張旭+鄧菲菲+何天愛(ài)

摘要：該文對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并將NB-IoT技術(shù)與現(xiàn)有其他物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)的進(jìn)行分析對(duì)比。NB-IoT具有低速率、低功耗、低成本、高容量、廣覆蓋、多連接等特點(diǎn)，隨后介紹了NB-IoT技術(shù)現(xiàn)今的行業(yè)應(yīng)用和發(fā)展情況，包括交通行業(yè)、衛(wèi)生醫(yī)療、公共設(shè)施、物流業(yè)、抄表、工業(yè)制造、商品零售行業(yè)、智能家居、智能農(nóng)業(yè)、企業(yè)能耗管理等行業(yè)。最后闡述NB-IoT面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)；低功耗廣域網(wǎng)；背景

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）06-0089-02

Abstract：In this paper， the narrowband Internet of things （NB-IoT） is introduced. The main advantages of NB-IoT are including low rate， low power consumption， low cost， high capacity， wide coverage， multiple connections etc. And potential applications of NB-IoT technology are listed including the transportation sector， health care， public facilities， the logistics industry， meter reading， industrial manufacturing， retail industry， smart home， intelligent agriculture， energy management， etc. Finally this paper provides the challenge and future analysis of NB-IoT.

Key words：NB-IoT； low-power wide-area network； background

1 背景

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，各業(yè)界都非常認(rèn)可未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)互通的發(fā)展趨勢(shì)。然而一個(gè)不容忽視的現(xiàn)實(shí)情況是，真正承載到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上的物與物聯(lián)接只占到聯(lián)接總數(shù)的10%，大部分的物與物聯(lián)接通過(guò)藍(lán)牙、WiFi等技術(shù)來(lái)承載。從電信運(yùn)營(yíng)商的角度來(lái)言，當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)并無(wú)法為其提供額外的利潤(rùn)支持，隨著傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)利潤(rùn)越來(lái)越薄，整個(gè)電信行業(yè)都在尋找新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，面向人和人連接的市場(chǎng)越來(lái)越接近飽和，而面向人和物、物和物的巨大市場(chǎng)則剛剛興起。一個(gè)強(qiáng)有力的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，變得迫切而且重要[1-2]。2016年6月16日，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT， Narrow Band Internet of Things）作為3GPP R13一項(xiàng)重要課題，獲得3GPP批準(zhǔn)。這正式宣告了無(wú)線產(chǎn)業(yè)廣泛支持的NB-IOT標(biāo)準(zhǔn)核心協(xié)議歷經(jīng)兩年多的研究已全部完成，標(biāo)志著從現(xiàn)有的移動(dòng)通信架構(gòu)基礎(chǔ)上，為連接越來(lái)越多的設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)GSMA預(yù)測(cè)顯示，NB-IoT在2020年將達(dá)到30億的連接；Machina亦預(yù)測(cè)，NB-IoT未來(lái)將覆蓋25%的物聯(lián)網(wǎng)連接。[3]Gartner預(yù)測(cè)，2016年將有64億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投入使用，同比增長(zhǎng)30%，并將在2020年達(dá)到208億。隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的來(lái)臨，物聯(lián)網(wǎng)正成為所有行業(yè)、設(shè)備的必需。同時(shí)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的普及，讓設(shè)備更加傾向于連接到互聯(lián)網(wǎng)中，[5]這讓NB-IoT迎來(lái)了眾多發(fā)展機(jī)遇。

2 技術(shù)特點(diǎn)

NB-IOT作為L(zhǎng)PWAN（LOW-POWER WIDE-AREA NETWORK，低功耗廣域網(wǎng)）的技術(shù)代表，與其他熱門(mén)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)例如eMTC、EC-GSM、Sigfox、LoRa等從技術(shù)參數(shù)而言，差異性如圖1。 Sigfox、LoRa和GSM、Nb-iot的區(qū)別則是前兩者工作在非授權(quán)頻段，后兩者是工作在授權(quán)頻段，有3GPP組織進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)定義。[6]NB-IOT和GSM相比而言，又具備了更低功耗（電池壽命超過(guò)十年）、更低成本（每個(gè)模塊不足5美元）、更強(qiáng)覆蓋（比GSM增強(qiáng)20dB）以及更多連接（單個(gè)小區(qū)能支持10萬(wàn)連接）等幾大優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前最新、最熱門(mén)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。

NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。它聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)，具有窄帶、低速率、低功耗、低成本、高容量、廣覆蓋、多連接等特點(diǎn)。

1）窄帶：上行可選3.75KHz或15KHz帶寬，兩種模式（單音或多音）；下行OFDMA占用200KHz寬帶，兩邊各占用10K保護(hù)帶，子載波數(shù)量12，子載波帶寬15KHz。

2）低速率：上行速率峰值5.6-204.8kbit/s，下行速率峰值176-234.7kbit/s。

3）低功耗：聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時(shí)間可以從過(guò)去的幾個(gè)月大幅提升到幾年。

4）低成本： NB-IoT無(wú)需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的。

5）高容量：根據(jù)TR45.820中典型業(yè)務(wù)模型下的仿真測(cè)試數(shù)據(jù)，單小區(qū)可支持5萬(wàn)個(gè)NB-IOT終端接入。

6）廣覆蓋：NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強(qiáng)，不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對(duì)于廠區(qū)、地下車(chē)庫(kù)、井蓋這類(lèi)對(duì)深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。

7）多連接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3 NB-IOT應(yīng)用

盡管標(biāo)準(zhǔn)制定剛剛完成，NB-IOT應(yīng)用已經(jīng)逐漸鋪開(kāi)，并在實(shí)踐中得到了各方肯定。相關(guān)應(yīng)用主要在以下幾類(lèi)行業(yè)中：

1）交通行業(yè)。涉及車(chē)載信息服務(wù)、車(chē)載定位監(jiān)控、車(chē)載WIFI、車(chē)載視屏監(jiān)控、車(chē)輛防盜等。用戶只要安裝看APP即可通過(guò)收據(jù)查找附件停車(chē)位，并可支持導(dǎo)航等功能。與傳統(tǒng)的停車(chē)方案相比，這一基于NB-IOT的試點(diǎn)改變了需要通過(guò)中繼網(wǎng)關(guān)收集信息再反饋給基站所存在的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)部署、多網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、高成本等諸多問(wèn)題。

2）衛(wèi)生醫(yī)療。涉及無(wú)線血壓計(jì)、兒童定位手表、老人智能手表等。

3）公共設(shè)施。涉及城市燈光管控、城市氣象監(jiān)測(cè)、城市設(shè)施監(jiān)控等方面。

4）物流業(yè)：涉及物流車(chē)輛調(diào)度、物流追蹤管理等。

5）抄表。涉及用戶水表、家庭燃?xì)獗?、用戶電表等?/p>

6）工業(yè)制造。涉及智能產(chǎn)品售后服務(wù)、智能工廠等。

7）企業(yè)能耗管理。涉及園區(qū)、大廈、企業(yè)等能源監(jiān)管。

8）智能家居。涉及家居智能監(jiān)控、家居安全防護(hù)等。

9）智能農(nóng)業(yè)。涉及農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等實(shí)時(shí)情況搜集和監(jiān)控。

10）商品零售行業(yè)：涉及移動(dòng)貨架、自動(dòng)售貨機(jī)、金屬POS機(jī)等。

4 NB-IOT面臨的挑戰(zhàn)

中國(guó)政府多次證實(shí)將在2020年實(shí)現(xiàn)5G商用，如今面向5G的各類(lèi)技術(shù)已經(jīng)迅速升溫，不少技術(shù)方案已經(jīng)逐漸落地。NB-IoT作為低功率廣域網(wǎng)的代表技術(shù)，也是5G非常核心和重要的部分，如圖2所示，低速率、低功耗、時(shí)延不敏感的設(shè)備將占據(jù)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中60%左右的份額。

但是NB-IoT作為一個(gè)全新標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，受到來(lái)自Sigfox和LoRa技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)壓力（產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟，商業(yè)化應(yīng)用較早），不過(guò)Sigfox和LoRa屬于非授權(quán)頻段，不被運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商看好。同時(shí)盡管NB-IoT市場(chǎng)前景廣闊，但火熱背后也存在著價(jià)格戰(zhàn)。NB-IoT成本極低，大規(guī)模應(yīng)用下成本將降至1美元，目前單個(gè)連接模塊還停留在5美元。而藍(lán)牙、Thread、ZigBee三種標(biāo)準(zhǔn)的芯片價(jià)格在2美元左右，僅支持其中一種標(biāo)準(zhǔn)的芯片價(jià)格還不到1美元，這種價(jià)格差距讓企業(yè)思考NB-IoT時(shí)不得不考慮成本優(yōu)勢(shì)問(wèn)題。

雖然運(yùn)營(yíng)商正在積極推動(dòng)，最終要真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)品化還有很長(zhǎng)的一段路要走。但不可否認(rèn)的是，由于廣域物聯(lián)所帶來(lái)了更高程度、更密集、更有效的數(shù)據(jù)，必將進(jìn)一步拓展物聯(lián)之后的智能生活范疇，這是前所未有的。同時(shí)隨著各個(gè)行業(yè)應(yīng)用的廣泛開(kāi)展， NB-IoT生態(tài)正在以一種勢(shì)不可當(dāng)?shù)膽B(tài)勢(shì)成形，為各行各業(yè)帶來(lái)巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

NB-IOT是技術(shù)演進(jìn)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的綜合產(chǎn)物，由于未來(lái)的市場(chǎng)被一致看好，設(shè)備廠商在標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中曾激烈爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額和話語(yǔ)權(quán)，但預(yù)期達(dá)到的特性指標(biāo)仍是基本一致的，標(biāo)準(zhǔn)也仍在加速制定中。目前產(chǎn)業(yè)鏈也在積極地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試及試商用，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，NB-IOT將很大可能會(huì)被廣泛應(yīng)用在不同的垂直行業(yè)，融進(jìn)人們的生活，并就此開(kāi)啟萬(wàn)物互聯(lián)的新領(lǐng)域、新時(shí)代。

參考文獻(xiàn)：

[1] 戴國(guó)華，余駿華. NB-IoT的產(chǎn)生背景、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究[J]. 移動(dòng)通信， 2016（7）.

[2] 奚加榮. NB-IoT應(yīng)用展望及生態(tài)協(xié)同[J]. 通信世界， 2016（25）.

[3] 曾云光. NB-IoT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)部署簡(jiǎn)論[J]. 中國(guó)新通信， 2016（21）.

[4] 嚴(yán)益強(qiáng). NB-IoT技術(shù)簡(jiǎn)介及其在智慧城市中應(yīng)用研究[J]. 廣東通信技術(shù)，2016（11）.

[5] 黃海峰. 華為余泉：2016年是NB-IoT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵年[J]. 通信世界，2016（5）.

[6] 米沃奇. NB-IoT為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展開(kāi)辟新道路[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2016（6）.