 示例代码展示如何初始化一个简单的NB-IoT模块(假设使用Python库) import nbiot_module def initialize_nbiot(): module = nbiot_module.NB_IOT() if not module.connect(): raise Exception("Failed to connect to the network.") return module nbiot_device = initialize_nbiot() print(f"Connected with IMEI {nbiot_device.get_imei()}") ``` 上述脚本片段展示了怎样启动并与NB-IoT硬件交互的一个例子。尽管这里给出的语言是伪代码性质用于说明目的而非真实世界中的具体实现细节,但它可以帮助开发者快速理解整个过程框架结构。 问题
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