NB—IoT窄帶物聯網部署實現研究

曾海燕 鄭鑫 張曉潔

文章編號： 2095-2163（2018）03-0179-03中圖分類號： 文獻標志碼： A

摘要： 關鍵詞： （College of Physics and Electronic Engineering， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo Guangxi 532200， China）

Abstract： With the rapid development of the Internet of Things， the narrowband Internet of Things （NB-IoT） technology has attracted more and more attention due to the advantages of low power consumption and wide coverage. Firstly， this article introduces the technical characteristics of narrowband Internet of Things. Then，the paper analyzes the network deployment implementation of narrowband Internet of Things and lists the typical application scenarios of NB-IoT. Finally， the paper provides the broad prospects of the technology of narrowband Internet of Things in the future application.

Key words：

基金項目：

作者簡介：

收稿日期： 引言

物聯網（Internet of Things，IoT）是將各種信息的傳感設備進行聯網，以最終接入互聯網而形成的一個巨大網絡系統。其研發本質就是設備采用通信技術與網絡建立連接，從而設計實現人與物以及物與物的智能連接。隨著蜂窩物聯網的不斷發展，IoT在智慧城市及醫療等領域獲得了廣泛應用。

目前，市場競爭不斷加劇，中國移動、中國聯通以及中國電信這些運營商盈利增長已步入相對平緩時期。為了解決這種問題，運營商需要尋求新的盈利增長條件。為此，就需要借助自身獨具的優勢，抓住萬物互聯發展的新機遇，更好地發揮利用連接驅動增長這種組合模式所帶來的積極推動作用。由于窄帶物聯網技術可以讓運營商比較容易在現有網絡基礎上平滑升級支持物聯網，因此受到運營商的關注和青睞。迄至目前，窄帶物聯網技術已然成為運營商搶占物聯網市場的重要技術手段。

1NB-IoT技術

窄帶物聯網是3GPP為運營商量身定制的物聯網解決方案。NB-IoT是具有低速率、低功耗、廣覆蓋、大連接的物聯網技術。這里，針對NB-IoT主要特色功能可表述如下：

（1）更深的網絡覆蓋。在設計性能上，窄帶物聯網表現出更高的功率譜密度，重傳次數也更多。相比于GPRS，其增益可以提升20 dB，可以有效地提升網絡覆蓋，而且允許時延大概10 ms。便于在偏遠地區、室內環境、地下環境來設計部署低成本、低功耗設備。

（2）更少的電池消耗。窄帶物聯網借助PSM模式和eDRX模式可以延長睡眠周期，同時減少終端監聽網絡頻度，這樣就可以延長待機時間，顯著降低設備耗電，減少設備維護工作量。

2窄帶物聯網部署實現

2.1NB-IoT網絡架構

NB-IoT網絡由終端、無線基站、核心網、物聯網通用平臺等部分組成。網絡拓撲結構可如圖1 所示。

由圖1可知，感知層的NB-IoT移動用戶通過Uu空中接口連接到網絡層的eNodeB，其中Uu接口主要用于傳送用戶數據和控制面的數據，基準協議包括有PHY、MAC和RRC。IoT 控制器可專門用于和終端非接入層實現交互，同時將 IoT 業務相關數據轉發到 IoT平臺進行加工處理。IoT平臺則將各種傳輸的數據劃定分類并轉發到相關的應用層。IoT數據的最終匯聚點是業務應用，這一層將會根據客戶的需求調取數據處理等一系列操作。通過分析可以知道，NB用戶面流量少，接入建立與釋放次數遠大于LTE。控制面C-IOT -EPC優化，用戶數據可以通過控制面來分發傳輸，不需建立用戶面承載。UE的用戶數據和NAS層信令發送至MME，繼而轉發到SGW/PGW。

網絡層主要涉及無線網絡覆蓋等比較復雜的情況，類似于通信網絡中無線層面臨的覆蓋問題、系統容量以及在傳輸過程中的干擾問題。運營商著重考慮的是通信網絡在NB-IoT技術傳輸過程中展現的功能效應。

2.2NB-IoT網絡部署方式

NB-IoT提供了3種部署方式，分別是：獨立部署（Stand-alone）、保護帶部署（Guard-band）以及帶內部署（In-band），詳情參考則如圖2所示。而對各種方式的技術功能闡釋即可做如下研究分述。

（1）獨立部署。主要是利用現網空閑頻譜或是新的頻譜部署NB-IoT，頻帶寬度200 kHz。適合GSM和CDMA 頻段重耕。這種方式具有相對靈活的容量擴展性，同時具有獨立的高發射功率，下行速率也比較高。

（2）保護帶部署。主要體現在NB-IoT工作在LTE 系統中邊緣的保護帶。這種方式容量擴展比較困難，同時還降低了LTE的信噪比。

（3）帶內部署。主要的優點是容量擴展非常靈活，發射功率較高，但是影響LTE的網絡容量，而且還使網絡覆蓋受限。因為這種方式可占用LTE 帶內一個Rb的帶寬部署NB-IoT。在這種方式下，2個系統的頻帶相鄰就會存在頻率干擾。為了避免這種干擾現象，NB-IoT 技術的發射功率應該低于LTE 功率譜密度的6 dB。

2.3核心網部署

實踐中，物聯網應用反映出海量連接、數據分組小、功耗敏感等特點，而物聯網用戶與普通LTE 用戶差異較大，研究后建議引入NFV部署專用的物聯網核心網。

設計實施方案是：首先建議采用大區制建設物聯網專用的HSS和PGW 網元。同時，各省網現有EPC核心網元MME和SGW將著重打造軟件升級并根據需要進行擴容，在容量、功能等方面保障物聯網業務的發展。其次，逐步增配NFV 技術構建虛擬物聯網vEPC 專網，推進“人網”、“物網”接入分離。現網傳統EPC與vEPC共存，大部分物聯網應用選取vEPC進行承載。最后，將整體改善網絡功能重構，基于統一NFVI 構建專用接入，綜合設定業務的按需編排，獲得設備資源的統一調配和動態擴容。通過虛擬化物聯網專網對不同類別的業務和應用進行切片，提供對應的服務，實現業務快速部署。

3NB-IoT典型應用場景

目前，NB-IoT已日趨廣泛地應用在公共事業、智慧城市和工業應用等眾多領域。物聯網在應用上將涵蓋七大類，具體內容如下。

（1）公共事業：表類，主要包括智能水表和智能氣表。

（2）智慧建筑：報警系統、采暖通風空調系統、接入系統。

（3）農業與環境：包括農林牧漁、家畜監控、環境監控。

（4）工業應用：工業設備狀態監控、進程與安全監控、能源基礎設施。

（5）消費與醫療：家用電器、寵物/小孩追蹤、共享單車、遠程臨床跟蹤。

（6）智慧城市：智能停車、智能垃圾桶、智能燈桿。

（7）后勤保障：工業資產、貨柜跟蹤、位置與狀態更新。

窄帶物聯網應用范圍廣闊，在此僅針對智能抄表和智能停車2個典型的應用場景給出如下探討與研究解析。

3.1智能抄表

傳統的智能抄表常采用電力線載波和非授權頻段技術，通過區域通信接入設備，比如采集器，連接到管理平臺，比較麻煩，而采用NB-IoT技術的智能抄表業務就不需要部署區域通信設備及有線接入線路，只需要租用運營商的無線網絡就可以全面管理水、電、氣表的自動抄錄，因而采用NB-IoT技術在很大程度上可以降低建設難度，縮短建設周期，減少建設投資以及后期的維護成本。而且 NB-IoT網絡具有覆蓋廣、容量大、可靠性高等特點，進一步說明了采用NB-IoT技術的智能抄表優勢明顯，易于實現。

3.2智能停車

智能停車是配置應用普遍常見的城市物聯網之一，智能停車場景設計可如圖3所示。

目前常用的方案是在停車位處安裝車檢器，車檢器一般采用的是非授權頻段技術，通過將車位信息上報給匯聚網關，而匯聚網關則通過運營商網絡上報到管理平臺。非授權頻段通信技術會存在一些信號干擾，網絡的穩定性和安全性比較差。并且匯聚網關覆蓋范圍多為有限，通常一個匯聚網關只能管理10個左右的車位，部署工作量較為可觀。

采用NB-IoT 部署智能停車優勢將尤為突出，只需在車檢器上安裝NB-IoT 芯片，通過芯片與運營商基站的通信即可實現。總地來說，就是監測車位是否有車，將車位信息上報到平臺，通過引導屏和終端指引車主停車。這樣就不需要根據車位數量添加相應的匯聚網關，可以大大降低設計工作量、以及部署和維護成本。而且智能停車業務特點是低速率小包業務為主，對移動性沒有要求，對時延也不敏感，后續車位擴容將不需要考慮網絡兼容性問題，非常簡單方便。

4結束語

隨著信息技術的飛速發展，萬物互聯已經成了必然趨勢。NB-IoT就充分利用了低帶寬、低功耗、待機時間長的優點，可根據客戶的應用場景的不同實現功能自定義。NB-IoT 作為低功耗廣域網技術的代表，在低速率物聯網業務中扮演著重要的角色，是運營商搶占物聯網市場的關鍵切入點。隨著NB-IoT技術解決方案的相繼推出，基于NB-IoT技術的商業模式也將趨于成型。未來，NB-IoT技術將會獲得更為廣泛的拓展與創新應用。

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