关于NB-IoT技术的研究与应用

李春旭 王文成 刘冰婷

【摘要】    NB-IoT是近年来新兴的物联网技术，其网络技术特点在于其网络层。因为其覆盖更加广阔、功耗更加节省、工作于授权频谱等无可比拟的优点在众多低功耗广域网技术中脱颖而出。本文首先介绍了NB-IoT技术发展背景及其基本概念，详细阐述了NB-IoT特点和优势，文末描述了NB-IoT广泛应用及发展趋势。

【关键词】    NB-IoT    窄带物联网    蜂窝网络    智能

一、发展背景

传统移动通信是人与人之间的通信，随着时代发展移动通信的定义也在不断的改变，万物之间的连接才是发展必然趋势。然而，当前的移动通信网络在万物互联的能力上略显不足。实际上，相对于ZigBee、蓝牙等技术，移动蜂窝网络在覆盖能力、可移动性以及连接数量等指标更具优势，能为NB-IoT带来更加多样化的应用场景，是物联网的主要连接技术。窄带物联网技术是物联网技术的重要技术成分，由于其具有功率损耗低、覆盖面积广、投资成本低、连接设备数大等特点，在无线网络通信中已成为重要组成部分。

二、NB-IoT 概述

NB-IOT是由3GPP标准化组织定义的一种技术标准，是构建于蜂窝通信的窄带物联网。NB-IOT技术只消耗大约180KHZ的带宽，可支持带内网络部署，网络保护带内部署和独立部署等三种方式，并可以与现网并存。为了节省部署成本，NB-IOT可在现有GSM、LTE网络基础之上实现直接部署。与传统物联网技术相比，NB-IoT具有较强的兼容性，以新的技术形式构建在蜂窝无线网技术之上，这样能够更好的解决在NB-IoT技术应用过程中室内信号覆盖不足的问题。NB-IOT技术支持接入各种分辨率的终端，可满足低时延的技术要求，可有效节约建设成本，并且进一步改进网络的组网架构。

NB-IoT逐步演进，于2020年7月正式写入5G标准。2014年5月华为、Vodafone提出了窄带技术NB M2M;2015年9月，在3GPP第69次RAN全會上，“NB-CIoT”和“NB-LTE”2个技术规范融合为NB-IoT;2016年6月，NB-IoT获得国际组织3GPP通过，标志着NB-IoT商用化开始;2020年7月，ITU-R WP5D会议上，NB-IoT正式成为5G标准。

三、NB-IoT特点与关键技术研究

3.1 超低功耗

设备的功率损耗是NB-IoT技术应用一项重要指标，尤其对于一些不便常换电池的终端设备，如安装在偏远地区的各种传感类设备、监测类设备等，它们的电池使用寿命需求长达几年。而NB-IoT终端设备可以控制自身休眠和工作的状态，低功耗特性结合多种节电技术，终端设备待机时长达十年之久。

（1）PSM模式：在idle（空闲态下）增加PSM态，终端设备几乎为关机状态，处于休眠模式，定时器可控制呼醒状态，从而实现设备的低功耗;

根据上图分析可知如果上传周期TUA为10分钟，设备每周上传一次数据，两节5号电池可以用132个月之久。

2、eDRX：增强型非连续接收模式，延长了DXR的周期，实现更长的寻呼周期，以达到省电的目的。

3.2 超大连接

NB-IoT占用的传输带宽比LTE少了很多，由于NB-IoT在总的带宽资源一定的情况下，NB-IoT接入的设备数量较多，所以NB-IoT技术资源利用率更高。通过测试发现，在相同基站相同业务带宽的情况下，相比于传统网络，NB-IoT通信技术可以提供百倍的连接数量，真是实现万物互联所必须的海量连接。据统计当前NB-IoT网络单个基站可接入约5-10万个终端设备。

3.3 超低成本

从网络建设看， NB-IoT可以直接在现有网络的基础上改造升级，这样可以大大降低了NB-IoT网络建设成本。以现网900MHz网络升级为例，只需在带宽上退出180KHz，就可以将现网直接升级为NB-IoT网络。在物联网设备及芯片组成方面，设备成本及芯片成本较低，因此，NB-IoT网络在现网升级改造过程中具有改造成本低的优势，同时物联网的低速率运行、低功率消耗及低带宽资源设计也给NB-IoT设备芯片以及模块带来低成本优势。

3.4 超广覆盖

NB-IoT技术通过时域重传技术和提升功率谱密度，相比现有的GSM网提升了20dB的MCL（传送数据时，设备和基站的天线端口之间的最大总信道损耗，MCL值越大，链接越强大，覆盖范围越广），信号的传输覆盖范围更大，穿透能力相当于比GSM网络多穿透两堵墙，能覆盖到深层地下GSM网络无法覆盖到的地方。

（1）物联网通过在时域上重传技术来改善传输过程中的数据有效性，NB-IoT通过重复数据传输实现时间上的分集，从而提高了传输数据的有效性，物联网的时域重传技术能够提高9dB--12dB的上下行增益。

（2）物联网通过将180KHZ的带宽资源分为不同个15KHZ的子载波资源用来提升功率谱密度，通过增加物联网的功率谱密度，并采用子载波传输信息的方式，提高了信号解调效率，提高了信号的传播距离及信号的穿透能力。

四、NB-IoT广泛应用与未来发展趋势

随着物联网产业的发展，NB-IoT得到全面的应用，但在近几年的发展中，智慧城市、工业物联网等领域进一步推动NB-IoT的需求和发展。特别是在智能定位、智能告警、智能控制、电池监控、智能拉杆箱、智能共享单车智能路灯等智能设备领域体现尤为突出据咨询公司MarketsandMarkets的报告中称，NB-IoT模组2020年市场规模将达到4.61亿美元，预计2025年将达到24.84亿美元，年复合增长率为40%。

在2020年7月9日结束的ITU-R WP5D会议上，ITU做出重大决议：中国和3GPP提交的NB-IoT技术正式成为5G标准。这意味着NB-IoT技术明确成为5G低功耗广域网场景应用首选，当前部署的NB-IoT终端，可平滑接入5G网络;业界在NB-IoT生态的投资，将被保护，并且将持续发挥价值。NB-IoT纳入ITU 5G标准，确保了未来10年投资，给行业吃了一颗定心丸，也意味着联接数量和应用场景将持续扩展。面向未来十年，从以智慧气表、智慧水表、智能烟感、智慧门锁、智慧路灯为代表的放量市场，到以智慧家电、智慧工厂、消费电子为代表的新兴市场，再到应急管理、监控检测等孵化市场，还有海量的“物”需要低成本、低速率、低功耗的5G NB-IoT来连接，与5G NR高速率连接一起共同推动全联接的智能世界。

五、结语

随着标准演进和技术不断增强，NB-IoT应用还将进入到更多的行业，帮助千行百业提质降本增效，NB-IoT是5G物联，在产业日趋成熟的背景下，以及政策支持、标准与技术持续演进下，5G NB-IoT将持续繁荣发展，为数字经济发展注入新动能。

参  考  文  献

[1]张永强，高尚，石莹，周万珍.NB-IOT技术特性及应用.计算机技术与发展，2020第30卷第5期

[2]张福琦，刘禹佳.NB-IOT技术的发展现状与趋势研究.中国新通信， 2019第21卷第12期

[3]丁聪.论NB-IoT技术及应用前景.中国新通信， 2017.（20）