NB—IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀與發展研究

張志峰

摘要：物聯網目前主要依托無線蜂窩網技術，窄帶物聯網NB-IoT作為物聯網應用最廣泛技術，其通過帶內、保護帶或獨立載波等形式，使用License頻段實現有網絡的互聯。該技術可以支撐多領域、多城市涵蓋智能交通、智能醫院、智能抄表、智能家居等多種用途的大規模部署的低功耗的海量傳感器等物聯網設備。文章介紹了物聯網發展歷程，分析了NB-IoT關鍵技術特點，論述了其應用的主要場景。

關鍵詞：物聯網；發展歷程；NB-IoT；技術特點；應用場景

1 物聯網發展歷程

2005年國際電信聯盟（International Telecommunication Union， ITU）發布ITU互聯網報告，第一次以國際組織形式對物聯網進行重新定義：“通過二維碼識讀設備、射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡?！睋硕x，全球實現了物與物（Thing to Thing，T2T），人與物（Human to Thing，H2T），人與人（Human to Human，H2H）互通互聯的愿望。隨后2006年韓國制定u-Korea計劃，擬在韓國國民日常生活中建設IPv6， USN，BcN等智能型網絡以及RFID，Telematics，DMB等智能應用，以期給人民帶來智慧科技服務。

2008年11月，中國第二屆中國移動政務研討會上，首次提出“創新2.0”概念，旨在新的信息技術應用方面，帶動我國創新體系的重構。2009年歐盟國家開始執行物聯網計劃，對物聯應用場景及關鍵技術進行研究和管理。同年，美國政府及IBM企業提出“智慧地球”概念，標志著美國物聯網技術進入新的發展里程。2009年8月，我國建立了 “感知中國”研究中心和物聯網研究院，物聯網首次被確立為中國國家五大新興戰略性產業之一。2013年年底工信部正式發放了LTE牌照?，F如今，物聯網成了“中國式”標簽，隨著“中國制造2025” “絲綢之路”等規劃實施，高速無線接入網已經惠及全國人民的日常生活之中[1]。

窄帶物聯網NB-IoT技術可以支撐多領域、多城市涵蓋智能交通、智能醫院、智能抄表、智能家居等多種用途的大規模部署的低功耗的海量傳感器等物聯網設備。在低功耗廣覆蓋（Low Power Wide Area，LPWA）物聯網（IoT）市場中，2016年NB-IoT標準核心協議正式獲批，建立了全球運營商基于標準化的物聯網專有協議，并正式具備商業應用的資質。2017年我國政府及電信、聯通、移動3大電信運營商和設

備供應商華為、中興等企業共同支持下，成立了 “NB-IoT窄帶物聯網企業標準”。由此開啟了中國窄帶物聯網NB-IoT商用時代。隨著《2017—2023年中國物聯網行業市場需求預測與投資戰略規劃分析報告》的發布，我國物聯網市場2017年已經突破1萬億元人民幣的規模。IDC公司在物聯網產業預測方面，預測到2020年，全球物聯網連接數可能突破300億元人民幣，市場總市值可達到1.7萬億美金[2]。

2 窄帶物聯網NB-IoT技術特點

窄帶物聯網NB-IoT（Narrow Band-IoT）作為3GPP組織對運營商設定的物聯網解決方案。NB-IoT主要承載深度覆蓋、低功耗、低速率、大連接的應用業務，式低功耗廣域網LPWAN技術（Low-Power Wide-Area Network， LPWAN）重要應用內容，特點主要有以下幾點。

2.1 全覆蓋，低時延

NB-IoT可以實現全面覆蓋，深度覆蓋，同頻段下，功率譜密度進一步加大，重傳次數實現無限次，增益比GPRS增加20 dB，覆蓋面積增加7倍以上，可允許時延約10 ms。

2.2 低功耗

NB-IoT借助節電模式（Power Saving Mode，PSM）和延長的非連續接受模式（Enhanced Discontinuous Reception，EDRX），實現小數據量、低頻調制、小速率傳輸，睡眠周期得到延長，終端監聽網絡頻度少，待機時間更長。

2.3 低成本

NB-IoT采用模塊低功耗、低速率、低基寬寬、簡化協議棧、RF設計等，使得核心芯片集成度較高，成本目前可達到35元人民幣，未來隨著技術的突破，成本不超過10元人民幣。

2.4 連接數里超大

NB-IoT采用窄帶技術，信道容量較大，基站和核心網優化設計，空口信令開銷小，頻譜效率高，支持海量設備連接技術，可以提供大于移動蜂窩技術50?100倍接入數，連接密度為50 000設備/200 kHz/小區。其上行為3.75 kHz子載波間隔。NB-IoT下行鏈路損耗表如表1所示。

NB-IoT網絡架構是基于FDD LTE技術的4G網絡架構，其流程通過引入MME與SCEF以及HSS與SCEF之間接入，業務能力開放單元增加，并且支持非IP數據傳輸傳輸和控制優化方案，網絡架構較完善。

2.5安全穩定性強

我國物聯網完全繼承4G網絡安全性。隨著5G時代的到來，逐步朝著低時延高可靠、高速率用戶體驗、大連接低功耗的演進過程成，未來物聯網可以提供電信級可靠無縫接入。NB-IoT自接部署于GSM網絡、UMTS網絡、LTE等網絡，通過與現有網絡基站復用，NB-IoT不占用現有網絡語音和數據帶寬，不提供定位等業務，單獨應用180 kHz頻段，穩定性更強。

3 技術應用典型場景

3.1 服務型管理平臺

物聯網通用服務平臺是物聯網主要典型應用場景之一，可以實現物聯網應用的各個環節服務，向POS機、手機、讀卡器、掃描設備等終端提供開放的OS軟件支持及配套技術支持。并支持多速率網絡連接服務，實現感知、配置、管理、控制、業務變更、資源分配、診斷、應用等智能連接服務。同時支持向應用服務標準化開發、中間件服務、數據存儲、邏輯引擎、應用程序接口（Application Program Interface，API）接入、實現不同應用業務的快速開發、設計部署等。典型智能服務管理平臺應用場景[4]如圖1所示。

3.2 智能生活場景

主要包括智能型公共服務，如智能水、電氣抄表、智能數據監測追蹤，智慧城市建設應用主要有智能交通和小區建設，智能導航和其他服務。工業生產方面可實現能源、生產工藝環節、安全管理、設計等多個環節實現智能控制和管理，充分實現所有設備及數據的共建共享。在智能家居、智能服務方面可實現建筑、家用電器、物流、出行、購物等接入管理和控制。而在農業、金融、旅游、軍事等方面也可以提供智能物聯服務。充分滿足人民群眾各個方面的需求，帶來較多的經濟、社會效益，不斷改善人民生活質量。

4 結語

隨著智能、大數據挖潛、信息共享等技術不斷進步，物聯網將像大海一樣具有更深邃的研究領域。NB-IoT作為低功耗廣域網關鍵技術之一，在低速率物聯網業務服務方面，將會帶來更多的商機和更貼切的服務。

[參考文獻]

[1]張萬春.NB-IoT系統現狀與發展[J].中興通訊技術，2017（1）：10-14.

[2]曲井致.NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀及發展趨勢[J].科技創新與應用，2016（31）：115.

[3]陳博，甘志輝.NB-IoT網絡商業價值及組網方案研究[J].移動通信，2016（13）：44-48.

[4]趙靜.低速率物聯網蜂窩通信技術現狀及發展趨勢[J].移動通信，2016（7）：27-30.