NB-IoT物联网技术文献的知识图谱分析

吴逸豪，姚文沁，刘俊婉

（1.北京工业大学 信息学部，北京 100124；2.北京工业大学 经济与管理学院，北京 100124）

0 引 言

互联网是新兴信息技术的一个重要组成部分，而信息技术行业中普遍存在紧密的联系，涉及到多个硬件与软件的协同。物联网是连接的硬件设备的互联网，其通过各种信息传感器如红外传感器、超声波传感器、陀螺仪、烟雾探测器等各种设备与装置实时采集设备获取信息[1]。

随着物联网技术的应用和成熟，人们开始制定各种物联网技术标准。NB-IoT是物联网技术的重要技术标准之一。NB-IoT中文译名为窄带物联网，于2016年MWC大会上面世。由于NB-IoT具有功耗低、覆盖面广的特点，越来越受到人们的重视，NB-IoT的研究成为一个热门话题。

基于此，本文以2016—2020年中国知网数据库（CNKI）中收录的与NB-IoT技术有关的论文为研究对象，使用文献计量学相关方法，利用CiteSpace知识图谱工具和Excel解析了国内NB-IoT技术的物联网研究现状，分析了高产作者、研究机构、关键词等方面的内容。研究结果表明：NB-IoT技术发展呈增长态势，我国已成为研究、建立全球物联网络的重要推动力，但研究人员对于此技术研究上的合作和重视程度有待进一步加强。

1 研究现状

随着经济全球化、现代科学研究活动的进一步加强，科学传播的重要性就显得格外重要。文献作为科学研究成果的媒介，其相互引用可体现出各种研究之间的联系，使得各种研究成果紧密地与各种学科的研究体系嵌套在一起。由此，引文分析就显得格外重要。

引文分析既是一种对与文献引用和被引、印证关系进行分析的方法，又是包括对于文献引文关系进行分析的原理、方法、应用的一门学科。引文分析已经成为了科学计量学的基础和主流，成为了一门相对成熟的子学科—引文分析学[2]。

目前对于NB-IoT物联网技术发展研究及分析主要集中在以下几个方面。

1.1 技术角度看NB-IoT的产业、标准发展趋势[3-11]

在此，从一些高被引文献中遴选出了一部分针对NBIoT技术的标准、发展趋势进行讨论和研究的文章。黄文超曾深入分析过NB-IoT低速物联网技术的发展现状和未来的发展趋势[3]；张万春等曾对NB-IoT的低功耗、低成本等特性进行了分析，并分析了物联网技术及其产业链的发展[5]；戴国华等曾介绍过NB-IoT技术的产生背景，NB-IoT技术的相关分类，以及相关通信标准的发展现状、NB-IoT的业界发展情况[9]。以上作者的研究方向和从事的工作通常与NBIoT产业或技术连接紧密，并在自己的认知范围内进行分析和剖析，但缺少跨专业、跨学科的、更加客观的分析内容。

1.2 NB-IoT技术的建议、政策分析[12-16]

在筛选出的部分文献中，顾向锋针对中国电信的NBIoT网络部署背景进行介绍，然后对网络建设、发展中面临的挑战进行了详细分析，给出了相关的解决方案与发展建议[12]；彭雄根等分析了NB-IoT目前的发展状况，并结合国内的实际情况提出了NB-IoT部署方案和建议[4]；孙彪针对NB-IoT目前可行的几种建网策略进行了分析，并结合国外高端运营商的运营经验总结国内使用升级和全新建网两种方式的优缺点，提出了针对全新建网的建议[15]。对于NB-IoT技术的政策分析和建议研究故然重要，但不可缺乏对于其发展状况的宏观掌握。目前，国内鲜有针对NB-IoT产业的信息计量学研究。

1.3 NB-IoT技术的专利研究

在NB-IoT领域文献当中仅有一篇文章针对相关的专利情况进行了分析。李国红等针对NB-IoT无线空口技术在全球以及国内的专利情况进行了介绍、分析，并对国内NBIoT技术的专利布局情况提出了相关建议[17]。对于全局的专利情况的掌握与分析有助于保护NB-IoT产业的知识产权，促进发展。

本文以上述几种分析为基础，引用来自于CNKI数据库的引文数据，深入分析NB-IoT行业的发展现状，以避免由于NB-IoT技术持续发展、复杂性增强而导致的判断难度上升、判断失真等问题。

2 数据收集

本文依据所检索到文献的相关特征，使用统计学方法对NB-IoT的研究与发展现状进行探讨、预测[18]。

2.1 数据检索

为了保证采集数据的质量，本文将国内具有代表性的中国知网数据库作为数据源，检索表达式为：

SU=“nb”and SU=“iot”and

FT=“物联网”or SU=“窄带物联网”

以上述检索表达式作检索条件进行检索，文章发表时间限定为2016年1月1日—2020年4月19日，最终检索出1 753条结果。

2.2 数据转换

将检索到的数据从网站上导出。在CiteSpace软件中，由于CNKI仅支持RefWorks格式的数据，因此导出时。选择RefWorks格式。导出的文献条目中包含论文标题、论文作者、发表时间、关键词、机构、来源、摘要等信息。导出后，在CiteSpace中进行去重操作，过滤掉重复的文献。

2.3 数据处理

在本文中，使用Excel对论文年度发表数量、研究机构贡献等数据进行统计和图表绘制，对于关键词、作者等可视化图谱使用CiteSpace软件进行分析。在本文中使用的Excel版本为Excel 2019版，Citespace版本为5.6.R4版。

3 数据分析

3.1 NB-IoT技术相关论文年度发表数量

NB-IoT物联网技术的研究文献年度发表情况如图1所示。年度论文数量折线图可以直观地分析出一个领域的发展概况。在CNKI数据库中，收录最早的文献是2016年武汉邮电科学研究院方雪的硕士论文，其在NB-IoT技术尚未正式公布之前就使用了窄带蜂窝数据网络设计了新型的MAC层。在2016年NB-IoT技术刚刚问世时，仅发布了152篇相关论文，但在2017年度有关NB-IoT技术的研究论文呈快速增长态势，表明该技术在面世之后即受到了研究人员的广泛关注[19]。在2017年度NB-IoT论文数量呈井喷式发展，共发布387篇论文。为了更清晰地分析2016—2017年两年NB-IoT的发展态势，本文将其细化分析，统计每月的论文发表数量并作图，如图2所示。

图1 NB-IoT研究论文年度发表数量统计

分析图2可得出，虽然每月的文献数量有所波动，但在2016—2017年间每月论文数量整体走势基本向好，说明有越来越多的研究机构和作者注意到了NB-IoT领域并且开展了一定的前期研究。在2017年初至2019年底，伴随我国物联网技术和产业的快速发展，NB-IoT领域论文发表数量持续上升。截至2019年年底，论文数量已初具规模，但相较于物联网领域中的其他子领域，NB-IoT研究成果及论文有待进一步扩大规模。

图2 NB-IoT研究论文2016—2017年每月发表数量图表

3.2 NB-IoT技术相关论文关键词贡献分析

词频分析法是文献计量方法之一，它通过关键词出现的频率来证实该领域的热点和发展趋势，其中关键词出现在特定的研究领域文献中。学术论文的关键词是作者学术观点的凝练，它表征了论文的学术思想内容，是文献计量研究的重要指标[3]。本文使用CiteSpace软件对2016—2020年所有涉及NB-IoT技术的论文进行关键词分析，将每年作为1个时间区域，分析节点选择Keyword。之后在可视化图形界面中选择聚类分析，得到如图3所示的论文关键词关系图谱。

图3 NB-IoT研究论文关键词知识图谱

将关键词知识图谱与时间相结合进行分析，在2016年至2017年上半年，NB-IoT技术的研究重点主要集中在理论和可行性行研究上，鲜有在实际应用上的探讨。理论方面主要集中在制定相关标准、网络部署以及产业未来上。而应用方面集中在数据采集、随机接入、低功耗、车联网等相关技术问题上。在2017年后半年至2019年中期，研究方向开始急速向应用方面转变。2017—2018年，NB-IoT与嵌入式技术方面的结合研究开始增多，例如智能井盖、智能路灯等一系列与智慧城市相关的应用探讨。自从2019年开始，NBIoT的研究又上升了一个高度，除了一些智能设备的创新外，NB-IoT的新型通信方式以及高级算法开始逐渐出现，云计算技术和大数据技术开始发展。相关的时序图如图4所示。

图4 NB-IoT研究论文关键词时序图谱

对关键词进行聚类分析可得到如图5所示的图谱。该图谱的ModularityQ值可达到0.898 1。ModularityQ值大于0.3，意味着其聚类结构非常明显。聚类以后的NB-IoT技术文献主要可分为如下几个种类。

图5 NB-IoT研究论文关键词聚类图谱

（1）随机接入

随机接入种类是对NB-IoT中随机接入过程的探讨和分析，其是对具体技术的讨论。陈发堂等对NB-IoT中的竞争模式的随机过程进行了深入分析，并验证了其随机接入过程与标准的一致性[20]；曹祥风对NB-IoT物理层面上的随机接入过程时的有关搜索空间技术进行了深入探讨[21]。

（2）数据采集

该类型针对基于NB-IoT网络的数据采集过程进行研究。这一类型更加偏向具体的某一项应用，涉及的范围非常广泛，推进了智慧城市的发展。吴晓斌设计了一款基于NB-IoT的井下施工检测系统和窖井盖，云端平台通过NB-IoT网络对各种环境信号进行数据采集，便于实时监控井下环境[22]；王钧设计了一款基于NB-IoT技术的农产品储存运输测控系统，使得被检测环境的数据和设备可以通过蜂窝数据实现远程监测与控制[23]。

（3）网络部署

该类型主要对NB-IoT的网络部署进行讨论，这类文章中引用了各种案例充分说明每一种部署、组网方案的优缺点，以及其存在价值，是理论层面上的探索。杨晓鸣等以运营商的视角从无线网、核心网、物联网3个不同维度介绍了NBIoT网络的部署方案，列举了几个典型的应用场景[24]；王阳洋比较了NB-IoT相对于LTE网络频段的带内、保护带、独立3种频率部署方案，分析讨论了NB-IoT站址网络的部署方法[25]。

3.3 NB-IoT技术研究机构分析

研究机构是一项或者多项研究的专门性组织，在一定程度上可以理解为学术群体的代名词[26]。对相关领域技术的主要研究机构进行数据分析并动态跟踪其研究成果，在一定程度上可以精准确定未来几年该领域的研究方向，降低因盲目研究所带来的风险。研究机构分析仍采用Citespace软件，时间范围限定在2016—2020年，时间分布单位为1年，选择研究机构为网络节点，得到如图6所示的图谱。图谱共有237个节点，56个联线，密度为0.002，结果表明，我国从事NB-IoT技术的研究机构缺乏合作，研究机构及研究内容比较分散，有较多独立自主的研究机构，仅少数几个机构建立过合作关系。为了更加清晰地了解国内物联网研究重要机构分布情况，本文使用Excel软件对2016—2020年间NB-IoT的研究机构发表论文数量进行数据分析，生成了如图7所示的条形图。由于很多研究机构发表论文数量过少，将其全部列出无太大的实际意义，因此本处仅列出发表5篇以上论文的研究机构。结合图6所示的条形图进行分析，NB-IoT的核心研究机构主要有中国移动通信集团设计院有限公司、吉林吉大通信设计院股份有限公司、广东省电信规划设计院有限公司、中国电信股份有限公司广州研究院、中国信息通信研究院等。通过图6可以发现，国内NB-IoT的研究机构主要是各大通信公司，特别是中国移动、中国电信及其子公司和下属研究院，它们是我国NB-IoT技术研究的主要研究阵地。各个研究机构的论文发表数量上，发表5篇及以上论文的机构在全部机构中仅占比9.70%。由此可以得出结论，国内NB-IoT技术的研究仍然高度离散，在本领域缺乏尖端以及代表性的研究机构。若想实现NB-IoT的广泛应用及研究，需要各大研究机构相互配合，加强合作。

图6 NB-IoT研究机构图谱

图7 NB-IoT研究机构贡献图表

3.4 NB-IoT技术论文作者贡献分析

在此，通过对已发表论文的作者分布情况进行研究，来发现NB-IoT领域内的高产和高影响力的作者[27]。由于作者数量较多，为了提高分析准确度，发现高产作者，本文尝试使用普赖斯根据洛氏定律推导出的普莱斯定律进行计算：

式中：M为高产论文阈值，即个人的论文数大于M的科学家们所发表的论文总数恰好等于全部论文总数的1/2；Nmax为最高产科学家所发表的论文数。在2016—2020年间，在NB-IoT领域发表论文数最多的论文作者是黄海峰，其共发表论文30篇，因此Nmax取30，经过计算可得M=4.102。本文使用经过四舍五入并修正后的数值M取3，发文数大于3的作者定义为高产作者，共98名。

本处使用CiteSpace软件进行数据分析，选择作者为网络节点，得到如图8所示的可视化图谱。图8共有291个节点，211条连接线，网络密度为0.005，且出现了数个小型的网状王国图形。在图中，发文越多的作者所占的圆面积越大。发表论文篇数前十名的作者见表1所列。

图8 NB-IoT研究作者合作图谱

表1 NB-IoT领域作者论文发表数排序

结合表格与可视化图形分析得到结论，我国在NB-IoT领域中，研究人员较为分散，虽然网络连线达到了211个，出现了小型作者合作网络，能表明合作研究较多，但合作论文发表数量依然较少。这说明我国NB-IoT技术的研究有待进一步加强，旗舰人物较少，核心研究团队有待大量建立。

3.5 NB-IoT技术论文基金支持

NB-IoT领域可以通过对基金支持的情况进行分析，从中了解到国家对该领域的重视程度。经过对CNKI数据库的分析提取，发现以国家自然科学基金为支持基金的科研项目最多，达到61项。基金支持数量排序前5名见表2所列。国家自然科学基金于1986年建立，是我国目前公认的最高水平的研究基金。在NB-IoT领域中，国家自然科学基金支持的文献数量稳居首位，而且在前5名中，国家级基金占据3个，可体现出我国对于物联网行业，尤其是NB-IoT领域有较高的重视程度，并支持NB-IoT技术的持续发展。

表2 NB-IoT领域论文基金支持数量排序

3.6 NB-IoT技术论文来源分析

由于CiteSpace无法对来自CNKI的数据进行来源分析，所以本处使用CNKI网站上自带的可视化分析工具进行分析，并使用Excel进行绘图，如图9所示。分析结果显示，在1 753篇文章中有1 402篇来自于期刊，约占比79.98%。其中，《通信世界》《中国新通信》《移动通信》《信息通信》和《通讯世界》刊登相关论文占据刊登量前五，数量较为突出，但核心期刊数量较少，在一定程度上表明总体文献质量不高。其中博硕士学位论文122篇，约占比6.96%。在发表数量前五名中，北京邮电大学以17篇论文占据首位，是研究NBIoT技术的核心力量，其余依次是上海师范大学3篇、浙江工业大学3篇、安徽理工大学3篇、吉林大学2篇。发表的论文中会议论文144篇，约占比8.21%

图9 NB-IoT文献来源图表

4 结 语

本文以2016—2020年中国知网数据库收录的与NB-IoT技术有关的论文为研究对象，使用文献计量学相关方法，利用CiteSpace知识图谱工具和Excel解析了国内NB-IoT技术的物联网研究现状，分析了高产作者、研究机构、关键词等方面的内容。经过归纳总结后，精炼出以下几个方面的结论：

从时间和关键词上看，2017年之后有关NB-IoT技术应用方面的研究发文数量呈爆炸式增长，说明2017年以来物联网领域中对NB-IoT技术的研究非常热门，成果颇丰。物联网作为我国的战略性新兴产业之一，以NB-IoT技术为首新兴技术面向实体世界，解决了现实实体世界中各行各业的问题，提供了广泛的便利性。未来发展前景广阔，必将呈现蓬勃发展之势。预计未来几年，我国NB-IoT领域研究热度将持续井喷状态。

从发文作者和研究机构上看，NB-IoT技术相关研究人员之间的合作关系有待加强。一方面，NB-IoT技术在相关研究机构例如高校研究所的受重视度还不强，主要的研究机构仍然是各大国有企业，而高校占比较少；另一方面，我国NB-IoT领域论文作者目前还处于独自作战的研究状态，虽然出现了小型的作者合作网络，但数量依然比较稀少，因此还没有涌现出领军人物和核心研究团体。NB-IoT领域迫切需要旗舰人物的出现和核心研究团体来指引本领域的研究风向标，来协调科研机构与研究人员进行大量合作。

综合基金支持情况和文献来源来看，我国正大力支持NB-IoT的研究，坚持走信息化道路，但国内研究机构的研究力量投入并不太多，依然有很大的研究潜力及力量等待挖掘。