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        5G通信技術(shù)下NB-IoT的發(fā)展與商用

        2021-07-01 17:08:44張晉
        中國新通信 2021年6期
        關(guān)鍵詞:商用部署聯(lián)網(wǎng)

        張晉

        【摘要】? ? 隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)技術(shù)的成熟,萬物互聯(lián)的社會需求日益增加。市場對高新通信技術(shù)提出了新的需求,物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢越來越受到關(guān)注并得到廣泛的應(yīng)用。NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,本文介紹了NB-IoT的現(xiàn)狀、技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn),并對它在5G技術(shù)下的發(fā)展與商用進(jìn)行了分析和討論。

        【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ? 物聯(lián)網(wǎng)? ? NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù))

        前言

        目前,我國正處在通信飛速發(fā)展的時(shí)代。2019年6月6日,工信部正式向中國移動、中國聯(lián)通、中國電信和中國廣電發(fā)放了5G商業(yè)許可證,我國正式進(jìn)入了5G商用元年,我國也是繼韓國、美國、瑞士、英國等國家后,全球首批提供5G商用服務(wù)的國家。

        從上世紀(jì)八十年代末我們手持大哥大跨入1G時(shí)代,1G我們擺脫了電話線實(shí)現(xiàn)了邊走邊聊;2G我們實(shí)現(xiàn)了短信功能;3G我們除了電腦外還可以用手機(jī)上網(wǎng)看圖片瀏覽新聞;在4G,網(wǎng)絡(luò)的速度已經(jīng)達(dá)到幾十甚至數(shù)百兆比特。體育賽事的現(xiàn)場直播和隨意瀏覽高清視頻已基本沒有障礙,4G基本滿足了用戶的需求,與4G相比,5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度進(jìn)一步提高。

        事實(shí)上,網(wǎng)絡(luò)速度的進(jìn)一步提高只是5G的特征之一,甚至不是最重要的特征。

        作為5G、eMBB(增強(qiáng)型移動寬帶)、URLLC(高可靠性低時(shí)延連接)、MMTC(海量物聯(lián))的應(yīng)用,這三個(gè)關(guān)鍵詞是由專業(yè)通信角度對5G定義的三種應(yīng)用場景。

        提到mMTC(海量物聯(lián))就不得不提到IoT,IoT(Internet of Things,物聯(lián)網(wǎng)),物聯(lián)網(wǎng)在4G時(shí)代就已經(jīng)較多的應(yīng)用,大家也一定不覺得陌生,在許多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中,NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無疑是目前在全國最主流的技術(shù)之一。然而從4G的發(fā)展來看NB-IoT還沒有非常完善的商業(yè)模式,本文結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展,討論5G通信技術(shù)下NB-IoT的發(fā)展與商用。

        一、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)概述

        NB-IoT網(wǎng)絡(luò)即窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(NarrowBand -Internet of Things),NB-IoT萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支,NB-IoT技術(shù)專注于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯(lián)網(wǎng)范疇,是一種可在世界范圍內(nèi)廣泛使用并推廣的新技術(shù)。NB-IoT采用非授權(quán)頻段,可以采用帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立波三種方式進(jìn)行部署。NB-IoT構(gòu)建在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,僅消耗約180kHz帶寬,可直接在GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行大范圍的部署,以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級。目前聯(lián)通、電信、移動已在各大城市部署了大量NB-IoT基站,并進(jìn)行了一些商化應(yīng)用,解決了物與網(wǎng)的互聯(lián)。

        二、NB-IoT在我國商用的瓶頸

        從當(dāng)前世界NB-IoT技術(shù)和5G全球化部署的情況來看,我國NB-IoT技術(shù)大規(guī)模的進(jìn)行商用所面臨的問題和瓶頸來源于以下三個(gè)方面:

        首先,是來自芯片方面的瓶頸。

        目前我國芯片的研發(fā)企業(yè)由于缺乏相關(guān)技術(shù)人才,創(chuàng)新服務(wù)能力不足,再加上芯片設(shè)計(jì)周期長、風(fēng)險(xiǎn)高等因素,導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)不愿意投入資源進(jìn)行研發(fā)與設(shè)計(jì)。國產(chǎn)芯片供給難以匹配,依賴進(jìn)口不僅制約了國內(nèi)芯片行業(yè)本身的發(fā)展,并且由于成本的因素,導(dǎo)致NB-IoT技術(shù)推廣遇到阻礙。

        其次,是來自終端的瓶頸。

        NB-IoT技術(shù)所面臨的終端的瓶頸也主要實(shí)在成本方面的。只有在成本足夠低的情況下,對于推廣NB-IoT技術(shù)更可行更商業(yè)化。但由于目前NB-IoT適用范圍沒達(dá)到一定的規(guī)模,致使數(shù)據(jù)流在終端產(chǎn)生的較少,且對該技術(shù)受成本的影響高于其他相關(guān)技術(shù),因此終端的發(fā)展及經(jīng)濟(jì)程度也成為NB-IoT技術(shù)廣泛發(fā)展商用的一個(gè)瓶頸。

        最后,是來自產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸。

        NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈和市場成熟度與LoRa相比,存在一定滯后。NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈在2017年初步成熟,2018年小規(guī)模商用,NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈短期無法成熟,給了其他同類技術(shù)比如LoRa迅速發(fā)展的空間,同時(shí)也使得NB-IoT技術(shù)自我的發(fā)展和商用有了一定的制約。

        三、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在5G的技術(shù)優(yōu)勢

        從事物的兩面性來看,NB-IoT在技術(shù)上的優(yōu)勢還是能夠突破上述的瓶頸制約。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場,具有功耗少、連接點(diǎn)多、覆蓋面積廣、傳輸速率低、消耗成本低、易于優(yōu)化架構(gòu)等特點(diǎn),或許會成為結(jié)束碎片化、統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)方法。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在5G中的主要技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:

        1、大連接、接入能力增強(qiáng)。

        NB-IoT網(wǎng)絡(luò)支持海量的低吞吐量終端,每小區(qū)支持用戶5萬個(gè)鏈接,小包化的傳輸模式優(yōu)化了空口開銷,減少無線資源占用,支持更多用戶。

        2、低功耗,低陳本、兼容性設(shè)計(jì)。

        NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署的基站天線可以和現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)以即將到來的5G網(wǎng)絡(luò)共用,在終端測,5Wh的電池可供終端使用10年,同時(shí)低寬帶、低功耗和低速率等技術(shù)使得NB-IoT在成本上的縮減,也是從經(jīng)濟(jì)角度來講的優(yōu)勢。

        3、覆蓋能力強(qiáng)。

        從覆蓋能力的角度來分析,NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力比現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)20dbB左右的增益,可以很好的提升室內(nèi)覆蓋穿透能力和室外的覆蓋范圍。

        四、NB-IoT商用現(xiàn)狀及5G部署后的發(fā)展

        優(yōu)勢技術(shù)勢必會推動其產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,目前NB-IoT推動了智能產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展,衍生出了智能生產(chǎn)、智慧城市、智能農(nóng)業(yè)、智能家居、智能醫(yī)療、智能教育抄表等領(lǐng)域。因?yàn)樵摷夹g(shù)可以直接在GSM、UMTS或LTE網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行"疊加",所以與其他的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比,NB-IoT更容易受到電信運(yùn)營商的選擇。該技術(shù)在運(yùn)營商、設(shè)備供應(yīng)商、終端芯片制造商等的合力發(fā)展推行下,在短時(shí)間內(nèi)便可以取得進(jìn)一步的發(fā)展。

        近年來,我國非常重視在細(xì)分領(lǐng)域中推廣NB-IoT的應(yīng)用。2018年,基于NB-IoT的MTM(機(jī)器與機(jī)器)連接超過1億。大膽的推測在5G進(jìn)行商用之后,到達(dá)2022年的總連接數(shù)將達(dá)到9.5億。預(yù)計(jì)全球?qū)⒂?70億設(shè)備將在2011年之前與物聯(lián)網(wǎng)連接,那么粗略估計(jì)市場規(guī)模產(chǎn)生的市值將超過萬億美元,其中NB-IoT技術(shù)將覆蓋連接30%的物聯(lián)網(wǎng),完成230億的連接。

        根據(jù)目前物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用情況,在5G大規(guī)模商用后,相比當(dāng)前4G中以娛樂和性能為導(dǎo)向的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,最終到了5G時(shí)代將會發(fā)展到面向各種物聯(lián)網(wǎng)低端終端、大范圍廣域部署,如智能水務(wù)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能照明、智能停車、智能追蹤為代表的智能家居、智能城市、智能生產(chǎn)等領(lǐng)域,如下:

        1、NB-IoT智能水務(wù)在5G部署后的發(fā)展:

        傳統(tǒng)水務(wù)在現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)模式下規(guī)劃、維護(hù)復(fù)雜,成本高;覆蓋距離和容量有限,干擾嚴(yán)重,質(zhì)量差;耗電高,電池壽命導(dǎo)致產(chǎn)品更換頻繁,2G逐漸退網(wǎng),3G/4G終端模組成本高;智能水務(wù)更易于部署,免網(wǎng)絡(luò)維護(hù),大幅提高電池續(xù)航能力,在高可靠的5G網(wǎng)絡(luò)下,可以實(shí)現(xiàn)海量終端在線監(jiān)控。

        2、NB-IoT智能農(nóng)業(yè)在5G部署后的發(fā)展:

        傳統(tǒng)通信技術(shù)下的農(nóng)業(yè)技術(shù)60%農(nóng)業(yè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足,GPRS/UMTS功耗/成本較高,短距通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜;NB-IoT智能農(nóng)業(yè)在5G中相對GSM覆蓋范圍增至7倍,超低功耗長達(dá)10年電池壽命,甚至可以達(dá)到即插即用無需網(wǎng)絡(luò)配置。

        3、NB-IoT智能物流在5G部署后的發(fā)展:

        傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下物流大面積自建網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本高,局限在區(qū)域使用,不支持遠(yuǎn)距離和漫游,容量受限,可靠性、安全性低,覆蓋不足導(dǎo)致上報(bào)失敗率高,同時(shí)因電池使用周期短,導(dǎo)致運(yùn)作成本增高;NB-IoT智能物流技術(shù)減少40%海關(guān)清關(guān)時(shí)間,日常工作量減少45%,貨物追蹤準(zhǔn)確率提升至70%-90%,貨物轉(zhuǎn)運(yùn)效率提升至30%。

        4、NB-IoT智能路燈在5G部署后的發(fā)展:

        傳統(tǒng)路燈PLC電力線組網(wǎng)對電纜要求高,施工難度大,電力線傳輸干擾嚴(yán)重,傳輸距離有限,需密集布放,數(shù)據(jù)上報(bào)失敗率可達(dá)20%,存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、難以矯正等問題,傳統(tǒng)Zigbee兩跳組網(wǎng)成本高傳播距離短、干擾嚴(yán)重,Mesh組網(wǎng)容量受限,超過200盞燈有廣播風(fēng)暴;NB-IoT智能路燈采用跳組網(wǎng)技術(shù),易部署易維護(hù),高可靠電信網(wǎng)絡(luò),低成本,可以完成遠(yuǎn)程控制每路燈開關(guān)、實(shí)時(shí)獲取路燈狀態(tài)、遠(yuǎn)程配置路燈開關(guān)及明亮度,遠(yuǎn)程故障排除,遠(yuǎn)程軟件升級。

        5、NB-IoT智能停車在5G部署后的發(fā)展:

        傳統(tǒng)停車管理方式一般采用短距兩跳方案、有線結(jié)合紅外檢測方案、人工管理等,其中短距兩跳中繼器方案部署困難,維護(hù)成本高、信號干擾嚴(yán)重質(zhì)量差等缺點(diǎn),有限集合紅外傳輸方案僅限于室內(nèi)使用且安裝布線復(fù)雜,維護(hù)成本高,人工管理方案計(jì)費(fèi)容易流失、管理難度大、工作時(shí)間長;NB-IoT智能停車選用一跳方案容易部署,遠(yuǎn)程管理易維護(hù),授權(quán)頻譜無干擾,高可靠電信網(wǎng)絡(luò),優(yōu)質(zhì)覆蓋。

        以上示例僅是NB-IoT智能應(yīng)用的一隅,隨著現(xiàn)階段5G部署的加速,該技術(shù)會在我們的社會發(fā)展、城市應(yīng)用、人民生活中發(fā)揮其積極的一面,實(shí)現(xiàn)萬物皆智能。

        五、結(jié)束語

        當(dāng)今社會是一個(gè)萬物互聯(lián)飛速發(fā)展的社會,伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化的迅速發(fā)展,電子信息技術(shù)在人們的生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。Nb-IoT和5G的融合使其具有許多復(fù)雜的特性。也體現(xiàn)在更詳細(xì)的產(chǎn)品中,人與事物、人與人,事物與事物都有更強(qiáng)的溝通和各種聯(lián)系,所得到的數(shù)據(jù)也成為專家們參考某一領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

        隨著新能源的發(fā)展,5G將更多地釋放能量,同時(shí)NB-IoT也將為整個(gè)社會提供更多的發(fā)展能力,為人類的發(fā)展創(chuàng)造出更多的社會價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

        參? 考? 文? 獻(xiàn)

        [1]馬超,《5G移動通信技術(shù)下的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代》,通信設(shè)計(jì)與應(yīng)用,2018

        [2]陳志欽,《基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》,江西師范大學(xué),2018

        [3]王水平,《江西新經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究》,江西財(cái)經(jīng)大學(xué),2018

        [4]素文,《NB-IoT迎來商用元年,萬億級市場啟航》,人民郵電,2017

        [5]劉世波 等,《NB-IoT 在智能家居中的應(yīng)用 》,建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2018

        [6]鄭梅云,《全球首個(gè)NB-IoT套餐面世》,文匯報(bào),2017

        [7]張余明 等,《一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NBIOT)智慧泊車前端系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)》,數(shù)字化用戶,2018

        [8]黃征宇,《物聯(lián)網(wǎng)芯片國產(chǎn)化“困局”》,中國信息化,2013

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