物联网NB―IoT技术及应用前景

物联网NB―IoT技术及应用前景

谢永基

中国移动通信集团广东有限公司佛山分公司

摘要：基于窄带物联网（NB-IoT）的技术特点、组网方法及潜在应用场景，指出了其发展过程中面临的关键问题，包括NB-IoT的数据安全与传输可靠性，NB-IoT向宽带物联网（WB-IoT）演进的问题，以及物联网设备连接需求的低、中、高速率共存的问题。认为多速率物联网设备的研究将是下一阶段NB-IoT发展的重点方向。

关键词：互联网；物联网；NB-IoT

一、物联网的起源

物联网（IoT）是在互联网基础上延伸与扩展的一种网络，通过信息传感设备（例如无线传感器节点、射频识别装置、红外感应器等）按照事先约定的协议，将世间万物与互联网连接起来，并进行信息的交换和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监测控制和管理。IoT包括两个主要方面，即物与物之间的信息交互和人与物之间的信息交互。IoT通常可以分成3层，即感知层、网络层和应用层。感知层通过实时感知，随时随地对物体进行相关信息的采集和获取，并将收集到的物理信息传送至网络层；网络层通过将物理世界接入到信息网络，进行安全可靠的信息交互和共享；应用层则对感知信息和数据进行相关分析和处理，以实现智能化决策和控制。时至今日，IoT迎来了新的发展机遇和浪潮，极大地推动了智能交通、智能家居、智慧医疗以及智慧物流等行业的快速发展，成为社会发展的重要动力，由此可能引发新一轮的工业革命。

二、NB-IoT概述

2.1NB-IoT的发展背景

近年来，IoT发展迅速，世界万物都可以通过互联网相互连接，其中包括一些高速率业务（如视频类业务等），以及一些低速率业务（如抄表类业务等）。据不完全统计，低速率业务占据IoT业务的67%以上，且低速率业务还没有良好的蜂窝技术来提供支持[6]，这也意味着低速率广域网技术拥有巨大的需求空间。在IoT不断发展的同时，IoT通信技术也日趋成熟，其中广域网通信技术的发展尤其明显。广域网通信技术按频谱是否授权可以分成以下两种类型：

（1）非授权，如Lora和Sigfox等；

（2）授权，3GPP制订的蜂窝通信技术，如2G、3G、4G，以及基于4G演进而来的长期演进（LTE）CAT-NB1，也称为窄带物联网（NB-IoT）技术。

综合来说，NB-IoT具有迫切的市场需求，同时也具备良好的通信网络支撑，因此拥有广阔的发展前景。

2.2NB-IoT的关键技术

本小节简要介绍了NB-IoT相关的主要内容，着重从以下4个部分来介绍。

（1）NB-IoT主要技术特点

NB-IoT是在LTE基础上发展起来的，其主要采用了LTE的相关技术，针对自身特点做了相应的修改。

NB-IoT的物理层，射频带宽为200kHz，下行采用正交相移键控（QPSK）调制解调器，且采用正交频分多址（OFDMA）技术，子载波间隔15kHz；上行采用二进制相移键控（BPSK）或QPSK调制解调器，且采用单载波频分多址（SC-FDMA）技术，包含单子载波和多子载波两种。单子载波技术的子载波间隔为3.75kHz和15kHz两种，可以适应超低速率和超低功耗的IoT终端。多子载波技术的子载波间隔为15kHz，可以提供更高的速率需求。

NB-IoT的高层协议（物理层以上）是基于LTE标准制订的，对多连接、低功耗和少数据的特性进行了部分修改。

NB-IoT的核心网基于S1接口进行连接。

（2）NB-IoT的频谱资源

IoT是未来通信服务市场的核心增量用户群，中国四大电信运营商对NB-IoT的发展都很支持，各自都划分了NB-IoT的频谱资源，具体如表1所示。其中联通已经开通了NB-IoT的商用网络。

表1

图1

（4）NB-IoT的组网

NB-IoT组网如图2所示，主要分成了如下所述的5个部分。

图2

?NB-IoT终端：支持各行业的IoT设备接入，只需要安装相应的SIM卡就可以接入到NB-IoT的网络中；NB-IoT基站：主要是指运营商已架设的LTE基站，从部署方式来讲，主要有上面介绍的3种方式；

?NB-IoT核心网：通过NB-IoT核心网就可以将NB-IoT基站和NB-IoT云进行连接；

?NB-IoT云平台：在NB-IoT云平台可以完成各类业务的处理，并将处理后的结果转发到垂直行业中心或NB-IoT终端；

?垂直行业中心：垂直行业中心既可以获取到本中心的NB-IoT业务数据，也可以完成对NB-IoT终端的控制。

2.3NB-IoT的相关应用

根据NB-IoT的技术标准，NB-IoT所支持的相关应用具有以下几个主要特点。

（1）低速率属性

通过前面的相关介绍可知，NB-IoT主要是为了解决IoT中低速率业务而提出的。NB-IoT采用了低阶调制，低速率也是其主要特征。

（2）高时延属性

NB-IoT具有很强的覆盖能力。为了实现高可靠的广域覆盖，NB-IoT网络中的数据传输可能需要进行多次重传，从而导致较大的通信时延。当前NB-IoT标准设想的数据传输时延可能会达到10s。

（3）低频次属性

顾名思义，低频次就是指单位时间内业务数据传输次数不能过于频繁。过于频繁的数据传输不仅会增加IoT终端的功率消耗，也会对NB-IoT网络时延提出更为严苛的要求。

（4）移动性弱特性

由于NB-IoT对终端功耗有很高的要求，NB-IoTRel-13标准中不支持连接状态的移动性管理，包括相关测量、测量报告、切换等，以达到节省终端功耗的目的。

2.4NB-IoT的应用场景

随着IoT通信技术的快速发展，尤其是NB-IoT技术日趋成熟，IoT技术将不断渗透到各行各业。NB-IoT技术正飞速走进人们的生活，其支持的应用场景如下：

?智慧市政，包括水、电、气、热等基础设施的智能管理；

?智慧交通，包括交通信息、应急调度、智能停车等；

?智慧环境，包括水、空气、土壤等实时监测控制；

?智慧物流，包括集装箱等物流资源的跟踪与监测控制；

?智慧家居，包括家居安防等设备的智能化管理与控制。

三、NB-IoT技术特点

根据NB-IoT已达成的标准规范，具备以下特点：

（1）带宽为180kHz，和现有LTE系统的一个PRB的带宽相同；

（2）下行采用OFDMA，子载波间隔为15kHz（和LTE相同）；上行支持两种模式，多载波15kHz和单载波3.75kHz；

（3）全新的物理信道和信号，对下行的PBCH、PDSCH、PDCCH采用单一的TM传输模式；

（4）降低终端成本和功耗，采用半双工方式，一根接收天线；

（5）为充分利用现有LTE网络资源，同时提供灵活的零散频率资源部署，NB-IoT建议部署模式：独立模式、保护带模式和带内模式。

根据参考文献[2]，NB-IoT计划实现以下目标：

（1）实现广域覆盖和深度覆盖，比传统的GPRS技术增强20dB；

（2）实现大容量终端接入；

（3）实现降低的终端成本，每个终端低于5美元；

（4）实现低功耗，在5Wh时提供大于10年的支持；

上述每一项目标都是一个巨大挑战，本文重点分析NB-IoT的覆盖增强技术。

四、NB-IoT发展面临的潜在问题

NB-loT发展过程中可能面临以下两类主要问题，即数据安全与传输可靠性问题，以及NB-IOT向宽带物联网（WB-IoT）的过度演进。

4.1数据安全与传输可靠性

NB-IoT发展中面临的IoT数据安全与传输可靠性问题可能由两方面引起：一方面是来自NB-IoT网络外部的攻击和窃听行为，另一方面是NB-IoT网络内部的信号干扰。

如图3所示，NB-IoT网络进行数据信息交互时，可能会面临外部用户的恶意攻击，从而降低网络信息传输的成功概率。随着恶意攻击行为的增加，NB-IoT网络信息交互的中断概率会随之上升，这也将导致数据重传次数的增加，从而加重NB-IoT网络的通信负担，甚至可能会导致网络的瘫痪。

从功耗的角度来看，NB-IoT网络设备需要具备很长的网络生存周期，然而重传次数的增加也会降低NB-IoT终端设备的生存周期。此外，从信息安全的角度来看，当NB-IoT网络进行信息交互的同时，还可能存在恶意窃听行为，这将破坏数据信息传输的安全性。并且随着网络信息重传次数的增加，数据信息的安全性也越容易遭受到破坏。概括来说，外部用户的恶意攻击和窃听行为不仅降低了NB-IoT网络信息传输的可靠性，也将恶化NB-IoT网络信息的安全性。

图3

此外，NB-IoT终端设备的增多也会消耗更多的LTE资源块。随着NB-IoT网络的演进发展，海量的接入设备可能会导致NB-IoT网络面临严重的同频干扰问题，这也会显著降低NB-IoT网络信息传输的可靠性。

4.2WB-IoT演进问题

根据当前的统计数据分析，IoT网络中67%以上的终端设备都具有低速率属性。然而，随着社会经济的发展，IoT网络中终端设备的速率需求也将发生变化，进而可能会出现低速率、中速率，以及高速率并存的应用场景，这也就导致当前的NB-IoT网络不能满足将来IoT设备的异构需求。由于IoT网络对终端设备具有严格的功耗限制，现有的蜂窝网络可能无法满足未来IoT网络发展的相关需求。因此，WB-IoT的需求也将越来越迫切。

结束语

各行业对智慧化及产业转型升级的需求越来越迫切。NB-IoT技术应运而生，它是基于蜂窝网络的通信技术，具备广域覆盖、海量接入、低功耗等特征。随着NB-IoT对行业的不断渗透，生态体系的不断完善，会给社会带来深远的影响。此外，随着社会的不断发展，IoT设备的速率需求会由以低速率为主转向低、中、高速率共存。低速率的NB-IoT技术将主要应用于对通信时延低敏感的市政应用，而智能停车网络等大规模应用则需要相对较高的数据速率及较低的容错率以避免事故的发生。同时，更多的IoT应用在不同的时间和地点也都有着不同的速率要求。因此对于多速率IoT设备的研究将会是NB-IoT发展的重点方向之一。

参考文献

[1]纪伟.NB-IOT的发展现状及运营商发展策略2014.9

[2]赵艳薇.3GPP通过NB-IoT标准物联网行业蓄势待发2016.7

[3]许文强，祁昊颖.NB-IoT试商用组网方案2011.9