淺析NB—IOT物聯網技術及應用

甄振微 王許海

摘要：本文綜述了物聯網的基本概念、基本特征、體系模型和國內外發展狀況，并預見了未來物聯網技術的廣泛應用以及將為人們生活帶來的變革。

關鍵詞：物聯網；NB-IOT；應用

一、物聯網的概念及分類

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分。其英文名稱是“The Internet of things”。顧名思義，“物聯網就是物物相連的互聯網”。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，物聯網的用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。其目的就是實現物與物、人與物，所有物品與網絡的連接。因此“人聯系人”的通信網、“人物互連”、“物物互連”網絡都可以歸納到物聯網的范疇。

二、NB-IOT物聯網介紹及應用

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）業務是中國移動面向物聯網領域，為具有“小數據量、低速率、低功耗”特點的應用所提供的低功耗、廣覆蓋的移動通信接入服務。NB-IoT基于極好的覆蓋范圍、極高的系統容量為時延、速率不敏感（不提供語音功能）類業務提供服務。

1、業務特征

NB-IoT具有低速率、低功耗、廣覆蓋、低成本、海量連接等特征，適用并可廣泛應用于智能抄表、智能家居、可穿戴設備、智能建筑、物流追蹤、市政、物聯等應用領域。

低速率：NB-IoT具有較低的傳輸速率，單用戶下行速率峰值為21.25kbps，上行速率峰值為56kbps（Multi-tone）/4.5-15.625kbps（Single-tone）。

低功耗：NB-IoT引入了低功耗模式（Power Saving Mode，PSM）和擴展的非連續接收（Extended Discontinuous Reception，eDRX）省電技術，可實現終端設備的極低功耗。例如：NB-IoT抄表終端，假設每天發送一次200B報文，5Wh電池可使用10年。

廣覆蓋：NB-IoT具有超強的覆蓋能力，在同等條件下，相比2G和LTE網絡增強20dB。例如NB-IoT能覆蓋到地下車庫、地下室、地下管道等2G和4G網絡難以到達的地方。

低成本：NB-IoT對物理層、協議棧和硬件（射頻天線、緩存Flash/RAM、PA等）進行了簡化，與4G相比，大幅降低了芯片/模組成本，隨著規模的增加，可實現與2G成本相當。

海量連接：NB-IoT網絡相比2G/3G/4G的上行容量提升50-100倍，單小區單載波每天可服務物聯網用戶數50000個。

2、業務分類

窄帶物聯網一般可按照服務內容和通信方式進行不同的服務分類。

2.1按照不同的服務內容，NB-IOT物聯網服務可分為基礎通信服務和智能通道服務。

基礎通信服務：即窄帶物聯網可承載的短信、數據等基本的通信服務。智能通道服務：即可提供終端通信狀態查詢、賬務信息查詢、用戶鑒權和低功耗模式設置等增強服務。

2.2按照不同的通信方式，可分為短信業務和數據業務。

（1）短信業務

NB-IoT終端和應用平臺間可通過短信方式通信，即：終端通過短信方式上傳采集到的業務數據，應用平臺通過短信方式下發業務數據。

例如：安裝在監控車輛上的終端通過內置標準短信模塊定期上傳終端狀態信息，應用平臺通過短信下發車輛調度指令。

（2）數據業務

NB-IoT終端與應用平臺間可采用數據方式通信，即：終端通過數據方式上傳終端狀態、終端報警等信息，應用平臺通過數據方式給終端下發參數配置、控制命令等信息。

例如：NB-IoT終端向應用平臺回傳油井工作狀態信息、設備基本參數等信息。

3、業務架構

（1）NB-IoT核心網：包括移動性管理設備（MME）、服務網關（S-GW）、PDN網關（P-GW）、用于存儲用戶簽約信息的HSS/HLR、移動交換中心服務器（MSC sever）、短消息服務中心（SMS-SC）。其中，HSS/HLR、SMS-SC、P-GW為物聯網專用網元，全網集中設置；MME、S-GW、MSC sever為各省本地網元。

（2）運營支撐平臺：包括物聯網業務網關、物聯網連接管理平臺、OneNET平臺，實現自助服務、通信管理、終端管理、業務統計、API能力開放等功能。其中，應用平臺可以連接OneNET平臺，也可以不經過OneNET平臺直連P-GW。

4、典型的業務應用-智能抄表

對于現有抄表類業務，主要存在3個問題，一是海量人工抄表和更換電池導致的人力成本，這點在歐洲尤其明顯，二是繁雜的收費模式，人工計算/銀行刷卡流程復雜，三是抄表的剛性需求，表類根據地區很有可能部署在信號比較差的地方，當前GPRS無法解決全覆蓋的問題，當前一般都采用有線多跳或無線多跳的方式，如在中國地區氣表一般入戶，覆蓋可以100%，水表和電表會安裝在豎井內，豎井內有金屬管、鋼筋等結構，對于信號的屏蔽作用很強，所以普通的GPRS覆蓋根本無法滿足要求。

基于NB-IoT網絡的智能抄表解決方案，在核心網協同無線的基礎上可完美解決傳統抄表存在的問題。

（1）深度覆蓋：NB-IoT可以為智能抄表系統提供經濟高效的基礎網絡，解決在2/3/4G覆蓋不足的問題。

（2）超低功耗：為了表的電池生命周期，可以采用如上介紹的PSM、長周期TAU/RAU和快速釋放連接以降低終端功耗；

（3）超低成本：為了降低海量抄表的終端部署成本，核心網引入了一系列降低UE成本、提供網絡效率的方案，如NAS協議簡化、Data over NAS等。

綜上，NB-IoT的深度覆蓋可以提供無處不在的覆蓋，支持箱內、地下室等部署場景；NB-IoT的UE低功耗和基于運營商平臺的簡單架構使部署和運維更方便，并且可以提供運營商級別的高可靠性和高質量。

三、結束語

隨著網絡連接、云服務、大數據分析和低成本傳感器等所有核心技術的就緒，物聯網已經從萌芽期步入迅速發展的階段。物聯網應用的市場前景將非常廣闊，涉及工、農、商、貿等各個領域，這將為社會、企業、家庭和人們生活方式帶來全新的管理方式和變革。

參考文獻

[1]劉愛軍，物聯網技術現狀及應用前景展望[J].物聯網技術，2012（1）

[2]劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學