NB-IoT技术及其在物联网中的应用研究

李菁 叶卓映

摘   要：首先，文章介绍了物联网通信技术的标准分类以及NB-IoT的产生背景，对NB-IoT的关键技术进行了介绍和分析。其次，基于NB-IoT的特点和优势，分析了NB-IoT的业务及应用场景。最后，介绍了NB-IoT目前的部署情况和面临的挑战。

关键词：NB-IoT技术;物联网;技术应用

1    窄带物联网简介

随着信息技术的不断发展，物联网已成为下一代信息技术的研究方向，发展前景十分广阔，产业规模也逐渐壮大。目前，物联网产业的发展主要集中在智能产业、智能农业、智能住宅、智能交通、智能电网、智能环保、智能安全、智能医药、智能物流等十大领域。为了满足不同行业领域的需要，应用于各个行业物联网系统网络层的无线通信标准也有很多。按照传输距离长短，目前常用的标准可分为以下两类：（1）短距离无线通信技术。（2）广域无线通信技术，又称为低功耗广域网技术。短距无线通信技术如紫峰、WiFi、蓝牙技术等，典型的应用有智能农业大棚、室内环境监测等，而低功耗长距离通信的典型应用则有无线智能电表、水表的数值读取等。

低功耗广域网无线通信标准按工作频段是否被授权可分为下面两类：（1）工作在授权频段下，如2G，3G，4G蜂窝移动通信技术，长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术等，这些技术基本都由国际电信联盟第3代合作伙伴（3rd Generation Partnership Project，3GPP）组织来统一制定标准;（2）通信标准，如LoRa，SIGFOX，工作频段属于未被授权频段。目前，被广泛商用的蜂窝移动通信技术无法满足物联网系统的广覆盖、大连接、低功耗、低成本的要求。

为满足以上需求，多家大型通信公司展开了大量的研究，并提交了大量的仿真评估。华为、高通、爱立信、中兴、诺基亚等多家世界大型通信设备厂商先后提出了“NB-M2M”“NB-OFDM”“NB-LTE”等技术方案。2015年，窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）标准的制订作为一项重要课题，被3GPP组织正式命名并立项。又经过近一年的研究，NB-IoT技术核心部分的研究工作基本完成并获得3GPP组织批准。如今，NB-IoT技术已成为入5G（第5代移动通信技术）的一个重要组成部分[1-2]。

2    NB-IoT关键技术

NB-IoT技術在已有的通信协议的基础上，结合了物联网系统应用场景的特点，进行了相应的修改。

2.1  MIMO技术

多入多出（Multiple-Input Multi-Output，MIMO）技术已经在3G/4G蜂窝移动通信技术中被广泛地应用。MIMO技术利用多天线发送和接收，获得了空间分集增益，进而达到抵抗多径衰落和提高系统容量的目的。这样的多发多收方法可以充分地利用空间资源，并且在不减少频率利用率和发射功率的情况下，成倍提高系统的信道容量，从而有效地提高通信质量。因此，NB-IoT也借鉴了此项技术。

2.2  多载波传输技术

与LTE相似，NB-IoT也支持正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）传输技术。NB-IoT标准定义了单子载波和多子载波两种传输方式。多载波技术的思路是将高速串行数据流转换为多个低速并行的数据流，同时，在多个子载波上进行数据调制。NB-IoT通过应用多载波传输技术有效地减少了由于信道延迟的扩展而引起的符号间干扰，提高了数据传输质量[3]。

2.3  数据重传机制及低阶调制方式

NB-IoT通过重复数据传输实现时间上的分集，因此，可以使用一些低阶调制来提高解调性能和覆盖性能。码元的重复传输虽然降低了信息的传输速率，但是在低信噪比接收环境下却大大提高了解调和译码的可靠性，从而提高了传输效率。各种信道所能支持的重传次数及其对应的调制方式都在NB-IoT标准中有所规定。由于大部分使用NB-IoT的业务场景对传输速率的要求很低，100 bps左右已经可以满足大部分业务场景的需求[4]。因此，可采用较为低阶的调制技术以及较短的循环冗余检查（Cyclic Redundancy Check，CRC）校验码。

2.4  半静态链路自适应技术

NB-IoT通信协议主要针对以小数据包传输为目标的业务场景。一般来说，不需要提供长时间持续变化的信道质量信息。因此，在NB-IoT标准中没有专门针对信道快速变化的场景设计动态链路自适应方案，而是设计了3种覆盖类型。这3种覆盖等级分别是：（1）常规覆盖，对应的链路损耗为144 dB。（2）增强覆盖，对应的链路损耗为154 dB。（3）极远覆盖，对应的链路损耗为164 dB。

NB-IoT基站根据终端对不同场景需求和信道质量来划分不同的覆盖等级。不同的覆盖等级则采用该等级相对应的数据编码调制方式和差错重传次数。这样的链路覆盖方式不同于蜂窝移动通信中采用的动态自适应链路技术，因此，被称为半静态链路自适应。

2.5  NB-IoT网络部署模式

目前，NB-IoT支持的网络部署模式分为独立部署、保护带部署、带内部署3种。

2.5.1  独立部署

此模式利用独立的新频段或空闲频段进行部署，不会对目前已有的网络形成干扰。

2.5.2  保护带部署

此模式主要利用LTE频谱边缘的保护带来进行部署，使用弱信号强度最大限度地利用频谱资源。只有当原来的LTE带宽大于5 Mbit/s时，才可以使用这种部署模式，避免LTE与NB-IoT之间的信号干扰。

2.5.3  带内部署

此模式主要在LTE载波中的某一个频段内进行部署。在该模式下，NB-IoT的频谱和附近的LTE资源块的功率谱密度均不能超过6 dB，以避免相邻频段间的互扰。

保护带部署和带内部署都需要考虑和原有系统的兼容性，部署技术难度相对较高，网络容量也相对较低。

3    NB-IoT的特点及其优势

为了适应特定物联网应用场景的需求，NB-IoT在现有的通信标准的基础上进行了技术优化，对网络特性和终端特性进行了适当平衡，因此，NB-IoT技术拥有以下特点。

（1）广覆盖。在同一频段，NB-IoT将比现有通信网络增加近20 dB，覆盖面积也将扩大上百倍，因此，NB-IoT将提供更好的室内覆盖性能。

（2）支持大规模连接。NB-IoT基站单扇区可支持50 000个终端接入核心网，比现有的移动通信网的用户容量扩大了50～100倍。

（3）低功耗。NB-IoT为终端设备设定了休眠模式，当设备在待机状态下可关闭部分功能，从而减少了终端模块的功耗。

（4）低成本。NB-IoT低速、窄带的特点将会降低其终端的复杂度，进而降低了终端成本。另外，由于NB-IoT技术基于蜂窝移动网络，可以直接部署在現有的LTE网络上，大大降低了运营商的网络建设成本。

（5）更好的安全性。NB-IoT技术继承了4G移动通信网络中空口双向认证机制和加密机制，从而可以确保终端用户使用NB-IoT接入网络时拥有非常高的安全性。

当然，NB-IoT也有先天的局限性，它不适用于低时延、高可靠性的业务场景。然而，没有一种通信接入技术能够完全满足物联网生态链中所有的应用场景，因此，各种接入技术之间也存在着一定的互补性。NB-IoT凭借上述技术优势，非常适合应用在水电气热等基础设施中进行智能管理、交通智能调度管理、智能停车、空气土壤等的实时监测控制、集装箱等物流资源的跟踪与监测、家居安防设备的智能化控制管理，应用场景非常广泛。

4    NB-IoT目前的部署情况

虽然另外两种广域网通信技术SIGFOX和LoRa与NB-IoT的特点较为类似，在一定程度上也与NB-IoT技术形成了竞争关系。但由于其采用的是未经授权的频段，因此，未受到广泛关注和使用。NB-IoT技术则因其技术优势以及标准的完善和统一受到了全世界各主流运营商和通信设备提供商的青睐。据统计，全球已有超过40家运营商部署了NB-IoT商用网络，国内运营商也在积极推进NB-IoT业务，以期能在蓬勃发展的物联网产业中取得先机。工信部于2017年颁布了《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设的通知》，旨在引导国内NB-IoT产业的全面发展。

5    结语

截至2018年年底，在各大运营商、通信设备制造商以及通信芯片厂商为代表的供应方的主导下，需求方如水电等公共服务提供商的部署也逐渐完善，NB-IoT产业已在智能抄表、智慧停车、市政管理、智慧医疗、智能物流、公安消防、工业物联网等多个行业领域启动了商用部署。NB-IoT的连接数也已达到3 000万，并有望在2019年取得新的突破。目前，中国NB-IoT网络部署位居世界前列，产业链布局也已经初具规模。

[参考文献]

[1]戴国华，余骏华.NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J].移动通信，2016（7）：31-36.

[2]王晓周，蔺琳，肖子玉，等.NB-IoT的标准化及发展趋势研究[J].现代电信科技，2016（6）：9-16.

[3]钱小聪，穆明鑫.NB-IoT的标准化、技术难点和产业发展[J].信息化研究，2016（5）：23-26.

[4]刘玮，董江波，刘娜，等.NB-IoT关键技术与规划仿真方法[J].电信科学，2016（S1）：151-155.