論NB-IoT技術在物聯網的應用

林立峰 胡達科 車 龍

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論NB-IoT技術在物聯網的應用

林立峰 胡達科 車 龍

海華電子企業（中國）有限公司 研發中心，廣東 廣州 510656

NB-IoT即窄帶物聯網（Narrow Band -Internet of Things），具有低功耗、低成本、廣覆蓋等特點，定位于運營商級、基于授權頻譜的低速率物聯網市場；在位置跟蹤、環境監測、智能泊車、遠程抄表、農業和畜牧業等領域擁有廣闊的應用前景。對目前主流技術：GPRS、3G/4G、NB-IoT、LoRa進行了技術分析對比，最后詳細介紹了NB-IoT技術在物聯網運用場景下的特點及市場價值。

NB-IoT；低成本；物聯網

１NB-IoT技術簡介

2016年6月16日，在韓國釜山召開的3GPP RAN全會第七十二次會議上，NB-IoT對應的3GPP協議相關內容獲得RAN全會批準并凍結，標志著歷時2年的相關研究全部完成。3GPP預計，相關性能指標和終端一致性測試標準將在2017年底完成[1]。在我國，NB-IoT獲得政府政策支持，相關標準制定工作穩步推進。工信部于2017年4月召開NB-IoT工作推進會，提出培育NB-IoT產業鏈，并要求年底建設基于NB-IoT標準的規模外場實驗[2]。隨著通信行業快速發展，人與人之間的通信市場日益飽和，物聯網百億級M2M新連接，正成為各方競逐的下一個萬億市場。其中，NB-IoT作為物聯網的重要分支，讓運營商的轉型之路豁然開朗。隨著2016年標準逐漸成型，2017年NB-IoT將迎來規模商用的重要節點[2]。

2 NB-IoT物聯網應用

物聯網技術在各行各業的應用如火如荼。2016年，全球使用約64億個物聯網設備，每天有幾百萬個設備接入網絡。萬物互聯的關鍵在于數據傳輸。從大方面分類來說，應用場景主要包括高速率，LPWA（低功耗廣域網，Lower Power Wide Aera）和中速率三種，這三種業務特點如表1所示：

表1 物聯網應用場景表

為滿足不同的業務場景需求，各種技術不斷涌現出來，比如近距離通信技術RFID，藍牙，WIFi；公網通信技術GPRS，3G/4G，NB-IoT，LoRa；北斗衛星通信RDSS等。

其中，LPWA業務，對連接速率要求很低，但是對設備功耗和整機成本非常敏感，此類設備分布地域和領域很廣，數量及其龐大。現有的3G/4G等技術成本較高，GPRS技術雖然已經大量商用，但是主要應用在對功耗要求不高的業務領域，無法滿足未來LPWA的業務需求；另外，全世界的移動運營商也在逐步關閉2G網絡。中國聯通可能在2018年逐步關閉2G網絡；日本和韓國已關閉2G網絡；美國電信巨頭AT&T于2017年1月1日關閉2G網絡，另一個巨頭Verizon也宣布，將會在2020年關閉2G網絡；澳大利亞的澳洲電訊（Telstra）和澳都斯（Optus）于2016年12月關閉2G網絡；新加坡規定，從2017年開始禁止銷售2G手機等通信設備，從2017年4月份開始，該國移動運營商關閉2G網絡。

LPWA業務特點如表2所示：

表2 LPWA應用場景分析表

現在主流的廣域網組網技術是NB-IoT（窄帶物聯網，Narrow Band-Internet of Things）技術和LoRa技術，各自已形成較為完善的技術標準和生態鏈。技術對比見表3所示。

表3 NB-IoT和LoRa技術對比表

由上表可見，NB-IoT在覆蓋，功耗，成本，連接數等方面最優，最符合LPWA類業務需求。舉例：預計2017 年全球的智能水表安裝數將由幾百萬只上升到3250萬只，比例超過全部水表30%。目前，中國的智能水表安裝比例僅為15%左右，預計在2017年起年均復合增長率將會超過30%。現在的水表大多采用M-Bus總線通信或者GPRS無線通信，功耗和成本都無法降低，故迫切需要一種技術如NB-IoT來解決當下問題。

3 NB-IoT技術特點

以下從技術方面分析NB-IoT的主要技術特點。

3.1 超低功耗

設備功耗與傳輸數據量有關，單位時間內發出數據包的大小決定了功耗的高低。NB-IoT引入了eDRX（減少終端監聽網絡的頻度）省電技術和PSM（節能休眠）省電模式，進一步降低了功耗，延長了電池使用時間。NB-IoT可以讓設備時時在線，但是通過減少不必要的信令和在PSM狀態時不接受尋呼信息來達到省電目的。在PSM模式下，終端仍舊注冊在網，但信令不可達，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。eDRX省電技術進一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動，相對于PSM，大幅度提升了下行可達性。比如上海移遠公司的BC95模塊，在PSM模式下，功耗僅為5微安。該模塊有三種工作模式：連接，空閑，PSM（休眠）。連接狀態下，無數據交互20?s，模塊進入空閑模式；空閑模式下，無數據交互180?s，進入PSM（休眠）模式。該處理機制可極大地降低模塊功耗。

3.2 低成本

低速率、低功耗和低帶寬帶來的是低成本優勢。低速率，味著不需要大緩存，所以可以緩存小，芯片配置可降低；低功耗，意味著射頻設計要求降低，小的PA就能實現；低帶寬，意味著不需要復雜的均衡算法。這些因素使得NB-IoT芯片可以做得很小，因此成本也就可以降低。以某芯片為例，NB-IoT芯片集成了BB、AP、Flash和電池管理，并預留傳感器集成功能。其中AP包含三個ARM-M0內核，每個M0內核分別負責應用、安全、通信功能，這樣在方便進行功能管理的同時，又降低了芯片的成本和功耗[4]。

4 NB-IoT市場模式

面向低功耗廣域網絡，目前已形成從“芯片—模組—終端—運營商—應用”的完整產業鏈。

芯片在NB-IoT整個產業鏈中處于基礎核心地位，現在幾乎所有主流的芯片和模組廠商，如華為海思、高通、英特爾、MTK、中興微電子、大唐、展訊等廠商都有明確的NB-IoT支持計劃。早在2014年，華為就斥資2500萬美元收購了英國領先的蜂窩物聯網芯片和解決方案提供商Neul，并火速推出Boudica 120型號商用芯片，這是業內第一款正式商用的NB-IoT芯片；高通發布了MDM 9206芯片；英特爾發布了XMM 7115芯片。華為芯片在2017年一季度實現量產。

在模組環節，由于具備渠道、技術、規模的優勢，很多NB-IoT模組的出貨量基本都掌握在原來擁有2G/3G/LTE模組產品線的廠商手中[5]。移遠基于華為芯片發布了BC95模塊；uBlox公司開發了SARA-N2模塊；Telit公司發布了NE866模塊。

在終端環節中，由于低功耗廣域網絡通信技術是眾多行業所需要的，而終端的種類多種多樣，無法形成少數企業擁有大規模終端的市場，因此終端市場極為分散，市場集中度較低。

在運營商環節，主流運營商非常明確會部署并運營NB-IoT網絡，未來的NB-IoT網絡運營仍將集中在三大運營商手里。在2016年，中國電信從工信部獲得批準，使用低頻段800?MHz作為LTE和NB-IoT廣域覆蓋的方案。基站同時支持LTE和NB-IoT與800?MHz LTE基站共享基帶、射頻及天饋資源。在不同頻段組網的對比：1.8?GHz組網所需基站數是800?MHz的4.5倍；2.1?GHz組網所需基站數是800?MHz的6倍；2.6?GHz組網所需基站數是800?MHz的9倍。中國移動和中國聯通部署在900?MHz、1800?MHz頻段，用于NB-IoT和VoLTE。在900?MHz采用DSSS動態頻譜解決方案，在1800?MHz連續覆蓋區域，部署5?MHz帶寬的LTE，在沒有1800?MHz連續覆蓋的區域，帶寬自動縮窄到 3?MHz，但中心頻點保持不變，兩側空出的頻譜，自動部署14個GSM頻點。

4.1 標準情況

2016年3月，NB-IoT標準的核心功能凍結；2016年6月，NB-IoT功能全部凍結；2016年9月，NB-IoT標準的性能凍結；2016年12月，NB-IoT標準的射頻一致性凍結。當前3GPP為R13，不支持基站定位，NB-IoT網絡可平滑升級到R14。R14支持基站定位，目標精度為30～100?m；下行峰值速率提升至80?kbps，上行峰值速率可提升至105?kbps；省電方面，支持最大功率為14?dBm的終端類型，以在覆蓋要求不強烈的場景下低成本支持更小的芯片和模塊體積。R15標準正在立項中，可進一步增強滿足5G-mMTC對LPWA場景的需求。

4.2 應用案例

2017年3月22日，即第25個世界水日的當天，深圳水務集團，中國電信和華為聯合發布首個NB-IoT物聯網智慧水務商用項目，這是NB-IoT技術邁入試商用階段的一個里程碑。該項目在深圳鹽田區部署了約1200只具有NB-IoT功能的智能水表，通過深圳電信網絡和深圳水務業務平臺，全面升級水務管理系統，邁向智慧水務時代。智慧水務主要應用為管網檢測、戶表讀抄，與傳統方式相比較，可以有效避免誤讀漏報和管道泄漏帶來的經濟損失，降低了運營成本；進而提供更有針對性的動態管理，分析出不同群體的用水習慣，從而更加科學、合理地指導給水管網建設和改造，給老百姓帶來便捷和安全。

5 NB-IoT總結與展望

從人與人通信過渡到物與物通信時代，運營商均將物聯網視為救命稻草之一。2017年圍繞NB-IoT的終端、網絡布局勢必成為電信市場競爭焦點之一。然而，運營商想搶食NB-IoT市場蛋糕也并非易事。一是NB-IoT在功耗、成本方面仍存在不足；二是相較于公網市場，物聯網市場更加碎片化，所面臨的使用場景和客戶需求更加多元化；三是NB-IoT也面臨其他技術產業生態的挑戰[6]。目前，已有16個國家部署了LoRa網絡，繼Orange、SK、TATA、軟銀等主流運營商之后，全球最大的有線電視運營商Comcast日前宣布部署LoRaWAN物聯網專用網絡。廣闊的物聯網市場，技術和標準不止一個，最終哪種技術將占據市場主流，哪家運營商將占據市場制高點，取決于產業生態和平臺的搭建能力。

[1]趙艷薇.3GPP通過NB-IoT標準物聯網行業蓄勢待發[J].通信世界，2016（17）：67-67.

[2]互聯網-《2017或成NB-IOT規模商用元年 物聯網孕育下一個萬億市場_物聯網_中國信息產業網》[OL].2016(12).09.

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

[4]互聯網-《重磅來襲：系列二 史上最全NB-IoT技術方面的系列問題和聯盟答案 - 2017第九屆中國國際物聯網博覽會》[OL].2016，8.26.

[5]互聯網-《NB-IoT、LoRa低功耗廣域網絡的市場結構及產業分析》[OL].2016，9.14

[6]Wang Y P E, Lin X, Adhikary A, et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)[J]. 2016.

The Application of NB-IoT Technology in Internet of Things

Lin Lifeng Hu Dake Che Long

R&D Center，HaiHua Electronics Enterprise（China）Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510656

NB-IoT Networking（Narrow Band -Internet band of Things）, has the characteristics of low power consumption, low cost, wide coverage, positioning in the operator level, based on the spectrum of low rate networking market; have broad application prospects in position tracking, environmental monitoring, intelligent parking, remote meter reading, and agriculture animal husbandry and other fields.In this paper, the current mainstream technology: GPRS, 3G/4G, NB-IoT, LoRa technical analysis and comparison, the final details of the NB-IoT technology in the context of the use of Internet of things and market value.

NB-IoT; low cost; Internet of things

TN929.5

A

1009-6434（2017）04-0142-03

林立峰（1981—），男，高級工程師，碩士，主要從事物聯網、室內外定位的研究工作。胡達科（1988—），男，嵌入式工程師，碩士，主要從事車載視頻定位終端的系統研發工作。車龍（1989—），男，硬件工程師，碩士，主要從事物聯網、可穿戴設備的系統研發工作。