基于蜂窩的窄帶物聯網技術性能及應用

安進朝

摘要：信息技術的發展推進了移動互聯網的普及，也助推了物聯網的發展，基于蜂窩技術的NB-IoT也逐漸應用到了多個行業和業務領域。介紹了NB-IoT的發展情況以及蜂窩技術背景，分析和論述了NB-IoT的技術性能和優勢，并對以蜂窩為支撐的NB-IoT的應用實踐進行了總結。NB-IoT適用于低速率業務和靜態業務，在對非連續移動、實時傳輸數據要求嚴格的業務場景有明顯優勢，將成為物聯網應用的主要應用技術。

關鍵詞：蜂窩技術;NB-IoT;技術性能;信息技術

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）04-56-3

0引言

科學技術的發展推進了移動互聯網的普及，物聯網也迅速得到發展。在這一過程中，NB-IoT的應用領域在不斷增多，為進一步提高物聯網使用成效提供了幫助。NB-IoT屬于3GPP技術，可疊加在現有2G/3G/LTE的網絡上，有專用的頻段，已被中國三大運營商及全球多個運營商采納。同時，NB-IoT設備的電池使用壽命超過10年，使用成本相對較低。在蜂窩網絡已經覆蓋全球50%以上地理面積和90%人口的基礎上，NB-IoT有著極為廣闊的發展空間和應用場景。為了提高窄帶物聯網的實用性，滿足人們的物聯網使用需求，對以蜂窩技術為基礎的NB-IoT進行了深入研究。

1 NB-IoT發展概述

NB-IoT是一種以蜂窩網絡為平臺的物聯網，分屬于萬物物聯網絡[1]。蜂窩技術應用的主要目標是建立大型的蜂窩小區，現階段蜂窩技術不僅包括宏蜂窩技術，還包括微蜂窩技術和智能蜂窩技術。基于蜂窩技術，移動通信技術人員將構建蜂窩網絡，有分布式蜂窩通信系統和蜂窩移動電話系統之分。在2014年，窄帶技術NB M2M被提出，次年該技術與NB OFDMA融合形成NB-CIoT，然后又將后者與NB-LTE融合，最終形成了NB-IoT。這種基于蜂窩的物聯網可以被直接部署在GSM，UMTS，LTE網絡當中，而且所需帶寬和部署成本不高，十分有利于實現平滑升級。在實踐中，NB-IoT構建環節所需的帶寬頻段僅為180 kHz，被廣泛應用于多個垂直行業。現階段，全球NB-IoT標準制定開展的如火如荼，我國也在其中扮演了重要角色。國內多個城市啟動了外場規模組網試驗，預計到2025年，NB-IoT將成為國內5G物聯網主流技術。

2蜂窩支持下的NB-IoT技術性能

2.1信號廣

對于以蜂窩網絡為支撐的NB-IoT而言，最為突出的技術特點是信號覆蓋范圍廣。與現有的網絡相比，在同頻段當中NB-IoT不僅可以增加20 dB，還具有更為廣泛的信號覆蓋范圍[2]。從當前的比較情況來看，頻段相同的情況下，NB-IoT的信號覆蓋面積是傳統網絡的百倍。而且，NB-IoT的速率與TB大小、RU數量以及重發次數有關。若要提高信號質量，可通過推進信號接收方式合并或基于重復傳輸來實現。在對中國移動的某一試點進行4G和NB-IoT技術覆蓋測試時，在4G覆蓋測試的PCI，RSRP，RSRQ，SINR速度分別為292 MB/s，-107.7 dBm，-8，3;而NB-IoT測試值分別為189 MB/s，-100 dBm，-11，12。

2.2多連接

NB-IoT技術有著十分強大的多連接性能，可以支撐海量連接，意味著在單一扇區之內可支撐的連接能達到十萬個。同一基站下，蜂窩支持的NB-IoT技術接入數量可以達到現有無線技術的50倍，最高接入數量甚至是現有的100倍，可以構建出一種支持低延時敏感度的優質網絡，使得基于小空間可放置多設備，而且設備之間彼此不會干擾。通過NB-IoT技術可有效提升上行等效功率、降低空口信令開銷，更有助于提升頻譜效率和通信容量，實現多連接和強連接[3]。

2.3低功率

功率高低是衡量通信技術有效性的重要指標，而對于NB-IoT技術低功率恰恰是其最具代表性的特點，適用于電池更換不便的場合和設備，可以提供更為便利的移動通信條件。通過節約不必要的功耗，既能為用戶提供方便，又能為運營商帶來充足盈利，符合大數據時代背景下的節能和便利要求。實踐發現，NB-IoT可以使終端芯片的負載程度和耗電程度大幅下降，空口信令得到簡化，提升網絡傳輸效率。同時，還可以延長TAU/RAU周期，并減少位置更新頻次。經測量，NB-IoT在PSM模式和IDLE模式下的最大耗流分別為5μA和6 mA。

2.4小成本

在NB-IoT應用環節，相關工作人員不斷通過調整和創新壓縮終端芯片的成本。比如，為降低基帶復雜性，將終端工作帶寬減至200 kHz;提高功放效率;降低RF設計成本和低峰均比等。而且，在應用NB-IoT技術時也無需面對重新建網的壓力，所用的天線和射頻也屬于通用款式;與現有的無線終端相比，NB-IoT無論是在模塊、供電還是通信運營方面都有著極高的性價比，單個連接模塊的預期價格還在持續降低。

3 NB-IoT實踐分析

目前，移動通信巨頭紛紛開展了關于NB-IoT技術的研究，使得該技術在遠程抄表、智能農業、資產跟蹤及智能停車等多個垂直行業得到了廣泛應用。

3.1技術架構

在NB-IoT系統當中，共有4個組成部分：終端側、無線側、核心網和應用平臺。在NB-IoT業務網絡架構方面，終端側主要包含模組、終端以及芯片等設備;而無線側則主要包含無線網管、BBU、RRU、光纖;核心網主要是IP網絡，包含EOC核心網和EPC網管;應用平臺則主要是網絡應用服務平臺。

終端側主要扮演的是感知層角色，如圖1所示，內部包含多種類型的傳感器。比如，溫度傳感器、RFID標簽和讀寫器、GPS、二維碼標簽及攝像頭等，這一層級是物聯網進行物體識別和信息采集的關鍵性層面。若將NB-IoT與人類相比，終端側就是人體視覺、聽覺和觸覺的集合體。基于終端側，NB-IoT采集到的信息被有效傳遞給接入網和核心網，而后可以進入服務平臺為提高移動通信質量提供輔助。無線側發揮接入網絡的作用，這一部分的覆蓋能力極為強大，將充當接觸終端的基礎[4]。不僅如此，在建立NB-IoT技術架構時，為了提高技術應用有效性，相關工作人員還需要對PGW和HSS網元進行改造。NB-IoT結構中的應用平臺，主要發揮著管理物聯網所承擔的業務的作用，具有管理統一性特點，有助于推進NB-IoT的應用拓展。

為了能讓NB-IoT的功能更為完善，消除其無法滿足移動性要求高、數據量大且有語音業務應用需求的弊端，可以為窄帶物聯網設計基于GSM的FDD&NB-IoT升級方案。在建網環節，無需儲備FDD的窄帶物聯網以滿足物聯網業務需求，進一步推進低成本和廣覆蓋為思路;而儲備FDD的窄帶物聯網應該以FDD-LTE規劃為目標建網，并對物聯網的業務需求進行兼顧。比如，推進多載波通信模塊軟件升級、BBU框新增LTE主控版及基帶板，實現天線共用，為不具備PTN的站點建設新的PTN設備，與TD-LTE共同用核心網，實現GSM與FDD共網管等。

3.2頻段與頻點

在應用階段，頻段選擇和頻點部署同樣重要，從現階段國內移動通信運營商的NB-IoT部署情況來看，中國移動、中國聯通和中國電信在部署NB-IoT時選擇的頻段和頻點布設方式皆不相同。

在頻點部署環節，部署方式主要有3種類型：Stand-alone，Guard-band，In-band。Stand-alone部署也稱獨立部署，可借助于GERAN系統占用的資源來替代GSM載波[5];Guard-band部署也被稱為保護帶部署，可以基于LTE載波對帶上未被使用的資源塊加以保護;In-band部署也被稱為帶內部署，利用LTE載波內的資源塊。在滿足協議的前提下，獨立部署方式的容量可達5.3萬/小區，保護帶部署系統容量可達4萬/小區，帶內部署系統容量可達3.1萬/小區。NB-IoT的下行鏈路為OFDMA方式，此時3種操作模式的子載波間隔相同;而上行鏈路可支持Single-tone和Multi-tone傳輸。而且，NB-IoT終端只需支持半雙工操作。

在實踐中，獨立部署實際上是在獨立200 kHz頻段部署頻點，所以有著獨占頻譜、不與現有系統共存的頻譜特點;保護帶部署方式則需要將頻點部署在FDD-LTE保護帶以內，需要考慮與LTE系統的頻譜共存所導致的射頻指標或干擾規避問題;帶內部署在FDD-LTE頻段以內，這種帶內頻點部署需要考慮的頻譜問題與保護帶部署相同。當然，這3種頻點部署類型的差異不僅表現在頻譜上，還表現在共存、小區峰值速率、覆蓋以及容量等多個方面：

①共存：獨立部署模式下，NB-IoT與GSM共站共存需100 kHz保護間隔;保護袋部署模式下，NL共站共存無需保護間隔，而帶內部署模式下，NL共站共存無需保護間隔，但是應該避開PDCCH，PRS，CSI-RS，PBCH等。

②小區峰值速率：3種部署的上行峰值速率分別為261.6 bps，261.6 bps，261.6 bps;下行峰值速率分別為226.6 bps，226.6 bps，170 bps。

③覆蓋：3種部署在重發次數和速率方面存在明顯差異，若在最大耦合路損（MCL）超過164 dB的情況下，獨立部署重發次數少且速率高;保護帶部署重發次數多且速率高;帶內部署重發次數多且速率低。

④容量：獨立部署模式的容量為53 169/小區，隨機接入容量受限;保護帶部署模式的容量為40 863/小區，尋呼容量受限;帶內部署模式的容量為31 288/小區，下行業務信道受限。

3.3應用場景

現階段，NB-IoT所具有的低功耗、小成本、長待機、深覆蓋、大容量和多接入特點，使其十分適用于低速率業務和靜態業務，對非連續移動、實時傳輸數據有所要求的業務場景當中都能得到廣泛應用。在實踐中，自主異常報告業務類型、自主周期報告業務類型、遠程控制指令業務類型和軟件遠程更新業務類型都屬于NB-IoT的應用場景。比如，煙霧報警探測器、水電表遠程抄表、設備遠程啟閉、軟件更新等。在行業中，NB-IoT的應用領域也十分廣泛。比如，公共事業、智慧城市、消費電子、設備管理、智能建筑、智慧物流和農業環境等領域都可見NB-IoT的身影[6]。尤其是在智慧城市和農業環境當中，NB-IoT的應用為提高智能交通管理質量和農業物聯網建設水平提供了巨大幫助，為實現萬物互聯做出了技術保障。

4結束語

綜上所述，NB-IoT屬于萬物物聯網的分支，網絡結構以蜂窩網絡為支撐建立。在使用過程中，表現出了信號廣、功率低、成本低和多連接功能，為提高物聯網實用性提供了巨大幫助，實踐重點在于其網絡架構和頻段與頻點的選擇部署上，應用方向十分多樣。

參考文獻

[1]徐穎.以蜂窩為基礎的窄帶物聯網技術性能和實踐[J].山東工業技術，2019（9）：131.

[2]羅象乾.探究窄帶物聯網（NB-IoT）標準與關鍵技術[J].通信電源技術，2018，35（11）：269-270.

[3]李景楓，黃曉弟，趙永峰.蜂窩技術支持下的窄帶物聯網（NB-IoT）技術性能及應用[J].中國新通信，2018，20（22）：108.

[4]曾忠誠.基于蜂窩的窄帶物聯網（NB-IoT）技術性能及應用[J].信息記錄材料，2018，19（5）：44-45.

[5]鄭飛，吳斯棟.窄帶物聯網標準化概述和性能測試[J].中國自動識別技術，2020（5）：69-72.

[6]何澤鵬.基于蜂窩的窄帶物聯網（NB-IoT）技術性能及應用[J].廣東通信技術，2017，37（3）：29-34，65.