探究窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)標(biāo)準(zhǔn)與關(guān)鍵技術(shù)

羅象乾

(廣東南方通信建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510630)

0 引 言

城市是由一個(gè)個(gè)重復(fù)的小街區(qū)組成，在人們生活中也存在重復(fù)性的物品，如水表、電表或城市交通中的路燈系統(tǒng)。連接這些零零散散卻又規(guī)律分布的物體的網(wǎng)絡(luò)便是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的鋪設(shè)，能夠系統(tǒng)地控制這些生活工具，并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，方便了繁瑣的重復(fù)性工作，提高了窄帶物聯(lián)網(wǎng)的工作效率。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

在廣域互聯(lián)網(wǎng)的巨大優(yōu)勢(shì)下，窄帶互聯(lián)網(wǎng)能夠站住腳，說(shuō)明其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)功能特性。在國(guó)內(nèi)，2014年它最早由華為提出，之后迅速發(fā)展。其中，低能耗使窄帶互聯(lián)網(wǎng)在眾多方面得以應(yīng)用。它的信號(hào)穿透性強(qiáng)，是一種適合長(zhǎng)距離、多終端物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的通信技術(shù)。如今的窄帶互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行布局時(shí)的難度較大，需要在進(jìn)行設(shè)備安裝時(shí)考慮到窄帶互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，進(jìn)而加強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的合理性，并采用蜂窩布局模式進(jìn)行NB-IoT窄帶互聯(lián)網(wǎng)的整理。在技術(shù)研究過(guò)程中，窄帶互聯(lián)網(wǎng)逐漸走入商業(yè)化，不僅是在固定的設(shè)備上，而且在移動(dòng)設(shè)備上。窄帶互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建方便各種分辨率設(shè)備的接入，能夠有效解決室內(nèi)的覆蓋范圍，降低了窄帶互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的各種過(guò)程成本。

2 根據(jù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的情況進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用

2.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用

進(jìn)入21世紀(jì)的中國(guó)，是一個(gè)飛速發(fā)展的社會(huì)，從互聯(lián)網(wǎng)迅速普及到物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模化應(yīng)用，用了很短的時(shí)間，窄帶互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用得到了眾多民眾的支持。事實(shí)證明，窄帶物聯(lián)網(wǎng)在使用者中贏得一致好評(píng)。例如，智能停車。人們進(jìn)入停車場(chǎng)時(shí)，應(yīng)用窄帶互聯(lián)網(wǎng)的智能停車系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)上傳停車位信息，指引進(jìn)入停車場(chǎng)的駕駛員停車。這種智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)極大地方便了人們的生活，通過(guò)芯片與運(yùn)營(yíng)商基站的通信即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需根據(jù)車位數(shù)量部署相應(yīng)的匯聚網(wǎng)關(guān)，可降低部署工作量。部署成本方面，只需考慮芯片和運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)租用成本，也大大降低了維護(hù)成本。在指揮物流方面，主要是為用戶提供物流跟蹤服務(wù)，將物流信息實(shí)時(shí)匯報(bào)，方便做匯總整理。在智能家居方面，主要為用戶提供智能控制系統(tǒng)和安防裝置，提高居住地的安全性和生活便捷性[1]。

2.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)在公共事業(yè)方面的應(yīng)用

公共事業(yè)的效率和安全性，是眾多研究者需要重視的問(wèn)題。窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有很大的一方面是在公共事業(yè)管理方面展開的。我國(guó)公共事業(yè)很少進(jìn)行維護(hù)和更換，要求公共事業(yè)方面設(shè)備的壽命較長(zhǎng)。進(jìn)行統(tǒng)籌化管理能夠有效將公共事業(yè)設(shè)備的使用合理化，從而延長(zhǎng)壽命或者減少損壞的頻率。智能路燈系統(tǒng)主要是將路燈系統(tǒng)智能化，如在進(jìn)入凌晨后只有一半的路燈亮，過(guò)段時(shí)間后，另一半的路燈變亮，交替變亮盡可能降低使用時(shí)間。一個(gè)路段設(shè)置一個(gè)配電箱，采用組控方式負(fù)責(zé)數(shù)十盞路燈的開關(guān)。隨著路燈資源的逐步挖掘，路燈將成為智慧城市建設(shè)的新錨點(diǎn)。智慧路燈運(yùn)營(yíng)商除提供照明外，還可在燈桿上集成充電樁、停車管理、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)和緊急呼叫等功能。智能抄表窄帶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠有效提高水電公司的工作效率，將人們的生活智能化，自動(dòng)上傳水表、電表的數(shù)據(jù)。

3 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)性能特點(diǎn)

3.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的信號(hào)覆蓋廣且穿透性強(qiáng)

網(wǎng)絡(luò)信息化的時(shí)代，上網(wǎng)成了每個(gè)人最基本的需求。很多人家里都會(huì)有WiFi網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最大的弊端就是物理穿透性差。如果隔著一道墻，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)便會(huì)差到極點(diǎn)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)具有很好的穿透性，這是其能夠應(yīng)用于智能查表系統(tǒng)的原因。很多水表都深埋于地下，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)時(shí)必須要求其具有很好的穿透性，才能傳遞信號(hào)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩系統(tǒng)能夠加強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，其獨(dú)特的信號(hào)頻率是進(jìn)行信號(hào)大范圍傳輸?shù)母尽Ｐ盘?hào)上下行時(shí)，通過(guò)信號(hào)的重復(fù)傳輸和對(duì)信號(hào)采取合并接收的方式，能夠有效提高信號(hào)質(zhì)量，還可以根據(jù)覆蓋自動(dòng)靈活地調(diào)整重復(fù)傳輸次數(shù)，大大提高數(shù)據(jù)的傳輸準(zhǔn)確性。多次數(shù)據(jù)傳輸能夠有效提高穩(wěn)定性。現(xiàn)今的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)覆蓋范圍廣且深，能在地下較好地傳輸信號(hào)。采用專用傳輸頻段，將具有更高的功率譜密度和更多的重傳次數(shù)，比GPRS提升了20 dB增益，有效提升了覆蓋廣度和深度，同時(shí)可允許時(shí)延約10 ms[2]。

3.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)的成本較低

窄帶物聯(lián)網(wǎng)成本較低是公認(rèn)的事實(shí)，主要是將窄帶物聯(lián)網(wǎng)的各項(xiàng)程序簡(jiǎn)化，只保留最基本的部分，將終端芯片簡(jiǎn)單化，降低設(shè)備的成本，如將終端工作帶寬減少到200 kHz，從而降低基帶的復(fù)雜性。將峰值的速率降低到100 kb/s，而低速率對(duì)于大緩存需求相應(yīng)減少。降低設(shè)備成本必須要有完善的維護(hù)系統(tǒng)，可對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行定期檢查和維修，將維修成本控制在一定范圍內(nèi)。窄帶互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備裝置較為簡(jiǎn)單，不容易造成外部損壞。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備終端都是相同的，所以可以進(jìn)行芯片、電板的規(guī)模化生產(chǎn)，將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐中降低實(shí)際的生產(chǎn)成本。現(xiàn)行的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成本控制主要是在芯片和程序編碼上入手，采用簡(jiǎn)化的協(xié)議棧，有效提高數(shù)據(jù)的寫入和讀取速度，并且占用的空間較小，排列可以不按照一定的順序，降低了基帶處理復(fù)雜度，功率放大器尺寸小，可降低芯片模組成本。

3.3 窄帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能耗較低

強(qiáng)大的設(shè)備功能，要有同樣強(qiáng)大的設(shè)備能耗做支撐。窄帶互聯(lián)網(wǎng)的功能簡(jiǎn)單，主要是提供數(shù)據(jù)傳輸和智能控制。芯片的能耗較低，在突然斷電的情況下，備用電池能夠及時(shí)維持長(zhǎng)時(shí)間的工作。很多不能經(jīng)常換電池的場(chǎng)所，一塊電池就能夠持續(xù)兩年的設(shè)備運(yùn)行。窄帶物聯(lián)網(wǎng)聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此它的設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時(shí)間可以從過(guò)去的幾個(gè)月大幅提升到幾年。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的終端信息處理模塊不是動(dòng)態(tài)形式而是半靜態(tài)的信息處理，只在設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，開啟設(shè)備進(jìn)行信息的處理和解讀，其他時(shí)間則保持設(shè)備的部分功能關(guān)閉。NB-IoT技術(shù)能夠有效降低終端芯片的復(fù)雜度，減少耗電量，簡(jiǎn)化空口信令，提高傳輸效率。使用中的窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備引入了非連續(xù)性發(fā)生擴(kuò)展eDRX，進(jìn)一步延長(zhǎng)了處于空閑模式的終端睡眠周期，減少了接收單元不必要的啟動(dòng)。更多不必要的程序處于休眠狀態(tài)，能夠有效降低能耗，延長(zhǎng)使用時(shí)間。

4 結(jié) 論

要想進(jìn)一步發(fā)展窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，要對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代發(fā)展歷程有所認(rèn)識(shí)。在快時(shí)代的節(jié)奏背景下，人們要求的不僅是按要求完成工作，更要追求效率。窄帶物聯(lián)網(wǎng)是對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)方式的顛覆，能夠更加快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，易于掌控個(gè)別物品。窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)的特性優(yōu)越，將來(lái)更要保持這些技術(shù)特性從而更好地促進(jìn)社會(huì)發(fā)展。