［嚴益強］

NB-IoT技術簡介及其在智慧城市中應用研究

［嚴益強］

智慧城市建設在我國已是遍地開花，如日中天。信息通信技術在智慧城市建設中發(fā)揮主力軍作用。而物聯(lián)網(wǎng)技術又是智慧城市建設的基石。在眾多的物聯(lián)網(wǎng)技術中，NB-IoT由于具有一系列優(yōu)點引起產(chǎn)業(yè)鏈各方高度關注，并得到相關各方的積極推進。文章簡要介紹NB-IoT技術原理，然后介紹在智慧城市建設中如何應用這一技術。

智慧城市 物聯(lián)網(wǎng) NB-IoT LPWAN M2M平臺

嚴益強

廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司 技術總監(jiān)，研究方向：智慧城市，物聯(lián)網(wǎng)。

1 智慧城市中常用無線物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術分為有線及無線兩種。物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術有很多種，從傳輸距離上區(qū)分，可以分為短距離及遠距離兩類：（1）短距離無線通信技術，代表技術有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，通常在數(shù)十米至數(shù)百米；（2）遠距離（廣域網(wǎng)）無線通信技術，業(yè)界一般定義為LPWAN (Low Power Wide Area Network低功耗廣域網(wǎng))。LPWAN技術又可分工作在非授權頻段和授權頻段兩類。非授權頻段的技術，如Lora、Sigfox等；授權頻段的技術，如GSM、CDMA、WCDMA等，以及LTE及其LTE-Advanced演進技術等。

NB-IoT（Narrow Band - Internet of Things) 屬 于3GPP 定義的新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術。

2 NB-IoT技術

NB-IoT具有如下特點：窄帶、低速率、低功耗、低成本、高容量、廣覆蓋。

（1）窄帶：上行 （可選3.75KHz或15kHz帶寬),兩種模式（單音或多音 )；

下行：OFDMA(占用200kHz帶寬，兩邊各占用10K保護帶，實際占用180kHZ)，子載波數(shù)量12，子載波帶寬15kHz。

（2）低速率: 上行速率峰值 5.6-204.8kbit/s,下行速率峰值 176 -234.7kbit/s。

上行速率按3.75k單音（single-tone)、15k單音(single-tone)、15k多音(multi-tone)劃分，下行速率按獨立基站、保護帶基站、帶內基站三種布署方式劃分。如表1。

表1 NB-IoT 上/下行速率一覽表

（3）低功耗：借助PSM和eDRX可實現(xiàn)更長待機。其中PSM(Power Saving Mode）模式下，終端仍舊注冊在網(wǎng)但信令不可達，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。eDRX進一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動，相對于PSM，大幅度提升了下行可達性?？傊ㄟ^簡化無線協(xié)議，縮短發(fā)射/接收時間、單芯片SOC（Single-On-Chip)解決方案等措施，大大降低了功耗。典型應用情況下，一節(jié)AA電池可工作15年，滿足大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用場景需求。

（4）低成本：終端模塊的成本對于物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展至關重要，特別是巨量接入的物聯(lián)網(wǎng)應用場景，而NBIoT芯片成本低至1美元,模塊的成本預估可控制在5美金以內，甚至更低。

（5）高容量:根據(jù)TR45.820中典型業(yè)務模型下的仿真測試數(shù)據(jù)，單小區(qū)可支持5萬個NB-IoT終端接入。

（6）廣覆蓋:通過增加窄帶功率譜密度，增加重傳次數(shù)（16次），以及改進編碼?？傇鲆孢_20dB.

3 NB-IoT網(wǎng)絡

NB-IoT網(wǎng)絡由終端、基站、核心網(wǎng)、M2M平臺及運營支撐系統(tǒng)等組成。NB-IoT網(wǎng)絡結構如圖1，由終端、基站、核心網(wǎng)、M2M平臺、應用服務器等構成。由圖1可以看出，NB-IoT由于簡化了信令，具有與傳統(tǒng)IMS/EPC不同的核心網(wǎng)控制設備（CIoT)。

（1）終端側裝置

主要由傳感器、IOT芯片、嵌入式軟件組成。目前已有商用化低成本、通用性極強的IOT SOC芯片，為規(guī)模部署IOT網(wǎng)絡奠定了基礎。

（2）NB-IoT基站

根據(jù)運營商無線頻譜資源情況，可支持3 種部署方式：獨立部署、保護帶部署、帶內部署。以中國電信為例：

圖1 NB-IoT網(wǎng)絡結構

獨立部署：NB-IoT部署在獨立 的200kHz頻譜。在879.105-880MHz之間有895kHz的空頻譜。

保護帶部署：850M頻段，在LTE重耕5M帶寬及以下的情況，單邊保護帶小于250k,不具備部署條件；1800M頻段，LTE 15M及20M帶寬配置下均可支持保護帶部署.

帶內部署：NB-IoT部署在LTE頻段內。

基站建設中，應充分考慮共建共享，以提高資源利用率，降低建設成本。基站側可以運用現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡相關設備和資源，實現(xiàn)共站點、共傳輸、共射頻、共OM（SingleOM）系統(tǒng)等，從而快速實現(xiàn)對NB-IoT的部署，降低組網(wǎng)成本。如無法進行基站資源共享，可以采取基站升級或者新建NB-IoT基站。

（3）NB-IoT核心網(wǎng)

NB-IoT核心網(wǎng)與現(xiàn)有的核心網(wǎng)不同。其主要功能包括：移動性、安全性、連接管理；軟SIM接入；時延不敏感終端適配；擁塞控制和流量調度；計費使用等。相關的實體包括有連入物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的移動管理實體、服務網(wǎng)關、PDN網(wǎng)關等。

（4）NB-IoT平臺裝置

M2M平臺主要功能包括：應用層協(xié)議棧適配，終端SIM OTA,終端設備、事件訂閱管理，API能力開放（行業(yè)、開發(fā)者），OSS/BSS（自助開戶，計費）以及大數(shù)據(jù)分析等。

M2M平臺是應用級設備，無統(tǒng)一標準，各運營企業(yè)可根據(jù)自身業(yè)務發(fā)展需要定制M2M平臺技術規(guī)范。

4 智慧城市中NB-IoT應用研究

智慧城市即利用新一代信息技術，讓城市中各個功能彼此協(xié)調運作，為城市中的企業(yè)提供優(yōu)質的發(fā)展空間，為市民提供更高的生活品質，讓城市成為適合人的全面發(fā)展的城市。智慧城市技術體系由物聯(lián)化體系、互聯(lián)化體系及智能化體系三大部分構成。物聯(lián)化體系將各種感應技術嵌入各種物體，感測各種物體的狀態(tài)和變化并將其數(shù)字化，以獲取城市運行中各個組件的數(shù)據(jù)和信息?；ヂ?lián)化體系則通過不同方式將人、數(shù)據(jù)及各種事物聯(lián)入網(wǎng)絡，將物聯(lián)化體系收集到的數(shù)據(jù)和信息在城市體系中進行傳遞，實現(xiàn)城市系統(tǒng)中個人、物體及組織之間的互聯(lián)。智能化體系則利用云計算技術和超級計算機，對互聯(lián)化體系傳遞來的海量數(shù)據(jù)進行整理分析，將最初的城市數(shù)據(jù)一步步轉變成信息、知識、洞察力，以便城市管理者及時作出決策并采取適當措施。智慧城市應用總體視圖如圖2，可以看到，智慧城市應用極其豐富。而在智慧城市建設中，物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)揮基礎性作用。

圖2 智慧城市應用總體視圖

考慮到NB-IoT的特性，NB-IoT技術可滿足對低功耗/長待機、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務；同時由于對于移動性支持較差，更適合靜態(tài)業(yè)務場景或非連續(xù)移動、實時傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務場景，并且業(yè)務對時延低敏感。GSMA（GSM聯(lián)盟）識別了7個大類共24個LPWA應用分類。其中，與智慧城市相關的應用有：

（1）公共事業(yè)-智能水表、智能氣表、給水系統(tǒng)監(jiān)控、白電

（2）工業(yè)應用-設備狀態(tài)監(jiān)控、工業(yè)控制、進程與安全監(jiān)控，能源基礎設施、石油與天然氣監(jiān)控，自動販賣機

（3）后勤保障-工業(yè)資產(chǎn)、貨柜追蹤：位置與狀態(tài)更新

（4）智慧建筑-報警系統(tǒng)、采暖通風與空調系統(tǒng)、接入控制

（5）消費與醫(yī)療-穿戴設備、大型家電設備、寵物/小孩追蹤、智能自行車、生活輔助、遠程臨床跟蹤

（6）環(huán)境監(jiān)控-污染、噪音、雨、風、河流流速、健康危害、數(shù)據(jù)搜集與實時監(jiān)控

（7）城市設施-智慧停車、智能垃圾桶、智能燈桿

上述應用可以歸結為以下四個類型：

（1）自主異常報告業(yè)務類型。如煙霧報警探測器、智能電表停電的通知等

（2）自主周期報告業(yè)務類型。如智能公用事業(yè)(煤氣/水/電)測量報告、智能農(nóng)業(yè)、智能環(huán)境等

（3）網(wǎng)絡指令業(yè)務類型。如開啟/關閉、設備觸發(fā)發(fā)送上行報告、請求抄表

（4）軟件更新業(yè)務類型。

5 結語

我國正處于城市/城鎮(zhèn)化高速發(fā)展進程之中，智慧城市建設如雨后春筍，智慧城市建設需高起點、高水平，信息通信技術為此創(chuàng)造了條件。NB-IoT技術特征、性能特點決定了它將在智慧城市、城鎮(zhèn)化建設中發(fā)揮獨特的作用?？梢灶A見，NB-IoT前途無量。

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.11.002

（2016-10-21）