浅谈NB-IoT窄带物联网技术的应用与挑战

冷汶锴 何 立 刘 刚



浅谈NB-IoT窄带物联网技术的应用与挑战

冷汶锴 何 立 刘 刚

中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041

近年来，随着物联网业务的飞速发展，NB-IoT作为现阶段我国物联网结构体系中的重要分支，凭借自身在蜂窝网络结构技术以及运行成本等方面的优势与商业价值，逐渐成为物流网发展的主流。因此，主要介绍了NB-IoT技术的相关特性和应用发展情况。

NB-IoT；物联网；应用；挑战

传统物联网接入技术可分为近距离无线接入技术和蜂窝移动通信技术两类。这两类技术都有其优势与不足。因此，为满足物联网众多远距离设备的连接需求，又产生了LPWA（Low Power Wide Area，低功耗广域覆盖）技术。LPWA具有覆盖广、海量连接、低功耗和低成本的特点，非常适合需要远距离传输、通信数据量较少、电池供电运行的物联网设备[1]。NB-IoT（窄带物联网）技术根据其相关特性，成为技术LPWA中一门主流物联网接入技术。通过介绍NB-IoT技术的相关特性，详细了解了NB-IoT技术的应用和面临的挑战。

1 NB-IoT技术的相关特性

1.1 NB-IoT技术的基本特性

NB-IoT窄带物联网技术由NB-CIoT与NB-LTE两项技术融合而来。通常认为，NB-IoT窄带物联网技术具有4大优势：一是低功耗，终端模块的单电池工作时间可长达10年；二是低成本，单片芯片成本目标为1美元，而模块预期价格不超过5美元；三是覆盖广、穿透能力强，相当于多穿透一堵墙体，适用于覆盖地下车库、地下管井等密闭空间；四是大连接，NB-IoT具备支撑海量连接的能力，一个扇区最大可支持10万个连接，是传统的移动通信容量的50～100倍[2]。

1.2 NB-IoT技术的物理层特性

1.2.1 部署方式

NB-IoT基于现有的蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的带宽，就可以直接部署在已有的GSM网络、UMTS网络和LTE网络中，并在现有移动通信设施上实现平滑升级，部署成本低[3]。NB-IoT具有以下3种部署模式：

（1）独立部署，即Stand-alone模式，独立的频带部署，利用目前GSM/EDGE无线接入网（GERAN）系统占用的频谱，替代已有的一个或多个GSM载波，与LTE中的频带不重叠；（2）保护带部署，即Guard-band模式，利用LTE频带中边缘频带；（3）带内部署，即In-band模式，利用LTE频带进行部署。

1.2.2 NB-IoT上行链路支持2种技术

（1）两种带宽：3.75 kHz，功率谱更大、覆盖更好；15 kHz，速率高、时延小。（2）两种模式：Single Tone，1个用户使用1个载波，低速应用；Multi—Tone，1个用户使用多个载波，高速应用，只支持15 kHz。

1.2.3 NB-IoT下行链路采用OFDMA 15 kHz

占用200 kHz带宽（两边各留10 kHz保护带，实际占用180 kHz）。子载波带宽：15 kHz；子载波数量：12。

NB-IoT的物理信道通过降低目标速率、多次传输、采用低阶调制方式等措施，达到增加覆盖、降低成本、降低功耗的目的。

1.3 NB-IoT的网络特性

NB-IoT系统采用了基于4G LTE演进的分组核心网（EPC）网络架构，并结合NB-IoT系统的大连接、小数据、低功耗、低成本、深度覆盖等特点对现有4G网络架构和处理流程进行了优化[4]。

2 NB-IoT的应用情况

物联网应用场景可以分为低速、中速、高速三类，这里的速率有两个层次的含义：一是它本身的通信带宽的速率要求多高；二是终端的移动性本身也存在速度较低的问题[5]。

NB-IoT在低速移动场景中具有突出的技术优势，功耗低、覆盖广，而且还可以和现有的基站共用。电信运营商的网络覆盖到哪，NB芯片的终端就能连接到哪。低速移动的应用场景有典型的几个方面：

（1）交通行业，涉及车载信息服务、车载定位监控、车载Wi-Fi、车载视屏监控、车辆防盗等。用户只要安装App即可通过收据查找附件停车位，并支持导航等功能。与传统的停车方案相比，这一基于NB-IOT的试点，改变了通过中继网关收集信息再反馈给基站中存在的复杂网络部署、多网络组网、高成本等问题。

（2）卫生医疗，涉及无线血压计、儿童定位手表、老人智能手表等。

（3）公共设施，涉及城市灯光管控、城市气象监测、城市设施监控等方面。

（4）物流业，涉及物流车辆调度、物流追踪管理等。

（5）抄表，涉及用户水表、家庭燃气表、用户电表等。

（6）工业制造，涉及智能产品售后服务、智能工厂等。

（7）企业能耗管理，涉及园区、大厦、企业等能源监管。

（8）智能家居，涉及家居智能监控、家居安全防护等。

（9）智能农业，涉及农业养殖等实时情况搜集和监控。

（10）商品零售行业，涉及移动货架、自动售货机、金属POS机等。

3 NB-IoT技术面临的挑战

3.1 NB-IoT技术的安全问题

对于物联网来说，网络安全一直是个大问题。物联网网络体系结构分为3个层次：第1层是感知层，作用为获取信息；第2层是网络层，作用为传输数据；第3层是应用层，作用为最终达到物联网应用的目的。类似于一般的物联网感知层，NB-IoT的感知层容易遭受被动攻击和主动攻击这两种性质的攻击[6]。被动攻击者可以通过窃取链路数据、分析流量特征等各种手法获取NB-IoT终端的信息和用户的隐私信息；主动攻击者会破坏信息的完整性，因此对NB-IoT网络的危害程度远远大于被动攻击。两种类型的攻击方式可以通过数据加密、身份认证、完整性校验等密码算法加以防范[7]。

3.2 NB-IoT技术干扰问题

由于NB-IoT网络环境中，大量短距离、微功率无线电设备的应用，将使RFID与传感器遭受外部无线电攻击的机会大增，从而产生新的干扰，并导致空中电磁环境日趋复杂，而且NB-IoT无线电环境中的自扰与互扰的现象也十分严重。另外，由于物联网厂家太多，NB-IoT设备的互操作和一致性也是个问题，还有部署和长期应用问题，与其他LPWAN技术（LoRa等）的竞争以及对移动性支持欠缺的问题，都是NB-IoT发展过程中需要考虑的问题。

4 结语

NB-IoT窄带物联网技术是一种低功耗、低成本，且工作在授权频段的广域物联网技术。本文讨论了NB-IoT相关的关键技术和应用情况，并提到了其面临的有关挑战。随着3GPP对NB-IoT技术的持续推进以及物联网技术作为未来5G技术的重要组成部分，已得到越来越多厂家、运营商以及政府机构的重视，其真正大放光彩的时机已不远了。

[1]林长勇.基于NB-IoT的物联网应用研究[J].信息与电脑（理论版），2017（17）：167-168，171.

[2]戴国华，余骏华.NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J].移动通信，2016，40（7）：31-36.

[3]NB-IoT System for M2M Communication. RATASUK R，VEJLGAAD B，MANGALVEDHEN[C]. 2016 IEEE Wireless Communications and Networking Conference，2016.

[4]Technical Specification Group Radio Access Networks； Narrowband Internet of Things （NB-IoT）[C].Technical Report for BS and UE radio transmission and reception（Release 13），3GPP TR 36.802 V0.3.0（2016-05）.

[5]奚加荣.NB-IoT应用展望及生态协同[J].通信世界，2016（25）：52-53.

[6]孙知信，洪汉舒.NB-IoT中安全问题的若干思考[J].中兴通讯技术，2017（1）：47-50.

[7]何廷润.NB-IoT的无线电环境安全面临新挑战[J].通信世界，2017（14）：9.

Discussion on the Application and Challenge of NB-IoT Narrowband Internet of Things

Leng Wenkai He Li Liu Gang

China Electronic Technology Group Corporation 13th Research Institute, Sichuan Chengdu 610041

In recent years, with the rapid development of Internet business, NB-IoT is an important branch of China’s Internet structure system. By virtue of their own advantages and commercial value in the cellular network technology and cost, NB-IoT has gradually become the main stream of the development of the logistics network. The paper will mainly introduce the related characteristics and application development of NB-IoT technology.

NB-IoT; Internet of Things; applications; challenges

TN929.5；TP391.4

A

1009-6434（2017）11-0018-02