關于NB-IoT技術的研究與應用

李春旭 王文成 劉冰婷

【摘要】? ? NB-IoT是近年來新興的物聯網技術，其網絡技術特點在于其網絡層。因為其覆蓋更加廣闊、功耗更加節省、工作于授權頻譜等無可比擬的優點在眾多低功耗廣域網技術中脫穎而出。本文首先介紹了NB-IoT技術發展背景及其基本概念，詳細闡述了NB-IoT特點和優勢，文末描述了NB-IoT廣泛應用及發展趨勢。

【關鍵詞】? ? NB-IoT? ? 窄帶物聯網? ? 蜂窩網絡? ? 智能

一、發展背景

傳統移動通信是人與人之間的通信，隨著時代發展移動通信的定義也在不斷的改變，萬物之間的連接才是發展必然趨勢。然而，當前的移動通信網絡在萬物互聯的能力上略顯不足。實際上，相對于ZigBee、藍牙等技術，移動蜂窩網絡在覆蓋能力、可移動性以及連接數量等指標更具優勢，能為NB-IoT帶來更加多樣化的應用場景，是物聯網的主要連接技術。窄帶物聯網技術是物聯網技術的重要技術成分，由于其具有功率損耗低、覆蓋面積廣、投資成本低、連接設備數大等特點，在無線網絡通信中已成為重要組成部分。

二、NB-IoT 概述

NB-IOT是由3GPP標準化組織定義的一種技術標準，是構建于蜂窩通信的窄帶物聯網。NB-IOT技術只消耗大約180KHZ的帶寬，可支持帶內網絡部署，網絡保護帶內部署和獨立部署等三種方式，并可以與現網并存。為了節省部署成本，NB-IOT可在現有GSM、LTE網絡基礎之上實現直接部署。與傳統物聯網技術相比，NB-IoT具有較強的兼容性，以新的技術形式構建在蜂窩無線網技術之上，這樣能夠更好的解決在NB-IoT技術應用過程中室內信號覆蓋不足的問題。NB-IOT技術支持接入各種分辨率的終端，可滿足低時延的技術要求，可有效節約建設成本，并且進一步改進網絡的組網架構。

NB-IoT逐步演進，于2020年7月正式寫入5G標準。2014年5月華為、Vodafone提出了窄帶技術NB M2M;2015年9月，在3GPP第69次RAN全會上，“NB-CIoT”和“NB-LTE”2個技術規范融合為NB-IoT;2016年6月，NB-IoT獲得國際組織3GPP通過，標志著NB-IoT商用化開始;2020年7月，ITU-R WP5D會議上，NB-IoT正式成為5G標準。

三、NB-IoT特點與關鍵技術研究

3.1 超低功耗

設備的功率損耗是NB-IoT技術應用一項重要指標，尤其對于一些不便常換電池的終端設備，如安裝在偏遠地區的各種傳感類設備、監測類設備等，它們的電池使用壽命需求長達幾年。而NB-IoT終端設備可以控制自身休眠和工作的狀態，低功耗特性結合多種節電技術，終端設備待機時長達十年之久。

（1）PSM模式：在idle（空閑態下）增加PSM態，終端設備幾乎為關機狀態，處于休眠模式，定時器可控制呼醒狀態，從而實現設備的低功耗;

根據上圖分析可知如果上傳周期TUA為10分鐘，設備每周上傳一次數據，兩節5號電池可以用132個月之久。

2、eDRX：增強型非連續接收模式，延長了DXR的周期，實現更長的尋呼周期，以達到省電的目的。

3.2 超大連接

NB-IoT占用的傳輸帶寬比LTE少了很多，由于NB-IoT在總的帶寬資源一定的情況下，NB-IoT接入的設備數量較多，所以NB-IoT技術資源利用率更高。通過測試發現，在相同基站相同業務帶寬的情況下，相比于傳統網絡，NB-IoT通信技術可以提供百倍的連接數量，真是實現萬物互聯所必須的海量連接。據統計當前NB-IoT網絡單個基站可接入約5-10萬個終端設備。

3.3 超低成本

從網絡建設看， NB-IoT可以直接在現有網絡的基礎上改造升級，這樣可以大大降低了NB-IoT網絡建設成本。以現網900MHz網絡升級為例，只需在帶寬上退出180KHz，就可以將現網直接升級為NB-IoT網絡。在物聯網設備及芯片組成方面，設備成本及芯片成本較低，因此，NB-IoT網絡在現網升級改造過程中具有改造成本低的優勢，同時物聯網的低速率運行、低功率消耗及低帶寬資源設計也給NB-IoT設備芯片以及模塊帶來低成本優勢。

3.4 超廣覆蓋

NB-IoT技術通過時域重傳技術和提升功率譜密度，相比現有的GSM網提升了20dB的MCL（傳送數據時，設備和基站的天線端口之間的最大總信道損耗，MCL值越大，鏈接越強大，覆蓋范圍越廣），信號的傳輸覆蓋范圍更大，穿透能力相當于比GSM網絡多穿透兩堵墻，能覆蓋到深層地下GSM網絡無法覆蓋到的地方。

（1）物聯網通過在時域上重傳技術來改善傳輸過程中的數據有效性，NB-IoT通過重復數據傳輸實現時間上的分集，從而提高了傳輸數據的有效性，物聯網的時域重傳技術能夠提高9dB--12dB的上下行增益。

（2）物聯網通過將180KHZ的帶寬資源分為不同個15KHZ的子載波資源用來提升功率譜密度，通過增加物聯網的功率譜密度，并采用子載波傳輸信息的方式，提高了信號解調效率，提高了信號的傳播距離及信號的穿透能力。

四、NB-IoT廣泛應用與未來發展趨勢

隨著物聯網產業的發展，NB-IoT得到全面的應用，但在近幾年的發展中，智慧城市、工業物聯網等領域進一步推動NB-IoT的需求和發展。特別是在智能定位、智能告警、智能控制、電池監控、智能拉桿箱、智能共享單車智能路燈等智能設備領域體現尤為突出據咨詢公司MarketsandMarkets的報告中稱，NB-IoT模組2020年市場規模將達到4.61億美元，預計2025年將達到24.84億美元，年復合增長率為40%。

在2020年7月9日結束的ITU-R WP5D會議上，ITU做出重大決議：中國和3GPP提交的NB-IoT技術正式成為5G標準。這意味著NB-IoT技術明確成為5G低功耗廣域網場景應用首選，當前部署的NB-IoT終端，可平滑接入5G網絡;業界在NB-IoT生態的投資，將被保護，并且將持續發揮價值。NB-IoT納入ITU 5G標準，確保了未來10年投資，給行業吃了一顆定心丸，也意味著聯接數量和應用場景將持續擴展。面向未來十年，從以智慧氣表、智慧水表、智能煙感、智慧門鎖、智慧路燈為代表的放量市場，到以智慧家電、智慧工廠、消費電子為代表的新興市場，再到應急管理、監控檢測等孵化市場，還有海量的“物”需要低成本、低速率、低功耗的5G NB-IoT來連接，與5G NR高速率連接一起共同推動全聯接的智能世界。

五、結語

隨著標準演進和技術不斷增強，NB-IoT應用還將進入到更多的行業，幫助千行百業提質降本增效，NB-IoT是5G物聯，在產業日趨成熟的背景下，以及政策支持、標準與技術持續演進下，5G NB-IoT將持續繁榮發展，為數字經濟發展注入新動能。

參? 考? 文? 獻

[1]張永強，高尚，石瑩，周萬珍.NB-IOT技術特性及應用.計算機技術與發展，2020第30卷第5期

[2]張福琦，劉禹佳.NB-IOT技術的發展現狀與趨勢研究.中國新通信， 2019第21卷第12期

[3]丁聰.論NB-IoT技術及應用前景.中國新通信， 2017.（20）