基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB—IoT)技術(shù)性能及應(yīng)用

曾忠誠

（新東網(wǎng)科技有限公司 福建 福州 350000）

1 引言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)，簡稱為NB-IoT，是萬物物聯(lián)網(wǎng)重要的一個(gè)分支。NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)建，僅需消耗約180KHz左右的帶寬，就可以直接在LTE網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)或UMTS網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行部署，能夠有效降低部署的成本并實(shí)現(xiàn)平滑的升級。NB-IoT能夠支持要求待機(jī)時(shí)間比較長，且對網(wǎng)絡(luò)連接的要求比較高設(shè)備進(jìn)行高效的連接。另外NB-IoT設(shè)備的電池壽命也比較高，可以比現(xiàn)有設(shè)備的電池壽命提高近10年左右，還能提供較為非常全面的室內(nèi)的蜂窩數(shù)據(jù)的連接覆蓋。由于窄帶的物聯(lián)網(wǎng)更適合人們生活和工作需要以及目前在通信方面的需求，因此我國目前很多的電信運(yùn)營以及無線通信行業(yè)都在進(jìn)行相關(guān)的研究和應(yīng)用。

2 基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB—IoT)技術(shù)性能特點(diǎn)

2.1 NB—IoT技術(shù)具有信號覆蓋范圍廣，且能延伸至地下的性能

在使用相同頻段的情況下，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB—IoT)技術(shù)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相比，能夠增加約20dB，同時(shí)其覆蓋的范圍也更廣，可以達(dá)到現(xiàn)有覆蓋面積的100倍。信號上下行時(shí)，通過信號的重復(fù)傳輸以及對信號采取合并接收的方式能夠使信號質(zhì)量得到有效的提高。還可以根據(jù)覆蓋自動靈活的對重復(fù)傳輸次數(shù)進(jìn)行調(diào)整。而且所采用的Single Tone的方式與目前的GSM相比，其上行功率譜的密度獲得了增加，使符號的深度及廣度獲得了顯著的提高。通過該項(xiàng)技術(shù)能夠使信號向地下進(jìn)行延伸，從而在地下管道或地下水等地方也能夠接收到信號，是應(yīng)用場景進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2 NB—IoT技術(shù)具有多連接的性能

NB—IoT技術(shù)具有支撐海量的連接能力，其一個(gè)扇區(qū)就可以支撐十萬個(gè)連接。在使用同一基站的條件下，與現(xiàn)有的無線技術(shù)相比NB—IoT也能夠提供其50到100倍接入的數(shù)量。該技術(shù)能夠有效提高上行的等效功率，并使空口信令的開銷減少，從而對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化以促使頻譜的效率獲得提高，并增加信道容量，從而實(shí)現(xiàn)海量連接的能力。

2.3 NB—IoT技術(shù)具有低功耗的性能

窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)重要應(yīng)用性能指標(biāo)就是其低功耗的性能，比較適合應(yīng)用于一些無法經(jīng)常對電池進(jìn)行更魂的場合或設(shè)備。NB—IoT技術(shù)能夠使終端芯片的復(fù)雜度得到有效的降低，減少了耗電量，并簡化了空口信令，是傳輸?shù)男诗@得了提高；并且實(shí)現(xiàn)TAU/RAU的長周期，從而減少了位置更新的發(fā)送次數(shù)。NB—IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對不支持連接態(tài)進(jìn)行移動性的管理，使測量減少，另外還為R12版本新增設(shè)了節(jié)電的模式PSM，從而使終端能夠更長時(shí)間的停留于深睡眠狀態(tài)，這樣能夠更好的節(jié)約電量。而R13版本進(jìn)一步引入了非連續(xù)性發(fā)生擴(kuò)展eDRX，使處于空閑模式的終端睡眠周期得到了進(jìn)一步的延長，也使接收單元減少了不必要啟動，與節(jié)電模式PSM相比，下行的可達(dá)性又獲得了大幅度的提升。

2.4 NB—IoT技術(shù)的低成本性

NB—IoT技術(shù)通過各種方法實(shí)現(xiàn)了終端芯片成本的降低。比如將其終端的工作帶寬減少到200kHz，從而降低了基帶的復(fù)雜性。而將峰值的速率降低到100kbps，低速率對于大緩存的需求相應(yīng)的減少。其他如提高功放的效率，降低峰均比以及單工和半雙工，降低了RF的設(shè)計(jì)成本。通過這些方式使NB—IoT的芯片能夠?qū)崿F(xiàn)低價(jià)，同時(shí)規(guī)模化的生產(chǎn)也促使芯片的成本得到了大幅度的下降。

3 NB—IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用

3.1 NB—IoT技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB—IoT的系統(tǒng)由四個(gè)部分組成，分別是應(yīng)用平臺、核心網(wǎng)。終端側(cè)以及無線側(cè)。其中終端側(cè)是主要的感知層，負(fù)責(zé)將所采集的數(shù)據(jù)通過接入網(wǎng)和核心網(wǎng)向服務(wù)平臺傳送。而無線側(cè)是主要的接入網(wǎng)絡(luò)，能夠以其優(yōu)異的覆蓋性為接觸終端提供基礎(chǔ)。但核心網(wǎng)的SGW以及MME忘元?jiǎng)t必須新建。可以對HSS和PGW網(wǎng)元進(jìn)行改造為NB—IoT網(wǎng)絡(luò)提供支持。對物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)統(tǒng)一進(jìn)行管理的就是應(yīng)用平臺，其能夠?qū)B—IoT網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)行拓展。

3.2 選擇頻段和部署頻點(diǎn)的方式

目前我國的三大運(yùn)營商對部署NB—IoT網(wǎng)絡(luò)都有所設(shè)想和考慮。部署NB—IoT的頻點(diǎn)有三種主要的部署方式，既In-band Stand-alone 以及Guard-band。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究證明，In-band 方式系統(tǒng)的容量能夠達(dá)到3.1萬/小區(qū)，而Guard-band和Stand-alone則分別為4.1萬和5.3萬/小區(qū)。因此部署頻點(diǎn)時(shí)Stand-alone方式更加適合。

3.3 NB—IoT的應(yīng)用

NB—IoT技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域具有多項(xiàng)優(yōu)勢，其所包含的網(wǎng)絡(luò)層、感知層以及應(yīng)用層能夠與行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行緊密的結(jié)合，能夠使物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)能夠在智慧城市、智能電網(wǎng)、智能制造以及醫(yī)療保健和公共設(shè)施等多個(gè)領(lǐng)域展開應(yīng)用。

4 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展將深刻改變我們工作、生活以及娛樂的方式。從生產(chǎn)領(lǐng)域的自動化到日常生活中的家用電器以及新興的穿戴式的傳感器，在未來的各個(gè)領(lǐng)域中都將有物聯(lián)網(wǎng)的介入。各種形式的網(wǎng)絡(luò)在隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷的發(fā)展，使人們可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得的各種環(huán)境信息對自己的工作和生活進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使人們的生活更加便捷和安全，并能夠提高人們生活的舒適度，增強(qiáng)人們的健康水平；還能夠?qū)Y源更加合理的進(jìn)行利用，促進(jìn)人與環(huán)境的和諧，實(shí)現(xiàn)更好的環(huán)保效果。

[1]何澤鵬.基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)性能及應(yīng)用[J].廣東通信技術(shù)，2017，37(3)：29-34+65.

[2]侯海風(fēng).NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J].通訊世界，2017，(14)：1-2.

[3]張超，高有軍.NB-IoT性能淺析[A].《移動通信》雜志社：，2017：5.