基于NB-iot窄带物联网智能应用

殷武峰

中国铁塔股份有限公司江西分公司 江西南昌 330000

1 NB-iot的演近史

NB-iot作为低速物联网的一种通信方式，主要适用于需要频繁传输且传输数据量少的场景，将会在以下领域大放异彩：以物品追踪、智能停车、智能抄表为代表的智能生产、智能城市、智能家居等。2014年华为与英国沃达丰共同提出NB-M2M（Machine to Machine）。同年7月，美国高通和华为提出NB-OFDMA融合解决方案。即下行采用15kHz子载波。2015年5月左右，在沃达丰、高通和华为等公司成立工作组后，真正融入该技术，将LTE-M演化为 Cellular IOT，命名为 NB-CIoT（Narrow Band Cellular IoTInternet of Things using3GPP technology）。2015 年 7 月，NB_LTE跟NB-CIoT进一步融合形成NB-iot。最终在2015年9月的RAN#69会议，全会达成统一，NB-iot（Narrow Band IoT）是NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案的融合[1]。

2 NB-iot关键技术

2.1 低成本技术方案

（1）采用新物理层方案，从而降低器件复杂度。主要有多址技术：上行采用SC-FDMA，下行采用OFD鄄MA；子载波带宽：上行3.75kHz/15kHz，下行15kHz；发射功率上行23dBm，下行43dBm；帧长度上下行均是1ms；符号重复最大次数上下行均是32；TTI长度上行1ms/8ms，下行1ms。

（2）采用新硬件结构，从而裁剪不必要的硬件。相对于Cat-4、Cat-0，NB-iot简化了硬件结构，芯片的配置及复杂度降低。

（3）采用新空口协议，从而降低芯片运算开销。通过协议栈优化，减少了在芯片协议栈处理流程的开销。

除了上述措施，还可以通过优化RF和信号处理器、规模效应、仅仅支持单一的无线接入技术、支持单一频率、降低CMOS晶体管的成本等措施进一步降低成本。

2.2 提高电池寿命的技术-节电工作模式

物联网应用一项重要指标是低功耗特性，对于一些不能经常更换电池的设备和场合尤为重要，如安置在高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备，长达几年的电池使用寿命是最本质的需求，因为它们不可能像智能手机一天一充电。新增的“节电”工作模式刚好满足这一需求。在这种模式下，终端仍在网络中注册，但信令无法到达，因此终端可以长时间处于深度睡眠状态以节省功耗。在周期性TAU为10min，每周对设备上传一次数据的条件下，两节5号电池就可以使用132月（大约11年之久）。

2.3 覆盖增强技术

（1）上行功率谱密度增强约7dB。以典型IOT设备（功率23dBm）为例，上行3.75kHz子载波，相对于LTE上行180kHz，提升7dB功率谱密度。

（2）重复传输（Repetition）。通过将信号码元的传输时间延长，虽然使信息的传输速率降低，但是其在编码或者译码上的可靠性得到提高，尤其是在低信噪比的接收环境下。除此之外，还可以通过放宽性能要求、部署Small Cell基站、设计新的信号和信道结构来增加覆盖范围。

2.4 低消耗关键技术

NB-iot集中在小数据、小速率等方面的应用，因此，NB-iot消耗十分低，其终端待机时间能够持续10年。NB-iot借助PSM技术与EDRX技术以保证设备时刻在线，并可以避免不必要的信令传输，以及PSM状态下不接收寻呼信息。

（1）PSM技术。借助PSM技术可关闭终端射频，此时与关机状态类似，不接收寻呼信息，也不接收业务呼叫，下行处于不可达状态。该阶段，若有数据信息送达到了MME中，MME会传递给SGW缓存数据同时延迟寻呼。若上行需要发送信令或者数据，此时终端需要退出PSM状态，同时触发随机连接状态。由于此时终端仍处于在线状态，因此用户上下文仍然保留在核心侧，而不需要再建立或者附着PDN。即是说，PSM技术能够保证用户仍然处于在线状态但是信令不可传递，该状态下终端处于类似于关机的睡眠状态，进而实现省电目标[2]。

（2）EDRX技术。EDRX技术是3GPP P13引进的新技术。在R13前便已经存在DRX技术，而EDRX技术是DRX技术的升级加强版，其支持的寻呼时间更长，能够实现省电目的。具体来看，DRX技术属于移动网络中十分成熟的技术，其自2G时代开始，历经了3G、4G，到如今的5G时代仍然在使用，DRX技术可以让终端设备某些情况下进入休眠中，不用监听PDCCH子帧。当需要监听时就会从休眠状态下醒来。

终端根据是否需要传送数据将其划分为空间状态与连接状态。UE在某个区域进入空闲状态时，之后随机接入后又可以马上转换为连接状态。空闲状态主要功能是监听寻呼，但是DRX技术下无需实时监听，终端只需要监听带有寻呼标识的数据即可。DRX周期内只需要进行1次寻呼接收即可，故而，周期越长越省电。加强升级版的EDRX技术寻呼周期较DRX技术更长，也因此更加省电[3]。

3 NB-iot应用场景

NB物联网技术可以满足低功耗、长待机时间、覆盖深度、大容量、低速率服务的要求。它更适合于静态业务、对时延低灵敏度、不连续的移动、实时数据传输场景。NB-iot广泛应用于多种垂直行业，如智慧物流、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。比如福建好运联联已率先将NB-iot技术应用到物流行业；自主研发车载宝智慧物流系统，实时采集人、车、货全方位数据，实现可预警、可回溯、异常状态一目了然。此外，在农业和环境方面，如农业物联网、畜牧业、空气实时监测、水质实时监测；在移动支付、智能社区、智能家居、文物保护等其他应用领域。NB物联网技术与传感器相结合，外壳全密封，成本低，散落在野外、水下、山林中，只要网络覆盖到位，就能帮助农业生产上一个大台阶。对于近郊和部分已覆盖区域，NB物联网可以极大地改善水产业、温室、花卉等高附加值的农业生产和流通领域。

4 结语

综上所述，NB-iot技术填补了以往无法进行远程、大规模、广泛部署的技术空白，是物联网技术的重大突破，快速确立的技术标准为其进入商用阶段也奠定了良好的基础。工信部也给出了物联网发展目标。坚定了运营商推动NB-iot基站建设的决心。因此，应积极进行NB-iot技术研究与创新，更好地推进NB-iot的发展，促使全球通信的发展。