基于NB-IoT的物联网应用

贾春霞

（北京信息职业技术学院 北京市 100018）

伴随着科学技术的快速发展，物联网技术成为了信息技术中的重要组成部分。在计算机以及互联网技术出现之后，物联网技术也被称作为第三次科技革命浪潮。其中，在功耗要求严格且速率较低的物联网设备中主要应用的是LPWA 技术。而NB-IoT 技术就是对LPWA 技术的一种创新，该技术具有覆盖范围广、功耗低以及连接大的特点，凭借着这些特点，NB-IOT 技术成为了很多物联网设备中最优秀的通信方式。现如今，我国运营商正在全面推广网络建设，在国际范围内我国电信打造了首个商用的NB-IOT 网络，并且现在大部分的基站都对NB-IOT 网络进行了升级优化，即使是偏远的山区也能够进行全面覆盖，NB-IOT 网络在我国市场中已经突破了一个亿的连接数量。同时，在发展过程中NB-IOT 技术突出的优势也在说明该技术能够满足大数据时代的发展需求，为物联网的应用开创了一个全新的窗口。

1 NB-IOT物联网技术的概念

物联网的发展建立于互联网技术之上，是一种全新的网络拓展方式，能够在物品之间实现信息通信和信息交换。而 NB-IOT 技术指的就是窄带物联网，归属于物联网技术的一种，其技术具有待机时间长、网络信息连接效率高等特点，在人们的日常生活中有广泛的应用空间[1]。该技术的覆盖范围非常广，在同样的频率条件下，能够拥有过百倍的覆盖率，并且连接的数量也非常庞大，其中NBIOT 扇形区能够支持多个连接端口和部分低成本的网络构架，具备节能低耗的优点。同时，NB-IOT 的终端部位能够保持长达十年的待机时间，不需要投入过多的成本，NB-IOT 技术在生产过程中，个体连接单元的制作成本只有五美元。与其他窄带物理网相比，NB-IOT 技术拥有很大的网络技术优势，能够在不同的网络部署环境中共存，兼容性能十分强大，该技术是目前移动蜂窝网络中的最佳应用。此外，NB-IOT 技术归属于长期演变的移动蜂窝网络技术，该技术的射频宽度为180KHz，同时能够支持三种部署方式，其中包括独立部署、保护带部署以及内部部署，在不同的部署过程中拥有不同的功能。独立部署方式能够应用于独立频带中，适用于全球移动通信系统。保护带部署方式能够应用于LTE 系统中的边缘无用频带。内在部署方式能够应用于LTR 载波中的资源模块。NB-IOT技术应用最前端的计算智能理念，能够在本地接入点实现直接接入，不能够对变化的数据进行保存和管理，技术的终端会连接到F-AP层，具有数据计算功能，并且还具备了较强的兼容性。因此，在实际应用过程中，能够对信息进行妥善保存。由此可见，NB-IOT 物联网技术科学合理地解决了物联网的连接问题。

2 NB-IOT技术的特点以及应用优势

NB-IOT 技术属于LPWA 技术的创新形式，是一种能够实现物联网远距离、低功耗的通信技术。此技术具有覆盖范围广、速率以及功耗较低以及连接数量大的特点。NB-IOT 中应用的是PSM 以及DRX/eDRX 技术，以此来最大限度地降低功耗。PSM 指的是一种功率节约模式[2]。当终端设备连入PSM 中时，收发机信号就会被切断，任何网络的寻呼都无法得到监听，只能够维持最基本的网络状态，与网络侧之间没有任何的信息交涉，整体处于一个最近本的省电模式，在降低功耗方面有良好的效果。所以该模式主要是以终端上报业务情况为主，应用于对下行控制没有时效需求的场景中。

DRX 能够利用终端周期监听网络来下发网络侧指令，通过延长终端监听网络的寻呼周期，来减少寻呼的次数，进而降低终端的功率消耗。而DRX/eDRX 能够确保网络侧下发指令的时效性，在反向控制场景中得到了广泛应用。

在NB-IOT 网络环境中，单体用户的速率只有20kbps，单独的小区上行理论峰值也只有250kbps，因此NB-IOT 网络只适合应用于低速率的上报终端设备。

NB-IOT 技术能够利用重传机制来提高功率的谱密度，与GPRS 网络相比，覆盖强度增加了20dB，覆盖效果可以穿透一面墙。在室外的NB-IOT 基站覆盖距离能够达到2000m，远远超过了CDMA 网络。除此之外，NB-IOT 网络还具有较大的连接特点，在指定的业务模型下，可发送的终端数量非常少，而且在终端上报中大多数都是小数据包，如果业务不是特别繁忙，单个小区能够最低支持五万个用户。从NB-IOT 物联网技术的特点能够得知，NBIOT 物理网能够实现万物之间的互联互通。目前NB-IOT 正在不断加大发展力度，不同的行业领域都在积极探索NB-IOT 网络业务的开发，伴随着NB-IOT 市场应用场景的不断扩大，未来NB-IOT 技术会拥有更大的发展空间[3]。

3 NB-IOT网络中的关键技术

3.1 MIMO技术

MIMO 技术指的就是多入多出技术，该技术广泛应用于3G/4G移动蜂窝通信技术当中。MIMO 技术能够通过大量的天线完成发送和接收，以此来获得较高的空间分集增益，最终实现提高系统容量和抵抗多径衰弱的效果。这样的方式能够使空间资源得到充分的利用，同时在保证发射功率和频率利用效率不受影响的情况下，能够将信道容量翻倍提高，进而有效加强了通信质量。所以，NB-IOT物联网中也应用了此技术[4]。

3.2 多载波传输技术

NB-IOT 技术与LTE 技术相类似，能够支持正交频分多址传输技术。其中多载波传输技术的应用思路就是将高速串行数据转变为低速并行的数据流，在此基础上，对多个不同的子载波进行数据调制。在NB-IOT 网络中应用多载波传输技术，能够有效避免由信道延迟导致的符号干扰，显著提高了数据信息的传输质量。

3.3 半静态链路自适应技术

NB-IOT 物理网技术的通信协议主要针对的是以小数据包为传输目标的业务场景，通常情况下，不需要长时间提供信道质量信息[5]。所以，NB-IOT 网络当中并没有单独针对信道快速变化而设计的自适应方案，而是存在三种覆盖类型，分别为：常规覆盖、增强覆盖以及超远覆盖，这三种覆盖类型的链路损耗分别为144dB、154dB 和174dB。

4 NB-IOT技术的应用构架

该技术的应用构架主要分为三层。首先，感知层。NB-IOT 网络中的感知层应用形式十分丰富，其中包含了各种各样的传感器，像红外线、温湿度传感器以及干簧管等多样化的终端感知设备。从一定角度来看，感知层是物联网识别技术的触角，就好比人的五官，能够为我们提供各种类型的信。其次，网络层。网络层主要是由NB-IOT 网络管理平台和云平台等部分组成。网络层能够利用NBIOT 网络层将感知到的信息高效传递出去[6]。最后就是应用层。应用层是物联网与用户之间沟通交易的窗口，能够接收和发送各种指令，以此来实现智能化应用，对各种不同类型的信息能够进行合理地分析和处理。

5 NB-IOT物联网技术在各国领域的相关应用

5.1 在商业领域当中的应用

从电信运营商角度来看，如果能够与物联网中其他厂商在各种垂直行业中进行合作，那么就会创造丰富的商业机会。而在物联网领域应用NB-IOT 技术，能够对以增值服务为主的商业发展模式，在该模式中主要包括了三方面内容。一是纯通道合作，利用物联网卡和流量销售能够提供更加快速安全的数据传递交互服务，在工业物联网领域的应用十分有效。二是应用于平台合作当中，利用平台接入设备的厂家，来对相关业务进行整理，向客户提供更加良好的服务。通过收集和整理相关数据，运营商能够为大数据运营管理平台提供更加完善的解决方案，进而实现大数据运营，创造更多的商业发展机会。三是通过定位能力服务，来开放物联网智能管理环境，进而实现从小范围的试点发展成大面积的投放应用。

5.2 在智慧水务领域当中的应用

NB-IOT 物联网技术应用于智能水务中，主要包括漏电监测、水平衡以及智能抄表等工作。水务企业在抄表管理工作中存在很大的局限性。水资源与人们的日常生活密不可分，然而由于水表长期处于恶劣的工作环境当中，所以对于后期的抄表工作十分不利，因此在促使了抄表技术在进行不断的发展[7]。在水务行业内先后开发出了IC 卡水表、有线远程水表以及GPRS 无线水表等相关产品，虽然对抄表工作问题进行了逐步改善，但是仍然存在很多局限性问题尚未解决。这些问题具体包括：首先，IC 卡水表由于是一种预付费类型的水表产品，所以必须要先交费才能够使用，通常情况下不需要人工抄表，然而此产品在应用过程中由于人工操作失误引发的维修问题较多，通常都需要投入大量的人力到现场进行处理，工作负担相对较重。其次有线远程水表主要工作原理是利用信号线和4G 光纤来完成抄表工作，抄表的数据可以进行实时更新。然而该产品所需要的网络路线部分需要大量的成本支出，并且施工步骤比较麻烦。对于一些分散用户和室内用户十分不利。最后就是GPRS物联网水表问题。由于该产品利用的是2G 信号进行抄表，所以目前该产品大部分应用于比较分散的用水户，由于此产品的成本较高，无线信号强度较弱，内部的电池衰减严重，所以由于自身通讯模式比较落后，逐渐被各个运营商所关停。

随着NB-IOT 技术的应用不断成熟，水务行业领域内也开发除了更适合水务抄表工作的NB-IOT 智能水表，为水务产业带来了全新的体验。而NB-IOT 智能水表的核心就是运营商基站、NB-IOT核心网络以及NB-IOT 管理服务平台。水表会直接应用到服务器中，不需要中间的采集设备和线路，能够满足各种类型用户的需求，NB-IOT 智能水表中包含了NB-IOT 网络技术的特点，并将其充分展现了出来。伴随着我国智能化水务工作的不断发展，之后又衍生出了手机终端管理平台以及微信等第三方缴费平台。在真正意义上体现了NB-IOT 智能水表的互联互通忒单，进而打破了距离的限制，不会再有不同类型用户的区别对待。

5.3 在健康监测过程中的应用

目前我国人口老龄化问题十分严重，存在大量的空巢老人，他们的健康问题得到了国家的重点关注。通过NB-IOT 物联网技术能够对人们的健康进行全面监测，老年人可以佩戴包含NB-IOT 技术的手表，随时都能够了解到自己的身体状况，并将采集到的信息进行雾化处理，进而能够提前预测疾病发作的时间，对健康状况进行全面监督。而其中的报警装置也能够在紧急状况发生时发出警报，进而对事件作出紧急处理，在一定程度上保证了老年人的生命安全

5.4 智慧井盖应用

随着城市化建设进程的不断加快，市政水务以及电力等管道规模在不断扩大，并逐渐发展成为城市的生命脉络，近几年我国发生了非常多的管网井盖损坏丢失事件，对人民群众的生命财产安全造成了一定的影响，与此同时，其他行业的管道资源也难以实现全面的覆盖，从某个角度来看，井盖虽小，但是却在考验着一个城市的生命线。而智慧井盖对通信、电力以及市政部门提供了全面覆盖的管理能力，在技术系统中应用了互联网技术，加强了正常开启、巡查以及故障排除等工作能力，同时还能够为各种类型的人井监控提供可靠的数据支持，并对巡查业务路线进行自动优化，最终加强了运维能力。设备层的传统通信模块在GPRS 等无线接入方式应用下，能够在数据采集过程中实现集层统一，为业务应用提供接口，方便用户将自己的应用特色编入其中，并最终安排到平台上。

6 结束语

总而言之，伴随着科学技术的快速发展，人们生存的大部分区域都已经覆盖了移动蜂窝网络，在蜂窝网络应用的基础上，运营商能够拥有十分强大的物联网技术。其中NB-IOT 技术的应用效果非常突出，覆盖面积十分广泛，并且在应用过程中的成本较低，运营商能够在节约成本的基础上，还能够获得更高的经济效益，并且NB-IOT 技术在各个行业领域也能发挥出自己的应用价值，满足新时代人们对信息技术的高水平追求。