NB—IOT技术及应用探讨

张莉

摘要：物联网接入技术种类繁多，NB-IOT作为新兴技术具有其独有的特性及适用范围。该文介绍了NB-IOT的技术由来及特性，并以现网案例说明NB终端接入网络的流程，在此基础上对NB-IOT应用场景进行了探讨。

关键词：物联网；NB-IOT；流程；应用场景

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）35-0050-02

Exploration of NB-IOT Technology and Application

ZHANG Li

（China Telecom Co Anhui Branch， Heifei 230001 ，China）

Abstract： The access technology of Internet of things access is very wide，NB-IOT as emerging technology has its unique characteristics. In this paper， the origin and characteristics of NB-IOT are introduced， and the flow of NB terminal access network is described with the existing network case. On this basis， the application scenario of NB-IOT is discussed.

Key words： template； format； NB-IOT； process； application scenario

1 概述

2017年6月，工信部下发《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》。要求建设广覆盖、大连接、低功耗移动物联网（NB-IoT）基础设施、发展基于NB-IoT技术的应用，促进“大众创业、万众创新”和“互联网+”发展；网络部署方面要求到2017年末，实现NB-IoT网络覆盖直辖市、省会城市等主要城市，基站规模达到40万个。到2020年，NB-IoT网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个。

由此引起广泛的关于NB-IoT技术及应用的探讨。本文介绍了NB-IOT的技术由来及特性，并以现网案例说明NB终端接入网络的流程，在此基础上对NB-IOT应用场景进行了探讨。

2 NB-IOT技术概述

2.1 概述

物联网是由物主动发起传送、物物相连的互联网，顾名思义，人主动控制信息传送非物联网范畴。依据这个概念出现了物连物（M2M）和物主动连人（M2P）的连接新时代。

随着人们对移动网络实时性、高速率的越来越高的追求，蜂窝移动通信网络由2G、3G发展到如今的4G+阶段，5G的研发和商用也在如火如荼进行，移动网络速度由几十Kbps发展到几百Mbps甚至更高，但鉴于物与物连接阶段的独特特性，这些飞速发展的网络并不适用。

NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少、架构优等特点。

2.2 物联网接入技术比对

在物联网接入技术中，包括短距技术、广域连接技术，其中广域连接技术指传统蜂窝网（2G/3G/4G）和LPWA等。针对新型网络连接技术LPWA，根据标准类型的不同，分为3GPP LPWA和非3GPP LPWA，前者包括eMTC/NB-IOT，后者包括SigFox和LoRa。

图1 物联网接入技术

相比非授权频段的LoRa及Sigfox技术，电信级的eMTC技术及NB-IOT技术更加安全可靠。各LPWA技术的网路定位見表1。

表1 LPWA技术的网络定位

为适应物联网的应用，3GPP制定了一系列增强型的标准，他们的速率呈倒金字塔型，见表2。这一系列的标准也达到广覆盖、多连接、低功耗、低成本的目标。

Cat0：向Cat M1演进的过渡版本。

eMTC： 增强型机器类型通信。信道带宽和射频接收带宽均为1.4MHz；降低了终端复杂度及功耗。

NB-IoT：“窄带物联网”Narrow-Band IoT（NB-IoT），接收带宽仅200kHz。进一步降低功耗，提升覆盖，尤其是遮挡区和地下覆盖环境。

3 NB-IOT网络架构及业务流程

3.1 NB-IOT网络架构

NB-IOT设计的优点是都能部署在现在的LTE网络，只需要对基站和核心网的软件进行升级即可，不需要为IoT物联网通讯专门设计并建设一个专门网络，可以大大降低建设成本。

NB-IOT的网络架构与LTE一致，在LTE网络架构上进行了功能优化与裁剪。

网络侧接口：S1、S6a、S11、S5/S8、Uu。

针对NB-IOT的数据传输方案，3Gpp引入了两种模式：CP模式和UP模式。

CP模式：无需建立空口数据无线承载（DRB）和S1-U连接，直接通过NAS消息传输数据，空口承载使用SRB，MME将数据报文进行GTP封装后通过S11-U接口送给SGW。UE进入空闲态后，不支持RRC连接重建立过程。

UP模式：与LTE用户相同，数据传输使用DRB承载。增加RRC-Suspended状态，前一次传输数据的用户面连接被挂起，下次传输可恢复挂起的用户面连接，无需新建用户面连接。与CP方案相比，UE和基站需要保存用户面连接相关上下文。

针对NB-IOT，3gpp协议规定：CP模式为必选方案，UP模式为可选方案。

3.2 NB-IOT信令及业务流程

CP模式为NB-IOT必选模式，下文即针对此模式分析信令及业务流程。CP模式数据传输前空口消息量较少。

图3为CP模式。

NB用户附着及业务流程：

1） 发起Attach Request附着请求，MME收到请求后对UE进行鉴权流程，之后MME根据UE当前的TA，判断RAT为NB-IoT，MME发给HSS的Update Location Request消息里的RAT为NB-IoT。

2） Create Session Request/Response消息传送MME和SGW建立连接所需的S11-C TEID（控制面）及S11-U TEID（用户面），并携带RAT type为NB-IoT。

3） 上下行业务数据报文通过S11-U接口进行转发。

4 NB-IOT关键特性及应用场景

4.1 NB-IOT关键特性

1） 大链接：小包传输优化空口信令开销，减少无限资源占用。在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。支持低延时敏感度、设备低成本、低功耗，能很好地满足未来智慧家庭中大量设备联网需求。

2） 覆盖增强：NB-IoT覆盖增强20dB增益，可很好地提升室内覆盖深度和覆盖概率。对于农村、车库等深度覆盖有要求的应用较适用。

3） 低功耗：芯片复杂度降低，工作电流小；空口信令简化，减少单次传输功耗；同时PSM/eDRX机制进一步优化了信令交互传输功耗；长周期TAU，减少发送位置更新，降低功耗，设备续航时间大幅提升。

4） 低成本：NB-IoT的射频和天线基本上都是复用的。180kHz窄带系统，系带复杂度降低；低采样速率，对缓存要求较小；低速率、低功耗、低带宽给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。

4.2 NB-IOT应用场景

GSMA研究报告定义了7种LPWA应用分类，包括：智慧楼宇、智慧城市、农业和环境、消费电子、物流、公共事业、工业应用。

NB-IOT因其“两高两低”特性（高连接、高覆盖、低成本、低

功耗）及低移动性、时延不敏感特性，尤其适用于非常适合应用于无线抄表（Metering）、传感跟踪（Sensor Tracking）这些领域，通过物联网技术在这些领域的实施，可以大大降低管理成本，让网络管理者可以随时掌握各种运营数据。

应用举例：

1） 智能井盖：在普通井盖中部署NB-IOT，可以进行水位监控、位置上报、破损监控等；

2） 智能水表：普通水表中部署NB-IOT，可定时上报水表数据，减少人工抄表的繁琐及工作量。同理，电表、燃气表也可以通过该技术减少人工成本。

3） 智能停车场：在普通停車场车位中部署NB-IOT，可快速找车位、预约车位、自助缴费，既节约了各位车主时间，也可提高收费透明度。

5 结束语

NB-IOT最适宜的场景是固定/游牧终端、小数据量、低频次、终端主动上报模式的应用，能够充分利用低功耗的特性。

现如今大量不同的物联网应用场景有着不同的通信需求，合理地选择恰当的无线物联网网络以及综合利用各种网络的能力成为物联网产品和项目成功实施的关键要素之一。

参考文献：

[1] 纪伟. NB-IOT 的发展现状及运营商发展策略[J]. 通讯世界， 2016（21）：71-72

[2] 赵艳薇. 3GPP通过NB-IoT标准物联网行业蓄势待发[J]. 通信世界， 2016（17）：67.

[3] 许文强，祁昊颖. NB-IoT试商用组网方案[J]. 电子技术与软件工程， 2016（23）：23.

[4] WANG S， FAN C， HSU C H， et al. A Vertical Hand off Method via Self-Selection Decision Tree for Internet of Vehicles [J]. IEEE Systems Journal， 2014（99）：1-10.