李菁 葉卓映

摘? ?要：首先，文章介紹了物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)分類以及NB-IoT的產(chǎn)生背景，對NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析。其次，基于NB-IoT的特點和優(yōu)勢，分析了NB-IoT的業(yè)務(wù)及應(yīng)用場景。最后，介紹了NB-IoT目前的部署情況和面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：NB-IoT技術(shù);物聯(lián)網(wǎng);技術(shù)應(yīng)用

1? ? 窄帶物聯(lián)網(wǎng)簡介

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已成為下一代信息技術(shù)的研究方向，發(fā)展前景十分廣闊，產(chǎn)業(yè)規(guī)模也逐漸壯大。目前，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要集中在智能產(chǎn)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能住宅、智能交通、智能電網(wǎng)、智能環(huán)保、智能安全、智能醫(yī)藥、智能物流等十大領(lǐng)域。為了滿足不同行業(yè)領(lǐng)域的需要，應(yīng)用于各個行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的無線通信標(biāo)準(zhǔn)也有很多。按照傳輸距離長短，目前常用的標(biāo)準(zhǔn)可分為以下兩類：（1）短距離無線通信技術(shù)。（2）廣域無線通信技術(shù)，又稱為低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)。短距無線通信技術(shù)如紫峰、WiFi、藍(lán)牙技術(shù)等，典型的應(yīng)用有智能農(nóng)業(yè)大棚、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測等，而低功耗長距離通信的典型應(yīng)用則有無線智能電表、水表的數(shù)值讀取等。

低功耗廣域網(wǎng)無線通信標(biāo)準(zhǔn)按工作頻段是否被授權(quán)可分為下面兩類：（1）工作在授權(quán)頻段下，如2G，3G，4G蜂窩移動通信技術(shù)，長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)等，這些技術(shù)基本都由國際電信聯(lián)盟第3代合作伙伴（3rd Generation Partnership Project，3GPP）組織來統(tǒng)一制定標(biāo)準(zhǔn);（2）通信標(biāo)準(zhǔn)，如LoRa，SIGFOX，工作頻段屬于未被授權(quán)頻段。目前，被廣泛商用的蜂窩移動通信技術(shù)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本的要求。

為滿足以上需求，多家大型通信公司展開了大量的研究，并提交了大量的仿真評估。華為、高通、愛立信、中興、諾基亞等多家世界大型通信設(shè)備廠商先后提出了“NB-M2M”“NB-OFDM”“NB-LTE”等技術(shù)方案。2015年，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）標(biāo)準(zhǔn)的制訂作為一項重要課題，被3GPP組織正式命名并立項。又經(jīng)過近一年的研究，NB-IoT技術(shù)核心部分的研究工作基本完成并獲得3GPP組織批準(zhǔn)。如今，NB-IoT技術(shù)已成為入5G（第5代移動通信技術(shù)）的一個重要組成部分[1-2]。

2? ? NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)

NB-IoT技術(shù)在已有的通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用場景的特點，進(jìn)行了相應(yīng)的修改。

2.1? MIMO技術(shù)

多入多出（Multiple-Input Multi-Output，MIMO）技術(shù)已經(jīng)在3G/4G蜂窩移動通信技術(shù)中被廣泛地應(yīng)用。MIMO技術(shù)利用多天線發(fā)送和接收，獲得了空間分集增益，進(jìn)而達(dá)到抵抗多徑衰落和提高系統(tǒng)容量的目的。這樣的多發(fā)多收方法可以充分地利用空間資源，并且在不減少頻率利用率和發(fā)射功率的情況下，成倍提高系統(tǒng)的信道容量，從而有效地提高通信質(zhì)量。因此，NB-IoT也借鑒了此項技術(shù)。

2.2? 多載波傳輸技術(shù)

與LTE相似，NB-IoT也支持正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）傳輸技術(shù)。NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)定義了單子載波和多子載波兩種傳輸方式。多載波技術(shù)的思路是將高速串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為多個低速并行的數(shù)據(jù)流，同時，在多個子載波上進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。NB-IoT通過應(yīng)用多載波傳輸技術(shù)有效地減少了由于信道延遲的擴(kuò)展而引起的符號間干擾，提高了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量[3]。

2.3? 數(shù)據(jù)重傳機(jī)制及低階調(diào)制方式

NB-IoT通過重復(fù)數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)時間上的分集，因此，可以使用一些低階調(diào)制來提高解調(diào)性能和覆蓋性能。碼元的重復(fù)傳輸雖然降低了信息的傳輸速率，但是在低信噪比接收環(huán)境下卻大大提高了解調(diào)和譯碼的可靠性，從而提高了傳輸效率。各種信道所能支持的重傳次數(shù)及其對應(yīng)的調(diào)制方式都在NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)中有所規(guī)定。由于大部分使用NB-IoT的業(yè)務(wù)場景對傳輸速率的要求很低，100 bps左右已經(jīng)可以滿足大部分業(yè)務(wù)場景的需求[4]。因此，可采用較為低階的調(diào)制技術(shù)以及較短的循環(huán)冗余檢查（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗碼。

2.4? 半靜態(tài)鏈路自適應(yīng)技術(shù)

NB-IoT通信協(xié)議主要針對以小數(shù)據(jù)包傳輸為目標(biāo)的業(yè)務(wù)場景。一般來說，不需要提供長時間持續(xù)變化的信道質(zhì)量信息。因此，在NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)中沒有專門針對信道快速變化的場景設(shè)計動態(tài)鏈路自適應(yīng)方案，而是設(shè)計了3種覆蓋類型。這3種覆蓋等級分別是：（1）常規(guī)覆蓋，對應(yīng)的鏈路損耗為144 dB。（2）增強(qiáng)覆蓋，對應(yīng)的鏈路損耗為154 dB。（3）極遠(yuǎn)覆蓋，對應(yīng)的鏈路損耗為164 dB。

NB-IoT基站根據(jù)終端對不同場景需求和信道質(zhì)量來劃分不同的覆蓋等級。不同的覆蓋等級則采用該等級相對應(yīng)的數(shù)據(jù)編碼調(diào)制方式和差錯重傳次數(shù)。這樣的鏈路覆蓋方式不同于蜂窩移動通信中采用的動態(tài)自適應(yīng)鏈路技術(shù)，因此，被稱為半靜態(tài)鏈路自適應(yīng)。

2.5? NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署模式

目前，NB-IoT支持的網(wǎng)絡(luò)部署模式分為獨立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署3種。

2.5.1? 獨立部署

此模式利用獨立的新頻段或空閑頻段進(jìn)行部署，不會對目前已有的網(wǎng)絡(luò)形成干擾。

2.5.2? 保護(hù)帶部署

此模式主要利用LTE頻譜邊緣的保護(hù)帶來進(jìn)行部署，使用弱信號強(qiáng)度最大限度地利用頻譜資源。只有當(dāng)原來的LTE帶寬大于5 Mbit/s時，才可以使用這種部署模式，避免LTE與NB-IoT之間的信號干擾。

2.5.3? 帶內(nèi)部署

此模式主要在LTE載波中的某一個頻段內(nèi)進(jìn)行部署。在該模式下，NB-IoT的頻譜和附近的LTE資源塊的功率譜密度均不能超過6 dB，以避免相鄰頻段間的互擾。

保護(hù)帶部署和帶內(nèi)部署都需要考慮和原有系統(tǒng)的兼容性，部署技術(shù)難度相對較高，網(wǎng)絡(luò)容量也相對較低。

3? ? NB-IoT的特點及其優(yōu)勢

為了適應(yīng)特定物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的需求，NB-IoT在現(xiàn)有的通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化，對網(wǎng)絡(luò)特性和終端特性進(jìn)行了適當(dāng)平衡，因此，NB-IoT技術(shù)擁有以下特點。

（1）廣覆蓋。在同一頻段，NB-IoT將比現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)增加近20 dB，覆蓋面積也將擴(kuò)大上百倍，因此，NB-IoT將提供更好的室內(nèi)覆蓋性能。

（2）支持大規(guī)模連接。NB-IoT基站單扇區(qū)可支持50 000個終端接入核心網(wǎng)，比現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)的用戶容量擴(kuò)大了50～100倍。

（3）低功耗。NB-IoT為終端設(shè)備設(shè)定了休眠模式，當(dāng)設(shè)備在待機(jī)狀態(tài)下可關(guān)閉部分功能，從而減少了終端模塊的功耗。

（4）低成本。NB-IoT低速、窄帶的特點將會降低其終端的復(fù)雜度，進(jìn)而降低了終端成本。另外，由于NB-IoT技術(shù)基于蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，可以直接部署在現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)上，大大降低了運營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

（5）更好的安全性。NB-IoT技術(shù)繼承了4G移動通信網(wǎng)絡(luò)中空口雙向認(rèn)證機(jī)制和加密機(jī)制，從而可以確保終端用戶使用NB-IoT接入網(wǎng)絡(luò)時擁有非常高的安全性。

當(dāng)然，NB-IoT也有先天的局限性，它不適用于低時延、高可靠性的業(yè)務(wù)場景。然而，沒有一種通信接入技術(shù)能夠完全滿足物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)鏈中所有的應(yīng)用場景，因此，各種接入技術(shù)之間也存在著一定的互補(bǔ)性。NB-IoT憑借上述技術(shù)優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用在水電氣熱等基礎(chǔ)設(shè)施中進(jìn)行智能管理、交通智能調(diào)度管理、智能停車、空氣土壤等的實時監(jiān)測控制、集裝箱等物流資源的跟蹤與監(jiān)測、家居安防設(shè)備的智能化控制管理，應(yīng)用場景非常廣泛。

4? ? NB-IoT目前的部署情況

雖然另外兩種廣域網(wǎng)通信技術(shù)SIGFOX和LoRa與NB-IoT的特點較為類似，在一定程度上也與NB-IoT技術(shù)形成了競爭關(guān)系。但由于其采用的是未經(jīng)授權(quán)的頻段，因此，未受到廣泛關(guān)注和使用。NB-IoT技術(shù)則因其技術(shù)優(yōu)勢以及標(biāo)準(zhǔn)的完善和統(tǒng)一受到了全世界各主流運營商和通信設(shè)備提供商的青睞。據(jù)統(tǒng)計，全球已有超過40家運營商部署了NB-IoT商用網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)運營商也在積極推進(jìn)NB-IoT業(yè)務(wù)，以期能在蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中取得先機(jī)。工信部于2017年頒布了《關(guān)于全面推進(jìn)移動物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設(shè)的通知》，旨在引導(dǎo)國內(nèi)NB-IoT產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

5? ? 結(jié)語

截至2018年年底，在各大運營商、通信設(shè)備制造商以及通信芯片廠商為代表的供應(yīng)方的主導(dǎo)下，需求方如水電等公共服務(wù)提供商的部署也逐漸完善，NB-IoT產(chǎn)業(yè)已在智能抄表、智慧停車、市政管理、智慧醫(yī)療、智能物流、公安消防、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等多個行業(yè)領(lǐng)域啟動了商用部署。NB-IoT的連接數(shù)也已達(dá)到3 000萬，并有望在2019年取得新的突破。目前，中國NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署位居世界前列，產(chǎn)業(yè)鏈布局也已經(jīng)初具規(guī)模。

[參考文獻(xiàn)]

[1]戴國華，余駿華.NB-IoT的產(chǎn)生背景、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究[J].移動通信，2016（7）：31-36.

[2]王曉周，藺琳，肖子玉，等.NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化及發(fā)展趨勢研究[J].現(xiàn)代電信科技，2016（6）：9-16.

[3]錢小聰，穆明鑫.NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)難點和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].信息化研究，2016（5）：23-26.

[4]劉瑋，董江波，劉娜，等.NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)與規(guī)劃仿真方法[J].電信科學(xué)，2016（S1）：151-155.