林立峰 胡達科 車 龍

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論NB-IoT技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

林立峰 胡達科 車 龍

海華電子企業(yè)（中國）有限公司 研發(fā)中心，廣東 廣州 510656

NB-IoT即窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band -Internet of Things），具有低功耗、低成本、廣覆蓋等特點，定位于運營商級、基于授權(quán)頻譜的低速率物聯(lián)網(wǎng)市場；在位置跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、智能泊車、遠程抄表、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。對目前主流技術(shù)：GPRS、3G/4G、NB-IoT、LoRa進行了技術(shù)分析對比，最后詳細介紹了NB-IoT技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)運用場景下的特點及市場價值。

NB-IoT；低成本；物聯(lián)網(wǎng)

１NB-IoT技術(shù)簡介

2016年6月16日，在韓國釜山召開的3GPP RAN全會第七十二次會議上，NB-IoT對應(yīng)的3GPP協(xié)議相關(guān)內(nèi)容獲得RAN全會批準并凍結(jié)，標志著歷時2年的相關(guān)研究全部完成。3GPP預(yù)計，相關(guān)性能指標和終端一致性測試標準將在2017年底完成[1]。在我國，NB-IoT獲得政府政策支持，相關(guān)標準制定工作穩(wěn)步推進。工信部于2017年4月召開NB-IoT工作推進會，提出培育NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈，并要求年底建設(shè)基于NB-IoT標準的規(guī)模外場實驗[2]。隨著通信行業(yè)快速發(fā)展，人與人之間的通信市場日益飽和，物聯(lián)網(wǎng)百億級M2M新連接，正成為各方競逐的下一個萬億市場。其中，NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)的重要分支，讓運營商的轉(zhuǎn)型之路豁然開朗。隨著2016年標準逐漸成型，2017年NB-IoT將迎來規(guī)模商用的重要節(jié)點[2]。

2 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用如火如荼。2016年，全球使用約64億個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，每天有幾百萬個設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。萬物互聯(lián)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)傳輸。從大方面分類來說，應(yīng)用場景主要包括高速率，LPWA（低功耗廣域網(wǎng)，Lower Power Wide Aera）和中速率三種，這三種業(yè)務(wù)特點如表1所示：

表1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景表

為滿足不同的業(yè)務(wù)場景需求，各種技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，比如近距離通信技術(shù)RFID，藍牙，WIFi；公網(wǎng)通信技術(shù)GPRS，3G/4G，NB-IoT，LoRa；北斗衛(wèi)星通信RDSS等。

其中，LPWA業(yè)務(wù)，對連接速率要求很低，但是對設(shè)備功耗和整機成本非常敏感，此類設(shè)備分布地域和領(lǐng)域很廣，數(shù)量及其龐大?，F(xiàn)有的3G/4G等技術(shù)成本較高，GPRS技術(shù)雖然已經(jīng)大量商用，但是主要應(yīng)用在對功耗要求不高的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，無法滿足未來LPWA的業(yè)務(wù)需求；另外，全世界的移動運營商也在逐步關(guān)閉2G網(wǎng)絡(luò)。中國聯(lián)通可能在2018年逐步關(guān)閉2G網(wǎng)絡(luò)；日本和韓國已關(guān)閉2G網(wǎng)絡(luò)；美國電信巨頭AT&T于2017年1月1日關(guān)閉2G網(wǎng)絡(luò)，另一個巨頭Verizon也宣布，將會在2020年關(guān)閉2G網(wǎng)絡(luò)；澳大利亞的澳洲電訊（Telstra）和澳都斯（Optus）于2016年12月關(guān)閉2G網(wǎng)絡(luò)；新加坡規(guī)定，從2017年開始禁止銷售2G手機等通信設(shè)備，從2017年4月份開始，該國移動運營商關(guān)閉2G網(wǎng)絡(luò)。

LPWA業(yè)務(wù)特點如表2所示：

表2 LPWA應(yīng)用場景分析表

現(xiàn)在主流的廣域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)是NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)，Narrow Band-Internet of Things）技術(shù)和LoRa技術(shù)，各自已形成較為完善的技術(shù)標準和生態(tài)鏈。技術(shù)對比見表3所示。

表3 NB-IoT和LoRa技術(shù)對比表

由上表可見，NB-IoT在覆蓋，功耗，成本，連接數(shù)等方面最優(yōu)，最符合LPWA類業(yè)務(wù)需求。舉例：預(yù)計2017 年全球的智能水表安裝數(shù)將由幾百萬只上升到3250萬只，比例超過全部水表30%。目前，中國的智能水表安裝比例僅為15%左右，預(yù)計在2017年起年均復合增長率將會超過30%?，F(xiàn)在的水表大多采用M-Bus總線通信或者GPRS無線通信，功耗和成本都無法降低，故迫切需要一種技術(shù)如NB-IoT來解決當下問題。

3 NB-IoT技術(shù)特點

以下從技術(shù)方面分析NB-IoT的主要技術(shù)特點。

3.1 超低功耗

設(shè)備功耗與傳輸數(shù)據(jù)量有關(guān)，單位時間內(nèi)發(fā)出數(shù)據(jù)包的大小決定了功耗的高低。NB-IoT引入了eDRX（減少終端監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的頻度）省電技術(shù)和PSM（節(jié)能休眠）省電模式，進一步降低了功耗，延長了電池使用時間。NB-IoT可以讓設(shè)備時時在線，但是通過減少不必要的信令和在PSM狀態(tài)時不接受尋呼信息來達到省電目的。在PSM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省電技術(shù)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。比如上海移遠公司的BC95模塊，在PSM模式下，功耗僅為5微安。該模塊有三種工作模式：連接，空閑，PSM（休眠）。連接狀態(tài)下，無數(shù)據(jù)交互20?s，模塊進入空閑模式；空閑模式下，無數(shù)據(jù)交互180?s，進入PSM（休眠）模式。該處理機制可極大地降低模塊功耗。

3.2 低成本

低速率、低功耗和低帶寬帶來的是低成本優(yōu)勢。低速率，味著不需要大緩存，所以可以緩存小，芯片配置可降低；低功耗，意味著射頻設(shè)計要求降低，小的PA就能實現(xiàn)；低帶寬，意味著不需要復雜的均衡算法。這些因素使得NB-IoT芯片可以做得很小，因此成本也就可以降低。以某芯片為例，NB-IoT芯片集成了BB、AP、Flash和電池管理，并預(yù)留傳感器集成功能。其中AP包含三個ARM-M0內(nèi)核，每個M0內(nèi)核分別負責應(yīng)用、安全、通信功能，這樣在方便進行功能管理的同時，又降低了芯片的成本和功耗[4]。

4 NB-IoT市場模式

面向低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)，目前已形成從“芯片—模組—終端—運營商—應(yīng)用”的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

芯片在NB-IoT整個產(chǎn)業(yè)鏈中處于基礎(chǔ)核心地位，現(xiàn)在幾乎所有主流的芯片和模組廠商，如華為海思、高通、英特爾、MTK、中興微電子、大唐、展訊等廠商都有明確的NB-IoT支持計劃。早在2014年，華為就斥資2500萬美元收購了英國領(lǐng)先的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片和解決方案提供商Neul，并火速推出Boudica 120型號商用芯片，這是業(yè)內(nèi)第一款正式商用的NB-IoT芯片；高通發(fā)布了MDM 9206芯片；英特爾發(fā)布了XMM 7115芯片。華為芯片在2017年一季度實現(xiàn)量產(chǎn)。

在模組環(huán)節(jié)，由于具備渠道、技術(shù)、規(guī)模的優(yōu)勢，很多NB-IoT模組的出貨量基本都掌握在原來擁有2G/3G/LTE模組產(chǎn)品線的廠商手中[5]。移遠基于華為芯片發(fā)布了BC95模塊；uBlox公司開發(fā)了SARA-N2模塊；Telit公司發(fā)布了NE866模塊。

在終端環(huán)節(jié)中，由于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是眾多行業(yè)所需要的，而終端的種類多種多樣，無法形成少數(shù)企業(yè)擁有大規(guī)模終端的市場，因此終端市場極為分散，市場集中度較低。

在運營商環(huán)節(jié)，主流運營商非常明確會部署并運營NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，未來的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)運營仍將集中在三大運營商手里。在2016年，中國電信從工信部獲得批準，使用低頻段800?MHz作為LTE和NB-IoT廣域覆蓋的方案?；就瑫r支持LTE和NB-IoT與800?MHz LTE基站共享基帶、射頻及天饋資源。在不同頻段組網(wǎng)的對比：1.8?GHz組網(wǎng)所需基站數(shù)是800?MHz的4.5倍；2.1?GHz組網(wǎng)所需基站數(shù)是800?MHz的6倍；2.6?GHz組網(wǎng)所需基站數(shù)是800?MHz的9倍。中國移動和中國聯(lián)通部署在900?MHz、1800?MHz頻段，用于NB-IoT和VoLTE。在900?MHz采用DSSS動態(tài)頻譜解決方案，在1800?MHz連續(xù)覆蓋區(qū)域，部署5?MHz帶寬的LTE，在沒有1800?MHz連續(xù)覆蓋的區(qū)域，帶寬自動縮窄到 3?MHz，但中心頻點保持不變，兩側(cè)空出的頻譜，自動部署14個GSM頻點。

4.1 標準情況

2016年3月，NB-IoT標準的核心功能凍結(jié)；2016年6月，NB-IoT功能全部凍結(jié)；2016年9月，NB-IoT標準的性能凍結(jié)；2016年12月，NB-IoT標準的射頻一致性凍結(jié)。當前3GPP為R13，不支持基站定位，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)可平滑升級到R14。R14支持基站定位，目標精度為30～100?m；下行峰值速率提升至80?kbps，上行峰值速率可提升至105?kbps；省電方面，支持最大功率為14?dBm的終端類型，以在覆蓋要求不強烈的場景下低成本支持更小的芯片和模塊體積。R15標準正在立項中，可進一步增強滿足5G-mMTC對LPWA場景的需求。

4.2 應(yīng)用案例

2017年3月22日，即第25個世界水日的當天，深圳水務(wù)集團，中國電信和華為聯(lián)合發(fā)布首個NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)智慧水務(wù)商用項目，這是NB-IoT技術(shù)邁入試商用階段的一個里程碑。該項目在深圳鹽田區(qū)部署了約1200只具有NB-IoT功能的智能水表，通過深圳電信網(wǎng)絡(luò)和深圳水務(wù)業(yè)務(wù)平臺，全面升級水務(wù)管理系統(tǒng)，邁向智慧水務(wù)時代。智慧水務(wù)主要應(yīng)用為管網(wǎng)檢測、戶表讀抄，與傳統(tǒng)方式相比較，可以有效避免誤讀漏報和管道泄漏帶來的經(jīng)濟損失，降低了運營成本；進而提供更有針對性的動態(tài)管理，分析出不同群體的用水習慣，從而更加科學、合理地指導給水管網(wǎng)建設(shè)和改造，給老百姓帶來便捷和安全。

5 NB-IoT總結(jié)與展望

從人與人通信過渡到物與物通信時代，運營商均將物聯(lián)網(wǎng)視為救命稻草之一。2017年圍繞NB-IoT的終端、網(wǎng)絡(luò)布局勢必成為電信市場競爭焦點之一。然而，運營商想搶食NB-IoT市場蛋糕也并非易事。一是NB-IoT在功耗、成本方面仍存在不足；二是相較于公網(wǎng)市場，物聯(lián)網(wǎng)市場更加碎片化，所面臨的使用場景和客戶需求更加多元化；三是NB-IoT也面臨其他技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的挑戰(zhàn)[6]。目前，已有16個國家部署了LoRa網(wǎng)絡(luò)，繼Orange、SK、TATA、軟銀等主流運營商之后，全球最大的有線電視運營商Comcast日前宣布部署LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)。廣闊的物聯(lián)網(wǎng)市場，技術(shù)和標準不止一個，最終哪種技術(shù)將占據(jù)市場主流，哪家運營商將占據(jù)市場制高點，取決于產(chǎn)業(yè)生態(tài)和平臺的搭建能力。

[1]趙艷薇.3GPP通過NB-IoT標準物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)蓄勢待發(fā)[J].通信世界，2016（17）：67-67.

[2]互聯(lián)網(wǎng)-《2017或成NB-IOT規(guī)模商用元年 物聯(lián)網(wǎng)孕育下一個萬億市場_物聯(lián)網(wǎng)_中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)》[OL].2016(12).09.

[3]戴國華, 余駿華. NB-IoT的產(chǎn)生背景、標準發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究[J].移動通信, 2016, 40(7):31-36..

[4]互聯(lián)網(wǎng)-《重磅來襲：系列二 史上最全NB-IoT技術(shù)方面的系列問題和聯(lián)盟答案 - 2017第九屆中國國際物聯(lián)網(wǎng)博覽會》[OL].2016，8.26.

[5]互聯(lián)網(wǎng)-《NB-IoT、LoRa低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的市場結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)分析》[OL].2016，9.14

[6]Wang Y P E, Lin X, Adhikary A, et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)[J]. 2016.

The Application of NB-IoT Technology in Internet of Things

Lin Lifeng Hu Dake Che Long

R&D Center，HaiHua Electronics Enterprise（China）Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510656

NB-IoT Networking（Narrow Band -Internet band of Things）, has the characteristics of low power consumption, low cost, wide coverage, positioning in the operator level, based on the spectrum of low rate networking market; have broad application prospects in position tracking, environmental monitoring, intelligent parking, remote meter reading, and agriculture animal husbandry and other fields.In this paper, the current mainstream technology: GPRS, 3G/4G, NB-IoT, LoRa technical analysis and comparison, the final details of the NB-IoT technology in the context of the use of Internet of things and market value.

NB-IoT; low cost; Internet of things

TN929.5

A

1009-6434（2017）04-0142-03

林立峰（1981—），男，高級工程師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、室內(nèi)外定位的研究工作。胡達科（1988—），男，嵌入式工程師，碩士，主要從事車載視頻定位終端的系統(tǒng)研發(fā)工作。車龍（1989—），男，硬件工程師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備的系統(tǒng)研發(fā)工作。