付艷

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窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與關(guān)鍵技術(shù)淺析

付艷

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）的優(yōu)點(diǎn)為功耗低、覆蓋面廣。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的崛起，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在逐漸被更多的人所重視。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，滿足了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的各項(xiàng)要求。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是在2016年6月份確定下來(lái)的，并且在2016年冬季開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試并且試運(yùn)行，2017年上半年已經(jīng)開(kāi)始在商業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行運(yùn)用。通過(guò)研究窄帶物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其發(fā)展做了簡(jiǎn)要的闡述，從而為后續(xù)研究提供一定的參考。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用前景

引言

物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信存在很大的差別，物聯(lián)網(wǎng)具備大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽也缓馁M(fèi)大量的資金和能源，同時(shí)還能滿足各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。物?lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)與其他方式的數(shù)據(jù)傳輸最大的差別是安全性能。另外，低耗能的傳輸模式可以最大限度保證信息的安全性。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，窄帶物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的速度更快、安全性能更高?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有五大特點(diǎn)：大容量、廣覆蓋、低功耗、低成本和高穩(wěn)定性。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的重要構(gòu)成之一，具有現(xiàn)代化和創(chuàng)新性等特點(diǎn)，因此受到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的合理使用有助于短距離通信傳輸和廣域網(wǎng)通信傳輸，是3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織中提出的一種新型窄帶蜂窩通信技術(shù)。

相比而言，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別在于，具有強(qiáng)大的兼容性，通過(guò)在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)的基礎(chǔ)上來(lái)構(gòu)建新的形式，在使用過(guò)程中能夠有效解決室內(nèi)覆蓋范圍的問(wèn)題，支持各種分辨率的設(shè)備接入，對(duì)于低時(shí)延的現(xiàn)象比較敏感，有效降低了物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的設(shè)備成本，進(jìn)一步優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，確保物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)低功耗的優(yōu)勢(shì)[1-2]。目前，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用操作中還存在著不足之處，這就需要我們針對(duì)不同場(chǎng)景對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行仿真，以此來(lái)明確窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用特性，從而促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

從行業(yè)發(fā)展空間來(lái)看，根據(jù)Gartner預(yù)測(cè)，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)方面的支出增長(zhǎng)了22%，傳統(tǒng)的3G、4G網(wǎng)絡(luò)已無(wú)法滿足人們生活的需求。當(dāng)前，大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備仍然使用藍(lán)牙、Wi-Fi等連接方式，僅有10%使用了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。但是隨著現(xiàn)在社會(huì)越來(lái)越關(guān)注窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會(huì)得到大幅提升，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的推廣。這一現(xiàn)象也勢(shì)必會(huì)為運(yùn)營(yíng)商的投資提供新的收益[2]。

目前，我國(guó)有著相當(dāng)一部分的企業(yè)已開(kāi)始在經(jīng)營(yíng)過(guò)程中使用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并且拿到了全球三代合作伙伴的“通行證”，建立了一套完善精準(zhǔn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。這一點(diǎn)進(jìn)一步體現(xiàn)出了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高效性和迅捷性，也說(shuō)明了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以適用企業(yè)生產(chǎn)中的個(gè)性化需求。值得慶幸的是，有相當(dāng)一部分的企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始掌握與窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的核心研發(fā)技術(shù)。這一成果為企業(yè)在技術(shù)研發(fā)的過(guò)程中取得了領(lǐng)先的地位。

2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和工作模式

2.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)

（1）窄帶物聯(lián)網(wǎng)和其他物聯(lián)網(wǎng)一樣，具有和目前大部分網(wǎng)絡(luò)相同的帶寬，即180?Hz的帶寬。

（2）為了保障下行兩種模式能夠自由運(yùn)用，分別是多載波15?kHz和單載波的3.75?kHz，下行應(yīng)使用OFDMA，子載波間隔應(yīng)是15?kHz。

（3）窄帶物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸通道和信息，降低設(shè)備成本和能耗，使用了半雙工的方式。

（4）窄帶物聯(lián)網(wǎng)劃分為三個(gè)層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[3]。

人是萬(wàn)物之靈，任何一項(xiàng)活動(dòng)都要靠人去實(shí)踐，因此建立一支好的會(huì)計(jì)隊(duì)伍是會(huì)計(jì)職業(yè)道德建設(shè)的根本。那么如何建設(shè)會(huì)計(jì)隊(duì)伍呢？首先，在選用人上。在用人上除了是否具備從業(yè)資格等硬件條件外，更要注重個(gè)人的品行。在實(shí)踐中對(duì)那些品行不端的人堅(jiān)決不能任用。其次，在后續(xù)教育上。業(yè)務(wù)素質(zhì)的提升離不開(kāi)后續(xù)的教育，教育的途徑多種多樣，有職稱考試、會(huì)計(jì)人員從業(yè)資格的繼續(xù)教育、自考學(xué)歷等。企業(yè)要為那些想學(xué)、肯學(xué)的會(huì)計(jì)人員提供條件、搭建平臺(tái)。如：對(duì)考出的人員進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)、給予考前復(fù)習(xí)公休、統(tǒng)一聯(lián)系召集繼續(xù)教育的培訓(xùn)等。通過(guò)選用人、教育人打造一支道德品行、業(yè)務(wù)素質(zhì)過(guò)得硬的會(huì)計(jì)隊(duì)伍。

（5）覆蓋增強(qiáng)，低時(shí)延敏感。

根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，可以確定在獨(dú)立部署方式下，窄帶物聯(lián)網(wǎng)覆蓋能力可達(dá)164?dB，帶內(nèi)部署和保護(hù)帶部署還有待仿真測(cè)試。

在耦合耗損達(dá)164?dB的環(huán)境下，有著穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。由于大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)導(dǎo)致延時(shí)增長(zhǎng)，因此TR45.820中仿真測(cè)試了異常報(bào)告業(yè)務(wù)場(chǎng)景、保證99%可靠性、不同耦合耗損環(huán)境下的時(shí)延（區(qū)分有無(wú)頭壓縮）[4]。

（6）不支持連接態(tài)的移動(dòng)性管理。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造之初就被認(rèn)為能夠?yàn)檫m用移動(dòng)性支持不強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)景。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用同時(shí)也可簡(jiǎn)化終端的復(fù)雜性、降低功耗，Rel-13中窄帶物聯(lián)網(wǎng)將不支持連接態(tài)的移動(dòng)性管理，包括相關(guān)測(cè)量、測(cè)量報(bào)告、切換等。

2.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的工作模式

窄帶物聯(lián)網(wǎng)目前局限于FDD模式的數(shù)據(jù)傳輸。目前所采用的主要的帶寬是180?kHz。同時(shí)窄帶物聯(lián)網(wǎng)有三種工作模式。

（1）Standalone模式：可以利用單獨(dú)的頻帶，適合用于GSM頻段的重耕。

（2）Guardband模式：可以利用LTE系統(tǒng)中邊緣無(wú)用頻帶。

（3）Inband模式：能夠使用LTE載波中間的任何資源塊。對(duì)于Inband模式來(lái)說(shuō)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)無(wú)限接近于LTE資源塊，為了避免干擾，3GPP要求窄帶物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)的功率譜密度與LTE信號(hào)的功率譜密度不得超過(guò)6?dB。

這三種工作模式都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，在今后的發(fā)展過(guò)程中都需要進(jìn)行改良。

3 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 PSM（Power Saving Mode）

PSM就是所謂的低功耗形式，其原理是允許UE在進(jìn)入空閑態(tài)一段時(shí)間后，關(guān)閉信號(hào)的收發(fā)和AS（接入層）相關(guān)功能，相當(dāng)于部分關(guān)機(jī)，從而減少天線、射頻、信令處理等的功耗消耗。

特點(diǎn)概括如下：

（1）在節(jié)電狀態(tài)時(shí)，終端不可達(dá)，但保留登記信息；尋呼在非節(jié)電狀態(tài)進(jìn)行。

（2）時(shí)間常數(shù)PSM Time：10?min～310?h。

（3）目標(biāo)10年的電池壽命（2×AA），極大地降低維護(hù)、部署成本，極大地促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，減少系統(tǒng)心信令載。

3.2 eDRX（Extended Discontinuous Reception）

eDRX即非連續(xù)接收。從字面上即可看出，eDRX是對(duì)原DRX技術(shù)的增強(qiáng)，即支持的尋呼周期可以更長(zhǎng)，從而達(dá)到節(jié)電目的。

特點(diǎn)概括如下：

（1）目標(biāo)達(dá)10年的電池壽命對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用很關(guān)鍵。

（2）eDRX從規(guī)范的角度延長(zhǎng)了終端與無(wú)線系統(tǒng)間的不連續(xù)接收時(shí)間，節(jié)省終端電源。

（3）可配置時(shí)間常數(shù)2.5?s～44?min。

3.3 傳感器技術(shù)

眾所周知，至今而言幾乎所有的計(jì)算機(jī)都是處理數(shù)字信號(hào)。同樣在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，傳感器的模擬信號(hào)也要轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以此方便計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

到目前為止，絕大部分計(jì)算機(jī)都依賴于數(shù)字信號(hào)進(jìn)行工作處理。因此，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都需要傳感器的適用，以此把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這種操作模式在物聯(lián)網(wǎng)也是一樣的。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，必須通過(guò)傳感器的適用，來(lái)完成數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，才可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別處理。

3.4 RFID標(biāo)簽技術(shù)

RFID融合了無(wú)線射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)。RFID被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)識(shí)別、物品物流管理應(yīng)用中，有著良好的發(fā)展場(chǎng)景。

3.5 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是一種綜合的復(fù)雜技術(shù)，包含了計(jì)算機(jī)軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，載入了嵌入式系統(tǒng)的智能終端產(chǎn)品廣泛存在于我們的周圍，從隨身攜帶的MP3到衛(wèi)星系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)正在影響著我們的生活，同時(shí)推動(dòng)著工業(yè)的發(fā)展。如果將物聯(lián)網(wǎng)比作是人的身體，那么傳感器就是人們的感官系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)就是神經(jīng)系統(tǒng)，而我們所講的嵌入式系統(tǒng)就是大腦——分類處理接收到的信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定水平才產(chǎn)生的，并且應(yīng)用范圍非常廣泛。隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用，我國(guó)可以進(jìn)行窄帶物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)工作，將窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為重點(diǎn)通信工程進(jìn)行發(fā)展。窄帶物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代科學(xué)手段產(chǎn)生的結(jié)果。隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)的大范圍應(yīng)用，我國(guó)窄帶物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)工作也開(kāi)始全面展開(kāi)，但窄帶物聯(lián)網(wǎng)仍然有自身的發(fā)展局限性，因此仍需要我們不停地探索和改善。

[1]鄒玉龍，丁曉進(jìn)，王全全. NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J]. 中興通訊技術(shù)，2017，23（1）：43-46.

[2]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，2016，40（7）：31-36.

[3]趙靜. 低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 移動(dòng)通信，2016，40（7）：27-30.

[4]劉毅，孔建坤，牛海濤，等. 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探討[J].通信技術(shù)，2016，49（12）：1671-1675.

Analysis of Narrowband Internet of Things Standards and Key Technologies

Fu Yan

China Mobile Communications Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080

The advantages of narrow-band Internet of Things (NB-IoT) technology are low power consumption and wide coverage. With the rise of Internet of Things technology, narrow-band Internet of Things technology is gradually being taken seriously by more people. The emergence of the Narrow Band Internet of Things has brought about tremendous changes in the field of Internet of Things and has met the requirements of the development of the Internet of Things industry. The standards for the narrow-band Internet of Things were determined in June 2016, and they began to be tested and trial run in the winter of 2016. In the first half of 2017, they have begun to be used in the commercial field. Through studying the key technologies of narrow-band Internet of Things, a brief explanation of its development is provided, which provides a certain reference for follow-up research.

narrowband Internet of Things; key technology; application prospect

TN929.5；TP391.44

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