窄帶物聯網NB-IoT關鍵技術研究

趙朝宏

摘要：大數據時代的到來，通過無線技術可以實現萬物互聯，使智慧城市建設得以實現。在物聯網技術支持下，能夠將大數據技術、區塊鏈、人工智能密切關聯在一起，同時可以應用到運輸檢測、智能調度和物流倉儲等領域。物聯網技術的成本與功耗比較低，且覆蓋范圍廣。窄帶物聯網NB-IoT屬于新興技術，能夠實現物聯網的創新應用。此次研究主要是探討分析窄帶物聯網NB-IoT關鍵技術，希望能夠對相關人員起到參考性價值。

關鍵詞：窄帶物聯網;NB-IoT關鍵技術

物聯網可以優化部署各類設備，且設備具備通信能力、執行能力、計算能力和感知能力，以此獲取物理信息，借助網絡傳輸、協同與處理信息，以此實現信息互聯與交換。NB-IoT技術屬于新制式，在物聯網中占據重要地位，可以實現功耗、成本、鏈接數量及覆蓋等優勢，同時可以靈活應用技術優勢，以此實現低速業務，發展前景廣闊。

1、NB-IoT技術及特點

NB-IoT技術屬于窄帶物聯網，在萬物互聯中占據重要地位。NB-IoT技術可以直接關聯長期演進網絡和全球移動通信網絡，關聯成本比較低，能夠實現平滑升級。NB-IoT技術應用180kHz帶寬，能耗非常低，因此成為顯著技術優勢。同時，NB-IoT技術還能夠擴大覆蓋面、成本低廉，實現大范圍連接等，因此NB-IoT技術的優勢體現離不開關鍵技術的支持。

NB-IoT技術帶寬和多數網絡帶寬相同，不存在特殊技術。下行采用多址接入技術，載波間隔為15kHz，下行載波應當保證3.75kHz、15kHz單載波可以正常運行。NB-IoT技術搭載全新的數學傳輸技術及信息技術，采用雙半工通信模式，有助于降低設備成本及能耗成本。同時，NB-IoT技術還涉及到應用層、感知層和網絡層。其中，感知層組成包括傳感網關與傳感器;應用層能夠實現人與物連接;網絡層組成包括有線網、無線網、互聯網及相關網絡。

2、NB-IoT關鍵技術

2.1? 低消耗關鍵技術

NB-IoT技術多應用于小速率及小數據方面，所以技術消耗比較低，終端待機時間可以達到10年。NB-IoT技術通過EDRX技術和軟件模型技術，可以確保設備始終在線，減少額外信令傳輸，同時在軟件模型狀態下，不接受尋呼信息。

第一，軟件模型技術。通過該項技術可以將終端射頻關閉，同時與關機狀態比較接近，阻止尋呼信息、業務呼叫接收，且下行處于不可達狀態。在此種階段下，當數據信息運輸到MME中，通過MME可以傳輸到SGW進行數據緩存與尋呼延遲、當上行需要發送數據或信令時，終端將不處于軟件模型狀態，此時會觸發隨機連接狀態，終端始終在線。所以上下文會處于核心側，無需建立公共數據網。因此，軟件模型技術可以確保用戶處于在線狀態，然而卻無法傳輸信令。處于在線狀態時，將會和關機睡眠狀態相似，以此節省電能。

第二，EDRX技術。該項技術屬于新興技術模式，屬于DRX技術的升級延伸，可以支持更長的尋呼時間，以此達到節省電能的效果。從本質上看，DRX技術在移動網絡中屬于高成熟技術。在2G時代開始，直到5G時代都廣泛應用。DRX技術能夠確保終端設備處于休眠狀態，無需對PD-CCH子幀進行監聽。在監聽時，只需改變休眠狀態即可。

終端設備可以按照實際需求，決定將傳輸數據劃分為連接狀態或者空間狀態。在某個區域下，UE會處于空閑狀態，在隨機連接之后，可以轉換為連接狀態。在空閑狀態下，能夠對尋呼進行監聽，然而在DRX技術下，不需要進行監聽，終端只是對具備尋呼標識的數據進行監聽。在DRX周期內，只需進行1 次尋呼接收即可，因此DRX尋呼周期越長，則節約電能越多。加強升級版EDRX技術，可以持續延長尋呼周期，節省更多的電能。

2.2? 低成本關鍵技術

低成本的相關因素非常多，NB-IoT技術具備低能耗與低速率特點，基于成本優勢分析，低速率的緩存量比較小，低消耗的射頻量比較少，且低帶寬所應用的算法簡單，可以簡化每一道步驟，從而使整體成本降低。在NB-IoT技術內，包含分半雙工技術，表明上行頻率與下行頻率處于相互獨立狀態，此時終端無需發送和接收數據。在NB-IoT技術下，應用的元器件數量比較少，成本低廉，因此可以減少電能消耗。同時，運營商建網與NB-IoT技術該覆蓋率，也能夠降低應用成本。

2.3? 高覆蓋技術

NB-IoT技術具備較高增益，且覆蓋能力非常強，高于長期演進技術數百倍，即使在地下空間和管道等區域，NB-IoT技術也可以實現全覆蓋。首先，NB-IoT技術具備高發射率譜密度優勢。技術帶寬為180kHz，下行子載波間隔為15kHz，上行支持兩種載波。在獨立部署條件下，下行發射功率約為20W，由于采用窄帶寬，因此功率譜密度約為長期演進技術的17dB。不管是按照15kHz計算，還是3.75kHz計算，所獲得的密度均比較高，因此可以擴大覆蓋面。此外，NB-IoT技術支持重傳，下行可以支持2048次，上行最高可以支持128次，高重傳可以提升混合自動重傳請求增益，通過低速率換取高覆蓋。基于理論分析可知，每一次重傳可以增加3dB，然而重傳次數和速率存在負相關性。

3、NB-IoT技術的應用場景

NB技術具備高覆蓋深度、長待機時間、低功耗等優勢，因此可以應用于不連續移動場景、靜態業務場景、低時延靈敏度場景與實時數據傳輸場景中。NB-IoT技術可以應用到智慧農業、智能停車、智慧物聯與資產跟蹤等和垂直行業中。比如福建所建立的好運聯聯，將NB-IoT技術應用到物流行業。此外，通過NB-IoT技術還能夠研發車載寶智慧物流系統，對車輛與人員的相關數據進行實時采集，以此實現可回溯與可預警效果。同時，在農業與環境中，也可以應用NB-IoT技術。比如實時監測空氣、農業物聯網、實時監測水質、畜牧業物聯網等。在文物保護、智能家居、智能社區及移動支付領域，也廣泛應用NB-IoT技術。結合物聯網技術和傳感器，可以實現水下、山林、野外等特殊區域的網絡覆蓋，以此提升農業生產效率。針對近郊與覆蓋區域，物聯網技術能夠改善溫室、水產業與花卉等農業生產及流通。此外，農業物聯網也可以應用無線網絡和有線網絡方式，以此實現低成本、穩定供電與網絡全覆蓋效應。當前，在服裝領域也開始應用NB-IoT技術，例如新研發的智能兒童運動鞋，可以有效保障兒童運動安全。

4、結束語

綜上所述，NB-IoT技術屬于物聯網技術的全新發展，可以實現遠程部署與廣泛部署效果。通過準確的技術標準，可以確保NB-IoT技術應用到商業領域。工信部提出物聯網發展目標，各大運營商也開始建設NB-IoT基站，加大技術創新力度，從根本上促進NB-IoT技術的發展。

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