NB-IoT寬窄物聯網及應用分析

陽 輝，胡春杰，劉湘偉

（1.西藏自治區水文水資源勘測局，西藏 拉薩 850000；2.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；3.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引 言

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮，其被廣泛應用于各個領域。然而隨著物聯網的快速發展，用戶對低功耗、海量連接、超強覆蓋和低成本網絡的需求越來越迫切，低功耗廣域網（Low-PowerWide-AreaNetwork, LPWAN）應運而生，成為當今世界通信行業的研究和應用熱點。LPWAN主要解決物聯網末端1公里的通信問題，相比與傳統的WiFi、ZigBee、Bluetooth、蜂窩移動通信等無線通信技術，具有低功耗，遠距離，低運維成本等特點。LPWAN又可分為兩類：一類是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術；另一類是工作于授權頻譜下，3GPP支持的2G/3G/4G蜂窩通信技術，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等[1]。

1 低功耗廣域網

低功耗廣域網是一種遠距離低功耗的無線通信網絡。由于其網絡覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點，其非常適合大規模的物聯網應用部署。相比傳統的Bluetooth、WiFi、ZigBee、等無線連接技術，LPWA技術傳輸距離更遠；與蜂窩技術（如GPRS、3G、4G等）相比，其功耗更低[2]。

1.1 LoRa

LoRa（Long Range）是Semtech公司私有的物理層技術，尚未公開，主要采用了窄帶擴頻技術，靈敏度最高可達-148 dBm，頻率低于1 GHz，為后來的LoRa技術的遠距離和功耗低的性能奠定了基礎[3-4]。LoRa一種基于Sub-GHz的頻段無線技術，使其更易以較低功耗遠距離通信，目前主要應用于IoT、M2M、智慧城市等領域。LoRa技術組網圖如圖1所示。

圖1 LoRa技術組網

1.2 SigFox

SigFox網絡旨在使用低功耗廣域網，為低吞吐量連接場景提供物聯網應用。SigFox網絡由終端設備和網絡（基站+核心網）組成。低功耗廣域網系統是非對稱的，可將數萬個終端設備連接到一個基站。Sigfox使用192 kHz頻譜帶寬的公共頻段來傳輸信號，采用超窄帶的調制方式，每條信息的傳輸寬度為100 Hz，根據區域的不同，其數據傳輸速率可以是100 b/s或600 b/s。Sigfox網絡拓撲是一個可擴展的、高容量的網絡，具有能源消耗低、易部署等特點，然而SigFox目前沒有在中國地區進行網絡部署[5]。

1.3 NB-IoT

NB-IoT是窄帶物聯網（Narrow BandInternetof Things）的簡寫，是一種授權頻譜的蜂窩通信技術，其是3GPP針對LPWA定義的新一代蜂窩物聯網技術。NB-IoT運營商可以直接復用現有的基站設備，將其直接部署于GSM網絡、UMTS網絡，從而大大降低部署成本、實現平滑升級[6-7]。NB-IoT與LoRa技術參數對比見表1所列。

表1 NB-IoT與LoRa技術參數對比

2 NB-IoT關鍵技術研究

2.1 低功耗

低功耗是NB-IoT最最關鍵特點之一。NB-IoT終端在99%的時間內均處在休眠態，并集成多種節電技術，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年。

2.2 深度覆蓋

在同樣的頻段下，NB-IoT比現有網絡增益大20 dB，覆蓋能力擴大100倍，即使在地下室、地下管道等地方也能覆蓋[8]。其次是對海量連接的支撐能力，NB-IoT的一個扇區可以支持10萬個連接。

2.3 海量連接

相比傳統的3G/4G網絡，NB-IoT有50～100倍的上行容量提升，200 kHz帶寬下單基站小區可支持5萬用戶[9]。與現有無線技術相比，在同一基站的情況下NB-IoT可以提升50～100倍的接入數，同時進行了海量存儲和接入控制的優化，適合海量接入的場景。

3 NB-IoT的典型應用

3.1 智慧井蓋

隨著城市化進程的進一步加快，市政公用設施建設發展迅速，井蓋的增加是不可避免的，然而大量在外井蓋缺乏有效的實時監控管理手段，常常發生移動、偷盜井蓋等違法行為。目前大部分城市都是人工巡檢，效率有限。使用NBIoT對城市井蓋進行監控管理，實時監控井蓋的狀態，井蓋移動或者被破壞時會發出警報，從而最大程度避的免傷害與損失。

使用NB-IoT技術監測井蓋的優勢：

（1）代替人工巡檢，數據全部自動傳輸到監控中心，節省了大量人力物力。

（2）NB-IoT能容納用戶容量是GPRS的10倍，可滿足城市井蓋數量龐大的需求。

（3）正常通信和待機電流是mA和μA級別，NB-IoT終端模塊待機時間可長達10年，極大程度的簡化了井蓋監測在后期的維護。

3.2 智慧農業

溫濕度、二氧化碳、光照、鹽堿度等傳感器的應用對于農作物提高產量、減少水資源的消耗等有重要的意義，而且很多偏遠的農場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網絡，于是NBIoT物聯網可以為智慧農業數據傳輸提供良好的通信服務[10]。

基于NB-IoT的智慧農業系統在土壤墑情、溫濕度、農業灌溉、農水施肥等應用，及時有效地了解農作物生長狀態，減少傳統的生產成本，提高經濟效益。NB-IoT模塊和傳感器設備相結合可快速安裝在各類農業場景，可提高產品質量、提高作物產量、幫助節約資源和幫助農民更好地控制成本來改變農業和糧食生產，如圖2所示。

圖2 NB-IoT智慧農業系統

3.3 智慧水質

傳統的水質監測方法為人工監測，需不定期到監測點進行水體水質采樣，再進行化驗分析，最終獲得水質的各種參數。該方法不僅耗時費力，而且容易出現采樣不均等問題，且檢測周期長、監測范圍小，無法實現在線、實時、連續自動監測[11]。而NB-IoT水質監測系統由傳感器采集相應的水質參數，再通過NB-IoT網絡將采集水質數據發送給服務器存儲和水質數據的用戶展示。

3.4 智能抄表

GPRS遠程抄表的誕生，代替了人工抄表，它比人工抄表技術先進，效率更高，更安全。由于市場慢慢的擴大，覆蓋面積越來越廣，通信基站用戶容量小、功耗高、信號差（山區、地下室、樓道等）等問題。而NB-IoT遠程抄表水表能夠直接部署在LTE網絡、GSM網絡和UMTS網絡，成本低，有效解決無線表必須采用具間組網或外掛中繼器來延長傳輸距離的技術缺點，解決了智能抄表應用最后一公里的難題[12]。

4 結 語

NB-IoT窄帶物聯網作為低成本、低功耗廣域網技術的代表，被廣泛地應用在智慧生活中的各個領域。NB-IoT具有相當龐大的市場，雖然它面臨著應用場景不同、網絡傳輸需求、部署問題、應用和商業模式、與LPWAN（低功耗廣域物聯網）技術的競爭等各方面的問題，但相信在大家共同的努力下，未來的NB-IoT必然在無線通信技術領域大放異彩，引領萬物互連的新時代。