窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究

華晶晶 戴超 張炎 楊旭光

[摘 要]全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城鄉(xiāng)一體化戰(zhàn)略的加快實(shí)施，帶動(dòng)能源與交通管理、防災(zāi)與環(huán)境監(jiān)控、教育與醫(yī)療優(yōu)化等方面的變革需求，因此，亟需通過以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧城市的建設(shè)。NB-IoT技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用如雨后春筍般迅速崛起，本文基于不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸能力和實(shí)時(shí)性差異化要求的基礎(chǔ)上，分析了NB-IoT國(guó)內(nèi)外技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀、垂直行業(yè)應(yīng)用及發(fā)展的技術(shù)難點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]NB-IoT;行業(yè)應(yīng)用;技術(shù)難點(diǎn)

[中圖分類號(hào)]F275 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

NB-IoT作為飛速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)低速率傳輸核心技術(shù)，低頻段、低功耗、低成本、高覆蓋、高網(wǎng)絡(luò)容量特點(diǎn)突出，單個(gè)NB-IoT基站較傳統(tǒng)2G、藍(lán)牙、WiFi等基站可多提供50-100倍的接入終端，一個(gè)扇區(qū)可以支持10萬個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，單節(jié)電池壽命可以連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備十年以上，為智慧城市的普及發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供有力的技術(shù)支撐，減少人力設(shè)備更換維護(hù)成本，解決了基于傳統(tǒng)通信技術(shù)的設(shè)備能耗問題。

1 國(guó)內(nèi)外NB-IoT技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 國(guó)外NB-IoT技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球以德國(guó)電信、西班牙、意大利、比利時(shí)、韓國(guó)、日本等為代表的21家運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)深化推進(jìn)NB-IoT的商用部署。德國(guó)電信基于NB-IoT的商用部署基礎(chǔ)上，著力進(jìn)一步開發(fā)NB-IoT生態(tài)系統(tǒng)，建設(shè)了NB-IoT原型中心，細(xì)化了NB-IoT接入以及物體云兩種收入運(yùn)營(yíng)模式，并加速在歐洲市場(chǎng)的快速擴(kuò)張和布局。韓國(guó)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商KT斥資1500億元投資NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。英國(guó)跨國(guó)電信龍頭Vodafone已在西班牙主要城市開始利用NB-IoT技術(shù)布建通訊范圍可覆蓋整座城市的物聯(lián)網(wǎng)商用網(wǎng)絡(luò)，成功實(shí)現(xiàn)商用測(cè)試，并在智慧電表的應(yīng)用、瓦斯表、水表、防災(zāi)煙霧與火災(zāi)警報(bào)器和地下停車監(jiān)控等方面實(shí)現(xiàn)商用。高通、Nordic、Altair、Intel、SEQUANS、MARVELL等芯片廠商均已經(jīng)完成NB-I0T芯片的研發(fā)，大部分已經(jīng)成功通過測(cè)試并進(jìn)行全面量產(chǎn)，其中，高通的MDM9206芯片可支持全球所有頻段。

1.2 國(guó)內(nèi)NB-IoT技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)深度參與全球NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，加速帶動(dòng)我國(guó)NB-IoT的發(fā)展并奠定了我國(guó)在全球NB-IoT技術(shù)引領(lǐng)的重要地位。通過運(yùn)營(yíng)商和芯片廠商合力共同推進(jìn)，全國(guó)NB-IoT的部署和建設(shè)工作加速推進(jìn)，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基站復(fù)用以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)，基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全覆蓋。在NB-IoT技術(shù)部署方面，中國(guó)聯(lián)通早在2016年就開始在北京、上海、廣州、深圳、福州、長(zhǎng)沙、銀川等7個(gè)城市啟動(dòng)基于900MHz、1800MHz的NB-IoT外場(chǎng)規(guī)模組網(wǎng)試驗(yàn)及6個(gè)以上應(yīng)用示范;中國(guó)電信啟動(dòng)NB-IoT企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在廣東、江蘇、浙江、上海、福建、四川和河南7省12個(gè)城市開展大規(guī)模外場(chǎng)測(cè)試;中國(guó)移動(dòng)的子公司中移物聯(lián)網(wǎng)公司針對(duì)NB-IoT的業(yè)務(wù)，提供了智能連接、智能模組、智能硬件、開放平臺(tái)、解決方案五大業(yè)務(wù)，其中四川移動(dòng)與摩拜單車、華為達(dá)成著力搭建NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的共享單車平臺(tái)。華為與中國(guó)移動(dòng)、阿聯(lián)酋電信、LG Uplus、上海聯(lián)通、意大利電信和沃達(dá)在全球成立了六個(gè)NB-IoT開放實(shí)驗(yàn)室，專注于NB-IoT的聯(lián)合創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、集成驗(yàn)證。在芯片方面，華為、銳迪科、中興微電子的NB-IoT的芯片均已經(jīng)完成設(shè)計(jì)并量產(chǎn)。在行業(yè)應(yīng)用方面，中興聯(lián)合中國(guó)電信，在河北雄安新區(qū)部署了智慧停車、智慧井蓋、智慧路燈等NB-IoT端到端解決方案;信通院聯(lián)合中移、華為、浪潮等知名企業(yè)，在鷹潭部署了基于NB-IoT技術(shù)的智慧停車、智能煙感報(bào)警、智能抄表等應(yīng)用;福建三大運(yùn)營(yíng)商合力，部署了智能水表等應(yīng)用。

2 NB-IoT垂直行業(yè)應(yīng)用需求分析

基于NB-IoT技術(shù)廣覆蓋、連接多、低成本、低功耗的特性，可滿足對(duì)低功耗/長(zhǎng)待機(jī)、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務(wù)，由于對(duì)于移動(dòng)性支持能力較差，較適合靜態(tài)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)時(shí)延低敏感或非連續(xù)移動(dòng)、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，并適合在以下幾項(xiàng)業(yè)務(wù)類型提供技術(shù)支持：一是以年、月、周、天、小時(shí)為單位，上行數(shù)據(jù)極小數(shù)據(jù)量需求的自主異常報(bào)告和自主周期報(bào)告業(yè)務(wù)類型，如煙霧報(bào)警探測(cè)器、智能公用事業(yè)測(cè)量報(bào)告、智能農(nóng)業(yè)、智能環(huán)境等;二是以天、小時(shí)為單位，下行極小數(shù)據(jù)量需求的網(wǎng)絡(luò)指令業(yè)務(wù)類型，如開啟/關(guān)閉、設(shè)備觸發(fā)發(fā)送上行報(bào)告、請(qǐng)求抄表等;三是以周、天、小時(shí)為單位，上行下行較大數(shù)據(jù)量需求的軟件更新業(yè)務(wù)類型，如軟件補(bǔ)丁/更新等。實(shí)現(xiàn)NB-IoT芯片、模組、系統(tǒng)、平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和不斷優(yōu)化，是增強(qiáng)NB-IoT行業(yè)應(yīng)用的適用性的必要條件。

2.1 智能水表需求分析

智能水表可實(shí)現(xiàn)集中抄讀、遠(yuǎn)程抄讀和實(shí)時(shí)抄讀，可針對(duì)表具的運(yùn)行狀況精準(zhǔn)計(jì)量、實(shí)行水質(zhì)與水壓異常報(bào)警監(jiān)控、提供智能收費(fèi)等管理和服務(wù)，便于水務(wù)公司的數(shù)據(jù)分析、用水管理、降低供水企業(yè)的產(chǎn)銷差，解決了機(jī)械水表人工抄讀效率低、抄錄數(shù)據(jù)誤差大、自來水公司長(zhǎng)期墊資運(yùn)營(yíng)等狀況，NB-IoT智慧水表的應(yīng)用，解決用戶組網(wǎng)問題與終端水表的最后一公里問題，全面實(shí)現(xiàn)水表端與云平臺(tái)處理端的有效融合，有效提升監(jiān)控效率、降低電池更換與維護(hù)等管理成本，智能水表的廣泛應(yīng)用將成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前普通機(jī)械水表單價(jià)約50元，智能水表合8年的通信流量費(fèi)約300元，電池壽命2年。NB-IoT技術(shù)的商用化，基于模塊價(jià)格、流量?jī)r(jià)格的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)單價(jià)為200元，電池壽命10-15年，較傳統(tǒng)智能水表成本優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2 智慧照明需求分析

NB-IoT智慧照明是以NB-IoT新一代通信技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市一張網(wǎng)，對(duì)城市道路每盞燈實(shí)現(xiàn)全面的感知、智能的控制、廣泛的交互和深度的融合，具有根據(jù)車流量/人流量自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、遠(yuǎn)程照明控制、故障主動(dòng)報(bào)警、燈具線纜防盜、遠(yuǎn)程抄表等功能，電能節(jié)約率可達(dá)30%～60%，有效節(jié)省維護(hù)成本。據(jù)估計(jì)，未來三年全球智慧路燈市場(chǎng)規(guī)模將超過60億美元，其中中國(guó)受益城鎮(zhèn)化及智慧城市等政策紅利，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模將超過100億元。

2.3 智慧農(nóng)業(yè)需求分析

NB-IoT技術(shù)的深入應(yīng)用，可以把農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)環(huán)節(jié)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，大量、實(shí)時(shí)、精確地采集溫度、濕度、光照、土壤酸堿度等環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集分析，幫助生產(chǎn)有針對(duì)性地開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并為今后農(nóng)產(chǎn)品的電子商務(wù)、質(zhì)量安全追溯、配方施肥等建設(shè)奠定基礎(chǔ)，加快智慧農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，智慧農(nóng)業(yè)需求為150億元。

2.4 智慧物流需求分析

NB-IoT傳感器在貨運(yùn)、商品上的應(yīng)用，能夠基于物流管控平臺(tái)獲取的物流車輛、貨物、人員、節(jié)點(diǎn)、路線等數(shù)據(jù)，快速提供智慧物流相關(guān)業(yè)務(wù)，協(xié)助物流從業(yè)公司或人員、貨主、收貨人、政府監(jiān)管部門及社會(huì)公眾，解決物流行業(yè)“車、人、貨、節(jié)點(diǎn)、路線”五位一體的實(shí)物流和信息流高效管理問題。NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用，使智慧物流產(chǎn)生了物流跟蹤物流網(wǎng)云的新業(yè)態(tài)構(gòu)成了全新的基于物聯(lián)網(wǎng)的連接人、物流中的貨物、過程以及數(shù)據(jù)體系，讓物流跟蹤真正走入質(zhì)量追溯全過程。近年來，物流數(shù)據(jù)、物流云、物流技術(shù)服務(wù)的市場(chǎng)規(guī)模超過了2000億元，預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)智慧物流服務(wù)的市場(chǎng)規(guī)模將超過5000億元。

3 NB-IoT行業(yè)應(yīng)用及技術(shù)難點(diǎn)分析

一是多模、多頻段、微型化NB-IoT芯片設(shè)計(jì);二是惡劣的環(huán)境下超長(zhǎng)續(xù)航安全供電終端解決方案研究;三是NB-IoT測(cè)試系統(tǒng)的研究和平臺(tái)的搭建;四是NB-I0T技術(shù)行業(yè)應(yīng)用平臺(tái)的搭建和應(yīng)用模式的普及推廣;五是運(yùn)營(yíng)商攜號(hào)轉(zhuǎn)網(wǎng)（eSIM）和軟SIM的應(yīng)用方案研究。

4 結(jié)語

NB-IoT的普及化應(yīng)用，能夠解決物聯(lián)網(wǎng)功耗等關(guān)鍵問題，助推以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的有效互聯(lián)，將能夠有力推動(dòng)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)新理念、新模式的變革，也是加強(qiáng)區(qū)域發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力的必要手段。

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[收稿日期]2018-12-07