NB-IoT技术简介及其在智慧城市中应用研究

2016-12-12严益强

广东通信技术 2016年11期

［严益强］

［严益强］

智慧城市建设在我国已是遍地开花，如日中天。信息通信技术在智慧城市建设中发挥主力军作用。而物联网技术又是智慧城市建设的基石。在众多的物联网技术中，NB-IoT由于具有一系列优点引起产业链各方高度关注，并得到相关各方的积极推进。文章简要介绍NB-IoT技术原理，然后介绍在智慧城市建设中如何应用这一技术。

智慧城市物联网 NB-IoT LPWAN M2M平台

严益强

广东省电信规划设计院有限公司技术总监，研究方向：智慧城市，物联网。

1 智慧城市中常用无线物联网组网技术

物联网组网技术分为有线及无线两种。物联网无线通信技术有很多种，从传输距离上区分，可以分为短距离及远距离两类：（1）短距离无线通信技术，代表技术有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，通常在数十米至数百米；（2）远距离（广域网）无线通信技术，业界一般定义为LPWAN (Low Power Wide Area Network低功耗广域网)。LPWAN技术又可分工作在非授权频段和授权频段两类。非授权频段的技术，如Lora、Sigfox等；授权频段的技术，如GSM、CDMA、WCDMA等，以及LTE及其LTE-Advanced演进技术等。

NB-IoT（Narrow Band - Internet of Things) 属于3GPP 定义的新的窄带蜂窝通信LPWAN技术。

2 NB-IoT技术

NB-IoT具有如下特点：窄带、低速率、低功耗、低成本、高容量、广覆盖。

（1）窄带：上行（可选3.75KHz或15kHz带宽),两种模式（单音或多音 )；

下行：OFDMA(占用200kHz带宽，两边各占用10K保护带，实际占用180kHZ)，子载波数量12，子载波带宽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。

上行速率按3.75k单音（single-tone)、15k单音(single-tone)、15k多音(multi-tone)划分，下行速率按独立基站、保护带基站、带内基站三种布署方式划分。如表1。

表1 NB-IoT 上/下行速率一览表

（3）低功耗：借助PSM和eDRX可实现更长待机。其中PSM(Power Saving Mode）模式下，终端仍旧注册在网但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。eDRX进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。总之，通过简化无线协议，缩短发射/接收时间、单芯片SOC（Single-On-Chip)解决方案等措施，大大降低了功耗。典型应用情况下，一节AA电池可工作15年，满足大多数物联网应用场景需求。

（4）低成本：终端模块的成本对于物联网技术发展至关重要，特别是巨量接入的物联网应用场景，而NBIoT芯片成本低至1美元,模块的成本预估可控制在5美金以内，甚至更低。

（5）高容量:根据TR45.820中典型业务模型下的仿真测试数据，单小区可支持5万个NB-IoT终端接入。

（6）广覆盖:通过增加窄带功率谱密度，增加重传次数（16次），以及改进编码。总增益达20dB.

3 NB-IoT网络

NB-IoT网络由终端、基站、核心网、M2M平台及运营支撑系统等组成。NB-IoT网络结构如图1，由终端、基站、核心网、M2M平台、应用服务器等构成。由图1可以看出，NB-IoT由于简化了信令，具有与传统IMS/EPC不同的核心网控制设备（CIoT)。

（1）终端侧装置

主要由传感器、IOT芯片、嵌入式软件组成。目前已有商用化低成本、通用性极强的IOT SOC芯片，为规模部署IOT网络奠定了基础。

（2）NB-IoT基站

根据运营商无线频谱资源情况，可支持3 种部署方式：独立部署、保护带部署、带内部署。以中国电信为例：

图1 NB-IoT网络结构

独立部署：NB-IoT部署在独立的200kHz频谱。在879.105-880MHz之间有895kHz的空频谱。

保护带部署：850M频段，在LTE重耕5M带宽及以下的情况，单边保护带小于250k,不具备部署条件；1800M频段，LTE 15M及20M带宽配置下均可支持保护带部署.

带内部署：NB-IoT部署在LTE频段内。

基站建设中，应充分考虑共建共享，以提高资源利用率，降低建设成本。基站侧可以运用现有蜂窝网络相关设备和资源，实现共站点、共传输、共射频、共OM（SingleOM）系统等，从而快速实现对NB-IoT的部署，降低组网成本。如无法进行基站资源共享，可以采取基站升级或者新建NB-IoT基站。

（3）NB-IoT核心网

NB-IoT核心网与现有的核心网不同。其主要功能包括：移动性、安全性、连接管理；软SIM接入；时延不敏感终端适配；拥塞控制和流量调度；计费使用等。相关的实体包括有连入物联网业务的移动管理实体、服务网关、PDN网关等。

（4）NB-IoT平台装置

M2M平台主要功能包括：应用层协议栈适配，终端SIM OTA,终端设备、事件订阅管理，API能力开放（行业、开发者），OSS/BSS（自助开户，计费）以及大数据分析等。

M2M平台是应用级设备，无统一标准，各运营企业可根据自身业务发展需要定制M2M平台技术规范。

4 智慧城市中NB-IoT应用研究

智慧城市即利用新一代信息技术，让城市中各个功能彼此协调运作，为城市中的企业提供优质的发展空间，为市民提供更高的生活品质，让城市成为适合人的全面发展的城市。智慧城市技术体系由物联化体系、互联化体系及智能化体系三大部分构成。物联化体系将各种感应技术嵌入各种物体，感测各种物体的状态和变化并将其数字化，以获取城市运行中各个组件的数据和信息。互联化体系则通过不同方式将人、数据及各种事物联入网络，将物联化体系收集到的数据和信息在城市体系中进行传递，实现城市系统中个人、物体及组织之间的互联。智能化体系则利用云计算技术和超级计算机，对互联化体系传递来的海量数据进行整理分析，将最初的城市数据一步步转变成信息、知识、洞察力，以便城市管理者及时作出决策并采取适当措施。智慧城市应用总体视图如图2，可以看到，智慧城市应用极其丰富。而在智慧城市建设中，物联网技术发挥基础性作用。

图2 智慧城市应用总体视图

考虑到NB-IoT的特性，NB-IoT技术可满足对低功耗/长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务；同时由于对于移动性支持较差，更适合静态业务场景或非连续移动、实时传输数据的业务场景，并且业务对时延低敏感。GSMA（GSM联盟）识别了7个大类共24个LPWA应用分类。其中，与智慧城市相关的应用有：

（1）公共事业-智能水表、智能气表、给水系统监控、白电

（2）工业应用-设备状态监控、工业控制、进程与安全监控，能源基础设施、石油与天然气监控，自动贩卖机

（3）后勤保障-工业资产、货柜追踪：位置与状态更新

（4）智慧建筑-报警系统、采暖通风与空调系统、接入控制

（5）消费与医疗-穿戴设备、大型家电设备、宠物/小孩追踪、智能自行车、生活辅助、远程临床跟踪

（6）环境监控-污染、噪音、雨、风、河流流速、健康危害、数据搜集与实时监控

（7）城市设施-智慧停车、智能垃圾桶、智能灯杆

上述应用可以归结为以下四个类型：

（1）自主异常报告业务类型。如烟雾报警探测器、智能电表停电的通知等

（2）自主周期报告业务类型。如智能公用事业(煤气/水/电)测量报告、智能农业、智能环境等

（3）网络指令业务类型。如开启/关闭、设备触发发送上行报告、请求抄表

（4）软件更新业务类型。