NB-IoT宽窄物联网及应用分析
2021-07-31胡春杰刘湘伟
阳 辉，胡春杰，刘湘伟
（1.西藏自治区水文水资源勘测局，西藏 拉萨 850000；2.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；3.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）
0 引 言
物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，其被广泛应用于各个领域。然而随着物联网的快速发展，用户对低功耗、海量连接、超强覆盖和低成本网络的需求越来越迫切，低功耗广域网（Low-PowerWide-AreaNetwork, LPWAN）应运而生，成为当今世界通信行业的研究和应用热点。LPWAN主要解决物联网末端1公里的通信问题，相比与传统的WiFi、ZigBee、Bluetooth、蜂窝移动通信等无线通信技术，具有低功耗，远距离，低运维成本等特点。LPWAN又可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2G/3G/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等[1]。
1 低功耗广域网
低功耗广域网是一种远距离低功耗的无线通信网络。由于其网络覆盖范围广、终端功耗低等特点，其非常适合大规模的物联网应用部署。相比传统的Bluetooth、WiFi、ZigBee、等无线连接技术，LPWA技术传输距离更远；与蜂窝技术（如GPRS、3G、4G等）相比，其功耗更低[2]。
1.1 LoRa
LoRa（Long Range）是Semtech公司私有的物理层技术，尚未公开，主要采用了窄带扩频技术，灵敏度最高可达-148 dBm，频率低于1 GHz，为后来的LoRa技术的远距离和功耗低的性能奠定了基础[3-4]。LoRa一种基于Sub-GHz的频段无线技术，使其更易以较低功耗远距离通信，目前主要应用于IoT、M2M、智慧城市等领域。LoRa技术组网图如图1所示。
图1 LoRa技术组网
1.2 SigFox
SigFox网络旨在使用低功耗广域网，为低吞吐量连接场景提供物联网应用。SigFox网络由终端设备和网络（基站+核心网）组成。低功耗广域网系统是非对称的，可将数万个终端设备连接到一个基站。Sigfox使用192 kHz频谱带宽的公共频段来传输信号，采用超窄带的调制方式，每条信息的传输宽度为100 Hz，根据区域的不同，其数据传输速率可以是100 b/s或600 b/s。Sigfox网络拓扑是一个可扩展的、高容量的网络，具有能源消耗低、易部署等特点，然而SigFox目前没有在中国地区进行网络部署[5]。
1.3 NB-IoT
NB-IoT是窄带物联网（Narrow BandInternetof Things）的简写，是一种授权频谱的蜂窝通信技术，其是3GPP针对LPWA定义的新一代蜂窝物联网技术。NB-IoT运营商可以直接复用现有的基站设备，将其直接部署于GSM网络、UMTS网络，从而大大降低部署成本、实现平滑升级[6-7]。NB-IoT与LoRa技术参数对比见表1所列。
表1 NB-IoT与LoRa技术参数对比
2 NB-IoT关键技术研究
2.1 低功耗
低功耗是NB-IoT最最关键特点之一。NB-IoT终端在99%的时间内均处在休眠态，并集成多种节电技术，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年。
2.2 深度覆盖
在同样的频段下，NB-IoT比现有网络增益大20 dB，覆盖能力扩大100倍，即使在地下室、地下管道等地方也能覆盖[8]。其次是对海量连接的支撑能力，NB-IoT的一个扇区可以支持10万个连接。
2.3 海量连接
相比传统的3G/4G网络，NB-IoT有50～100倍的上行容量提升，200 kHz带宽下单基站小区可支持5万用户[9]。与现有无线技术相比，在同一基站的情况下NB-IoT可以提升50～100倍的接入数，同时进行了海量存储和接入控制的优化，适合海量接入的场景。
3 NB-IoT的典型应用
3.1 智慧井盖
随着城市化进程的进一步加快，市政公用设施建设发展迅速，井盖的增加是不可避免的，然而大量在外井盖缺乏有效的实时监控管理手段，常常发生移动、偷盗井盖等违法行为。目前大部分城市都是人工巡检，效率有限。使用NBIoT对城市井盖进行监控管理，实时监控井盖的状态，井盖移动或者被破坏时会发出警报，从而最大程度避的免伤害与损失。
使用NB-IoT技术监测井盖的优势：
（1）代替人工巡检，数据全部自动传输到监控中心，节省了大量人力物力。
（2）NB-IoT能容纳用户容量是GPRS的10倍，可满足城市井盖数量庞大的需求。
（3）正常通信和待机电流是mA和μA级别，NB-IoT终端模块待机时间可长达10年，极大程度的简化了井盖监测在后期的维护。
3.2 智慧农业
温湿度、二氧化碳、光照、盐碱度等传感器的应用对于农作物提高产量、减少水资源的消耗等有重要的意义，而且很多偏远的农场或者耕地并没有覆盖蜂窝网络，于是NBIoT物联网可以为智慧农业数据传输提供良好的通信服务[10]。
基于NB-IoT的智慧农业系统在土壤墒情、温湿度、农业灌溉、农水施肥等应用，及时有效地了解农作物生长状态，减少传统的生产成本，提高经济效益。NB-IoT模块和传感器设备相结合可快速安装在各类农业场景，可提高产品质量、提高作物产量、帮助节约资源和帮助农民更好地控制成本来改变农业和粮食生产，如图2所示。
图2 NB-IoT智慧农业系统
3.3 智慧水质
传统的水质监测方法为人工监测，需不定期到监测点进行水体水质采样，再进行化验分析，最终获得水质的各种参数。该方法不仅耗时费力，而且容易出现采样不均等问题，且检测周期长、监测范围小，无法实现在线、实时、连续自动监测[11]。而NB-IoT水质监测系统由传感器采集相应的水质参数，再通过NB-IoT网络将采集水质数据发送给服务器存储和水质数据的用户展示。
3.4 智能抄表
GPRS远程抄表的诞生，代替了人工抄表，它比人工抄表技术先进，效率更高，更安全。由于市场慢慢的扩大，覆盖面积越来越广，通信基站用户容量小、功耗高、信号差（山区、地下室、楼道等）等问题。而NB-IoT远程抄表水表能够直接部署在LTE网络、GSM网络和UMTS网络，成本低，有效解决无线表必须采用具间组网或外挂中继器来延长传输距离的技术缺点，解决了智能抄表应用最后一公里的难题[12]。
4 结 语
NB-IoT窄带物联网作为低成本、低功耗广域网技术的代表，被广泛地应用在智慧生活中的各个领域。NB-IoT具有相当庞大的市场，虽然它面临着应用场景不同、网络传输需求、部署问题、应用和商业模式、与LPWAN（低功耗广域物联网）技术的竞争等各方面的问题，但相信在大家共同的努力下，未来的NB-IoT必然在无线通信技术领域大放异彩，引领万物互连的新时代。
