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NB—IoT的技术背景及面临的挑战
作者：张旭 邓菲菲 何天爱
来源：《电脑知识与技术》2017年第06期
摘要：该文对窄带物联网（NB-IOT）的技术特点进行简要介绍，并将NB-IoT技术与现有其他物联网连接技术的进行分析对比。NB-IoT具有低速率、低功耗、低成本、高容量、广覆盖、多连接等特点，随后介绍了NB-IoT技术现今的行业应用和发展情况，包括交通行业、卫生医疗、公共设施、物流业、抄表、工业制造、商品零售行业、智能家居、智能农业、企业能耗管理等行业。最后阐述NB-IoT面临的挑战。 关键词：窄带物联网；低功耗广域网；背景
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）06-0089-02 Abstract：In this paper， the narrowband Internet of things （NB-IoT） is introduced. The main advantages of NB-IoT are including low rate， low power consumption， low cost， high capacity， wide coverage， multiple connections etc. And potential applications of NB-IoT technology are listed including the transportation sector， health care， public facilities， the logistics industry， meter reading， industrial manufacturing， retail industry， smart home， intelligent agriculture， energy management， etc. Finally this paper provides the challenge and future analysis of NB-IoT.
Key words：NB-IoT； low-power wide-area network； background 1 背景
随着大数据时代的来临，各业界都非常认可未来万物互联互通的发展趋势。然而一个不容忽视的现实情况是，真正承载到移动网络上的物与物联接只占到联接总数的10%，大部分的物与物联接通过蓝牙、WiFi等技术来承载。从电信运营商的角度来言，当前的物联网架构并无法为其提供额外的利润支持，随着传统电信业务利润越来越薄，整个电信行业都在寻找新的利润增长点，面向人和人连接的市场越来越接近饱和，而面向人和物、物和物的巨大市场则刚刚兴起。一个强有力的蜂窝物联网基础网络，变得迫切而且重要[1-2]。2016年6月16日，窄带物联网（NB-IOT， Narrow Band Internet of Things）作为3GPP R13一项重要课题，获得3GPP批准。这正式宣告了无线产业广泛支持的NB-IOT标准核心协议历经两年多的研究已全部完成，标志着从现有的移动通信架构基础上，为连接越来越多的设备提供了标准。
据GSMA预测显示，NB-IoT在2020年将达到30亿的连接；Machina亦预测，NB-IoT未来将覆盖25%的物联网连接。[3]Gartner预测，2016年将有64亿物联网设备投入使用，同比增长30%，并将在2020年达到208亿。随着万物互联时代的来临，物联网正成为所有行业、
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设备的必需。同时，云计算、大数据的普及，让设备更加倾向于连接到互联网中，[5]这让NB-IoT迎来了众多发展机遇。 2 技术特点
NB-IOT作为LPWAN（LOW-POWER WIDE-AREA NETWORK，低功耗广域网）的技术代表，与其他热门的物联网技术例如eMTC、EC-GSM、Sigfox、LoRa等从技术参数而言，差异性如图1。 Sigfox、LoRa和GSM、Nb-iot的区别则是前两者工作在非授权频段，后两者是工作在授权频段，有3GPP组织进行了标准定义。[6]NB-IOT和GSM相比而言，又具备了更低功耗（电池寿命超过十年）、更低成本（每个模块不足5美元）、更强覆盖（比GSM增强20dB）以及更多连接（单个小区能支持10万连接）等几大优势，成为当前最新、最热门的物联网通信技术。
NB-IoT构建于蜂窝网络，使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。它聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，具有窄带、低速率、低功耗、低成本、高容量、广覆盖、多连接等特点。
1）窄带：上行可选3.75KHz或15KHz带宽，两种模式（单音或多音）；下行OFDMA占用200KHz宽带，两边各占用10K保护带，子载波数量12，子载波带宽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。
3）低功耗：聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。
4）低成本： NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。
5）高容量：根据TR45.820中典型业务模型下的仿真测试数据，单小区可支持5万个NB-IOT终端接入。
6）广覆盖：NB-IoT室内覆盖能力强，不仅可以满足农村这样的广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。
7）多连接：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。 3 NB-IOT应用
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尽管标准制定刚刚完成，NB-IOT应用已经逐渐铺开，并在实践中得到了各方肯定。相关应用主要在以下几类行业中：
1）交通行业。涉及车载信息服务、车载定位监控、车载WIFI、车载视屏监控、车辆防盗等。用户只要安装看APP即可通过收据查找附件停车位，并可支持导航等功能。与传统的停车方案相比，这一基于NB-IOT的试点改变了需要通过中继网关收集信息再反馈给基站所存在的复杂网络部署、多网络组网、高成本等诸多问题。
2）卫生医疗。涉及无线血压计、儿童定位手表、老人智能手表等。 3）公共设施。涉及城市灯光管控、城市气象监测、城市设施监控等方面。 4）物流业：涉及物流车辆调度、物流追踪管理等。 5）抄表。涉及用户水表、家庭燃气表、用户电表等。 6）工业制造。涉及智能产品售后服务、智能工厂等。 7）企业能耗管理。涉及园区、大厦、企业等能源监管。 8）智能家居。涉及家居智能监控、家居安全防护等。 9）智能农业。涉及农业养殖等实时情况搜集和监控。
10）商品零售行业：涉及移动货架、自动售货机、金属POS机等。 4 NB-IOT面临的挑战
中国政府多次证实将在2020年实现5G商用，如今面向5G的各类技术已经迅速升温，不少技术方案已经逐渐落地。NB-IoT作为低功率广域网的代表技术，也是5G非常核心和重要的部分，如图2所示，低速率、低功耗、时延不敏感的设备将占据整个物联网中60%左右的份额。
但是NB-IoT作为一个全新标准的技术，受到来自Sigfox和LoRa技术的竞争压力（产业链较为成熟，商业化应用较早），不过Sigfox和LoRa属于非授权频段，不被运营商和设备商看好。同时尽管NB-IoT市场前景广阔，但火热背后也存在着价格战。NB-IoT成本极低，大规模应用下成本将降至1美元，目前单个连接模块还停留在5美元。而蓝牙、Thread、ZigBee三种标准的芯片价格在2美元左右，仅支持其中一种标准的芯片价格还不到1美元，这种价格差距让企业思考NB-IoT时不得不考虑成本优势问题。