窄带物联网技术与应用探讨

2021-06-08杨峰庞志成武文学

中国新通信 2021年5期

关键词：窄带蜂窝低功耗

杨峰庞志成武文学

一、概述

随着科技发展，万物进入互联时代，物联网用户也随之迅速发展起来。2009年，国家将物联网定位为战略性新兴产业;各级政府也加大政策力度，在频率、网络规划、码号资源等多个方面推动物联网快速发展。物联网建设是国家战略，具有重大意义。

基于现有蜂窝网络的物联网技术已经成为万物互联的重要组成部分，其中窄带物联网是在无线网络基础上发展的，是一种广泛应用的新技术。它具有成本低、功耗低、覆盖广、连接多等技术特点，能够广泛应用于生活中多个领域。

本文从NB-IoT的基本架构和关键技术出发，分析其优势，探讨产业应用，推进物联网业务发展。

二、NB-IoT基本架构

物联网框架包含了信息的感应层面、信息的传送层面以及信息的处理层面。

2.1信息的感应层面

感应层负责获取人和物等各种数据信息，它是由多种传感器和传感器网关组成。感应层是物联网的核心，主要工作是对物品进行识别及智能采集信息。

2.2信息的传送层面

传送层也叫网络层，完成感应层获得的数据信息在一定范围内的传输问题，主要解决数据的接入和传送，是进行数据信息传输、交换的通道，由两张网络组组成：接入网和传输网。

2.3信息的处理层面

处理层也叫应用层，处理数据信息以及完成人机界面相关问题。将网络层传来的各种数据送入各种信息系统，对这些数据进行处理，并完成各设备与人之间的交互。

在物联网的各层架构中，数据通过控制、交互等相互传输不同类型的信息，通过识别码和物品的静态及动态信息对物品进行唯一标识。虽然物联网特点千变万化，但是它们的基本框架都不会离开这三个层次。

窄带物联网的基本组成部分主要分为五个方面：物联网终端、物联网基站、核心网、控制管理平台和三方应用软件组成。

三、NB-IoT技术特点与优势

3.1 NB-IoT工作模式

NB-IoT的三种工作模式：

Stand-alone（独立部署）：部署在独立的200KHz频点，不依赖LTE。

Guard band（保护带内部署）：利用LTE边缘无用频带，不占LTE资源，与LTE共享功率。

载波In-band（LTE带内部署）：利用LTE载波中任一资源块，占用LTE的1个PRB资源，与LTE共享功率。

3.2 NB-IoT关键技术

NB-IoT的关键技术包括利用现有蜂窝网技术以及在此基础上新增功能，具体如下表。通过这些关键技术，能够提升上行的容量、扩大覆盖区域、降低设备复杂度等要求。NB-IoT技术优势明显，具体如下

1、超强覆盖：NB-IoT的覆盖能力更强，对比GSM提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖能力。

2、低功耗：低功耗是物联网应用的一项重要指标。和其他物联网技术相比，窄带物联网的功耗非常小，能够达到12.5年的续航能力。低功耗的实现形式如下：

1）除了IDLE状态外，引入新的状态PSM状态（终端关闭射频接收，进入休眠）;2）eDRX ：相比LTE中的DRX，非连续侦听接收周期由2.56s拉长为2.92h小时;3）更长周期的定期位置更新：定期位置更新周期由LTE目前的2h延长为310小时。

3、低成本： NB-IoT不需要重新建网络，直接复用现网射频和天线。以中国移动为例，900MHZ里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2G的频段，就可以直接进行LTE和NB-IoT的同步部署。低功耗、低速率、低带宽可以降低NB-IoT模块成本，模块价格1美元左右。

4、大连接：NB-IoT实现大连接的方式主要有两种：1、提升功率谱密度，窄带技术使得上行等效功率（12信道*23dBm）提升，大大提升信道容量;2、减小空口信令开销，NB-IoT能够节省4到5条信令，通过降低信令开销从而提高数据传输效率。同一基站下，NB-IoT相比于其他传统物联网通信技术，接入数达到50-100倍。一個扇区就可以满足10万个连接，同时支持低设备成本、低功耗、低时延的网络构造。NB-IoT能力轻松满足大量设备联网需求。

四、蜂窝物联网应用探讨

移动通信正在向万物互联迈进。非常多传感类、控制类连接需求存在于物联网的世界，这些连接对传输速率要求非常低，但对于功率损耗和使用成本非常灵敏，而且分布非常广、海量需求，现有4G/5G技术从成本上非常难满足需求;目前GSM网络虽然已经承担了一些对功耗要求相对低的业务需求，但大量需求未得到满足，这不符合长期发展的规划。

基于蜂窝的物联网可以提供更多的连接量，满足海量的物物连接以及更低的时延，将加快高清视频业务以及物联网等应用的普及，从而蜂窝物联网开启了一个非常广阔的市场。

4.1智能路灯

智慧城市、安全城市带来路灯广泛升级需求，智能路灯是空白新市场，多种技术方案角逐，因为路灯分散性，数量大，NB-IoT有较大优势。

4.2 智能城市

市政管网、运营商、水务、电力等规模伴随着城市化进程快速成倍增长，已成为城市生命线。水、气、电、热四表业务，NB-IoT都具有明显的技术优势，智能抄表除数据记录外可带来大量数据分析收益（水质、电力使用峰谷数据），对运维形成强力支撑。

4.2物流跟踪

市场前景非常广阔，包括物流、贵重资产、抵押资产等跟踪，能保障货物安全以及运作高效，可先基于试点区域范围内提供跟踪服务，后续随网络建设扩展到全国。

五、结语

本文阐述了NB-IoT的概念，从NB-IoT的基本架构和关键技术出发，分析其优势，探讨其在生活中的智慧应用。窄带物联网技术具有造价低、功率损耗小、覆盖面积大、连接数高等优点，市场应用前景广阔。NB-IoT正在逐步应用于生活中的各个领域，将开启万物互连的新时代。

参考文献

[1]李鹏飞.窄带物联网技术要点研究[J].通讯世界，2017（05）：60-61

[2]童桦.窄带物联网（NB-IOT）商业应用探索[J].信息通信，2017（03）：261-262