论NB-IoT技术在物联网的应用

林立峰 胡达科 车 龙



论NB-IoT技术在物联网的应用

林立峰 胡达科 车 龙

海华电子企业（中国）有限公司 研发中心，广东 广州 510656

NB-IoT即窄带物联网（Narrow Band -Internet of Things），具有低功耗、低成本、广覆盖等特点，定位于运营商级、基于授权频谱的低速率物联网市场；在位置跟踪、环境监测、智能泊车、远程抄表、农业和畜牧业等领域拥有广阔的应用前景。对目前主流技术：GPRS、3G/4G、NB-IoT、LoRa进行了技术分析对比，最后详细介绍了NB-IoT技术在物联网运用场景下的特点及市场价值。

NB-IoT；低成本；物联网

１NB-IoT技术简介

2016年6月16日，在韩国釜山召开的3GPP RAN全会第七十二次会议上，NB-IoT对应的3GPP协议相关内容获得RAN全会批准并冻结，标志着历时2年的相关研究全部完成。3GPP预计，相关性能指标和终端一致性测试标准将在2017年底完成[1]。在我国，NB-IoT获得政府政策支持，相关标准制定工作稳步推进。工信部于2017年4月召开NB-IoT工作推进会，提出培育NB-IoT产业链，并要求年底建设基于NB-IoT标准的规模外场实验[2]。随着通信行业快速发展，人与人之间的通信市场日益饱和，物联网百亿级M2M新连接，正成为各方竞逐的下一个万亿市场。其中，NB-IoT作为物联网的重要分支，让运营商的转型之路豁然开朗。随着2016年标准逐渐成型，2017年NB-IoT将迎来规模商用的重要节点[2]。

2 NB-IoT物联网应用

物联网技术在各行各业的应用如火如荼。2016年，全球使用约64亿个物联网设备，每天有几百万个设备接入网络。万物互联的关键在于数据传输。从大方面分类来说，应用场景主要包括高速率，LPWA（低功耗广域网，Lower Power Wide Aera）和中速率三种，这三种业务特点如表1所示：

表1 物联网应用场景表

为满足不同的业务场景需求，各种技术不断涌现出来，比如近距离通信技术RFID，蓝牙，WIFi；公网通信技术GPRS，3G/4G，NB-IoT，LoRa；北斗卫星通信RDSS等。

其中，LPWA业务，对连接速率要求很低，但是对设备功耗和整机成本非常敏感，此类设备分布地域和领域很广，数量及其庞大。现有的3G/4G等技术成本较高，GPRS技术虽然已经大量商用，但是主要应用在对功耗要求不高的业务领域，无法满足未来LPWA的业务需求；另外，全世界的移动运营商也在逐步关闭2G网络。中国联通可能在2018年逐步关闭2G网络；日本和韩国已关闭2G网络；美国电信巨头AT&T于2017年1月1日关闭2G网络，另一个巨头Verizon也宣布，将会在2020年关闭2G网络；澳大利亚的澳洲电讯（Telstra）和澳都斯（Optus）于2016年12月关闭2G网络；新加坡规定，从2017年开始禁止销售2G手机等通信设备，从2017年4月份开始，该国移动运营商关闭2G网络。

LPWA业务特点如表2所示：

表2 LPWA应用场景分析表

现在主流的广域网组网技术是NB-IoT（窄带物联网，Narrow Band-Internet of Things）技术和LoRa技术，各自已形成较为完善的技术标准和生态链。技术对比见表3所示。

表3 NB-IoT和LoRa技术对比表

由上表可见，NB-IoT在覆盖，功耗，成本，连接数等方面最优，最符合LPWA类业务需求。举例：预计2017 年全球的智能水表安装数将由几百万只上升到3250万只，比例超过全部水表30%。目前，中国的智能水表安装比例仅为15%左右，预计在2017年起年均复合增长率将会超过30%。现在的水表大多采用M-Bus总线通信或者GPRS无线通信，功耗和成本都无法降低，故迫切需要一种技术如NB-IoT来解决当下问题。

3 NB-IoT技术特点

以下从技术方面分析NB-IoT的主要技术特点。

3.1 超低功耗

设备功耗与传输数据量有关，单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的高低。NB-IoT引入了eDRX（减少终端监听网络的频度）省电技术和PSM（节能休眠）省电模式，进一步降低了功耗，延长了电池使用时间。NB-IoT可以让设备时时在线，但是通过减少不必要的信令和在PSM状态时不接受寻呼信息来达到省电目的。在PSM模式下，终端仍旧注册在网，但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。eDRX省电技术进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。比如上海移远公司的BC95模块，在PSM模式下，功耗仅为5微安。该模块有三种工作模式：连接，空闲，PSM（休眠）。连接状态下，无数据交互20 s，模块进入空闲模式；空闲模式下，无数据交互180 s，进入PSM（休眠）模式。该处理机制可极大地降低模块功耗。

3.2 低成本

低速率、低功耗和低带宽带来的是低成本优势。低速率，味着不需要大缓存，所以可以缓存小，芯片配置可降低；低功耗，意味着射频设计要求降低，小的PA就能实现；低带宽，意味着不需要复杂的均衡算法。这些因素使得NB-IoT芯片可以做得很小，因此成本也就可以降低。以某芯片为例，NB-IoT芯片集成了BB、AP、Flash和电池管理，并预留传感器集成功能。其中AP包含三个ARM-M0内核，每个M0内核分别负责应用、安全、通信功能，这样在方便进行功能管理的同时，又降低了芯片的成本和功耗[4]。

4 NB-IoT市场模式

面向低功耗广域网络，目前已形成从“芯片—模组—终端—运营商—应用”的完整产业链。

芯片在NB-IoT整个产业链中处于基础核心地位，现在几乎所有主流的芯片和模组厂商，如华为海思、高通、英特尔、MTK、中兴微电子、大唐、展讯等厂商都有明确的NB-IoT支持计划。早在2014年，华为就斥资2500万美元收购了英国领先的蜂窝物联网芯片和解决方案提供商Neul，并火速推出Boudica 120型号商用芯片，这是业内第一款正式商用的NB-IoT芯片；高通发布了MDM 9206芯片；英特尔发布了XMM 7115芯片。华为芯片在2017年一季度实现量产。

在模组环节，由于具备渠道、技术、规模的优势，很多NB-IoT模组的出货量基本都掌握在原来拥有2G/3G/LTE模组产品线的厂商手中[5]。移远基于华为芯片发布了BC95模块；uBlox公司开发了SARA-N2模块；Telit公司发布了NE866模块。

在终端环节中，由于低功耗广域网络通信技术是众多行业所需要的，而终端的种类多种多样，无法形成少数企业拥有大规模终端的市场，因此终端市场极为分散，市场集中度较低。

在运营商环节，主流运营商非常明确会部署并运营NB-IoT网络，未来的NB-IoT网络运营仍将集中在三大运营商手里。在2016年，中国电信从工信部获得批准，使用低频段800 MHz作为LTE和NB-IoT广域覆盖的方案。基站同时支持LTE和NB-IoT与800 MHz LTE基站共享基带、射频及天馈资源。在不同频段组网的对比：1.8 GHz组网所需基站数是800 MHz的4.5倍；2.1 GHz组网所需基站数是800 MHz的6倍；2.6 GHz组网所需基站数是800 MHz的9倍。中国移动和中国联通部署在900 MHz、1800 MHz频段，用于NB-IoT和VoLTE。在900 MHz采用DSSS动态频谱解决方案，在1800 MHz连续覆盖区域，部署5 MHz带宽的LTE，在没有1800 MHz连续覆盖的区域，带宽自动缩窄到 3 MHz，但中心频点保持不变，两侧空出的频谱，自动部署14个GSM频点。

4.1 标准情况

2016年3月，NB-IoT标准的核心功能冻结；2016年6月，NB-IoT功能全部冻结；2016年9月，NB-IoT标准的性能冻结；2016年12月，NB-IoT标准的射频一致性冻结。当前3GPP为R13，不支持基站定位，NB-IoT网络可平滑升级到R14。R14支持基站定位，目标精度为30～100 m；下行峰值速率提升至80 kbps，上行峰值速率可提升至105 kbps；省电方面，支持最大功率为14 dBm的终端类型，以在覆盖要求不强烈的场景下低成本支持更小的芯片和模块体积。R15标准正在立项中，可进一步增强满足5G-mMTC对LPWA场景的需求。

4.2 应用案例

2017年3月22日，即第25个世界水日的当天，深圳水务集团，中国电信和华为联合发布首个NB-IoT物联网智慧水务商用项目，这是NB-IoT技术迈入试商用阶段的一个里程碑。该项目在深圳盐田区部署了约1200只具有NB-IoT功能的智能水表，通过深圳电信网络和深圳水务业务平台，全面升级水务管理系统，迈向智慧水务时代。智慧水务主要应用为管网检测、户表读抄，与传统方式相比较，可以有效避免误读漏报和管道泄漏带来的经济损失，降低了运营成本；进而提供更有针对性的动态管理，分析出不同群体的用水习惯，从而更加科学、合理地指导给水管网建设和改造，给老百姓带来便捷和安全。

5 NB-IoT总结与展望

从人与人通信过渡到物与物通信时代，运营商均将物联网视为救命稻草之一。2017年围绕NB-IoT的终端、网络布局势必成为电信市场竞争焦点之一。然而，运营商想抢食NB-IoT市场蛋糕也并非易事。一是NB-IoT在功耗、成本方面仍存在不足；二是相较于公网市场，物联网市场更加碎片化，所面临的使用场景和客户需求更加多元化；三是NB-IoT也面临其他技术产业生态的挑战[6]。目前，已有16个国家部署了LoRa网络，继Orange、SK、TATA、软银等主流运营商之后，全球最大的有线电视运营商Comcast日前宣布部署LoRaWAN物联网专用网络。广阔的物联网市场，技术和标准不止一个，最终哪种技术将占据市场主流，哪家运营商将占据市场制高点，取决于产业生态和平台的搭建能力。

[1]赵艳薇.3GPP通过NB-IoT标准物联网行业蓄势待发[J].通信世界，2016（17）：67-67.

[2]互联网-《2017或成NB-IOT规模商用元年 物联网孕育下一个万亿市场_物联网_中国信息产业网》[OL].2016(12).09.

[3]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, 40(7):31-36..

[4]互联网-《重磅来袭：系列二 史上最全NB-IoT技术方面的系列问题和联盟答案 - 2017第九届中国国际物联网博览会》[OL].2016，8.26.

[5]互联网-《NB-IoT、LoRa低功耗广域网络的市场结构及产业分析》[OL].2016，9.14

[6]Wang Y P E, Lin X, Adhikary A, et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)[J]. 2016.

The Application of NB-IoT Technology in Internet of Things

Lin Lifeng Hu Dake Che Long

R&D Center，HaiHua Electronics Enterprise（China）Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510656

NB-IoT Networking（Narrow Band -Internet band of Things）, has the characteristics of low power consumption, low cost, wide coverage, positioning in the operator level, based on the spectrum of low rate networking market; have broad application prospects in position tracking, environmental monitoring, intelligent parking, remote meter reading, and agriculture animal husbandry and other fields.In this paper, the current mainstream technology: GPRS, 3G/4G, NB-IoT, LoRa technical analysis and comparison, the final details of the NB-IoT technology in the context of the use of Internet of things and market value.

NB-IoT; low cost; Internet of things

TN929.5

A

1009-6434（2017）04-0142-03

林立峰（1981—），男，高级工程师，硕士，主要从事物联网、室内外定位的研究工作。胡达科（1988—），男，嵌入式工程师，硕士，主要从事车载视频定位终端的系统研发工作。车龙（1989—），男，硬件工程师，硕士，主要从事物联网、可穿戴设备的系统研发工作。