窄带物联网应用浅析

祁家榕，张昌伟，郭永安

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)



窄带物联网应用浅析

祁家榕，张昌伟，郭永安

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

随着物联网的快速发展,旧有的一些传输协议面临着一些局限性,窄带物联网是一种最新提出的专门针对物联网应用的传输方式。首先针对目前窄带物联网的研究现状和未来的应用进展进行了大致介绍，讨论了窄带物联网的独立布置、保护带布置和带内布置三种部置方式，并且针对现在方兴未艾的“互联网+” 趋势提出了几种窄带物联网可能的使用场景。最后阐述了窄带物联网的发展前景及未来的挑战。

物联网；NB-IOT；部署方式；LTE

0 引言

未来所有电子设备都会通过网络被连接到一起。在这种网络社会中，每个人或组织的生产力都将被极大地激发出来。未来实现这种万物互联的社会，物联网技术是至关重要的，因为物联网技术做到了机器与机器(M2M)和机器与人的连接，可以极大地促进人类社会的发展[1]。

目前，有很多技术可以用于物联网信息的传输，比如蓝牙、无线局域网、红外、LTE等。在这些技术中，有的技术着重于小范围的传输，有些技术侧重于覆盖范围的增强，但是却没有一个专门针对于物联网传输的协议。与目前人们所熟知的互联网相比，物联网作为一种新兴的事物有着很多与互联网不同的地方。首先它是各种感知技术的广泛应用。在物联网系统中,放置的传感器数量是海量的,且包含了各种各样的种类,每种传感器的功能不同,收集到的信息的内容和格式也各不相同，每一个传感器都是一个独立的信息收集节点。各种类型的传感器按照事先设定好的频率每隔一段时间收集一次信息，并将收集到的信息不断地上传到指定的服务器或处理单元，这种信息的收集和传输都是实时的。这是一种利用现有互联网的基础设施传输新的数据类型、连接新的通信终端的新型网络，即“泛在网络”。虽然是一种新型的传输网络，但是其最基本的通信还是基于互联网的，也可以说物联网是依附于互联网的存在而存在的，物联网利用互联网的各种信息传输方式，包括有线的和无线的，最终的目的都是将各类传感器收集到的信号准确无误地传输到指定的地方。由于物联网的特征之一就是在网络中包含了海量的传感器节点用于收集各种信息，因此由这种传感器产生的数据也将是非常巨大的，为了保证收集到的信息能够被及时无误地传送，这些物联网节点必须具备适应各种网络和协议的能力。而且在物联网的设计之初，这一网络所需要提供的不仅仅是一个各种传感器相互连接的途径，还需要包括处理加工数据的数据分析能力，通过这种方式可以实现对于传感器收集到的信息的反馈，从而实现“智能工厂”、“智慧城市”等目标。物联网的一大创新之处就是数据传输与数据处理相结合，通过结合大数据分析、行为识别等新技术来扩展其应用的范围。可以说，物联网的未来发展将会极大地改变人们的生活及对于生活方式、生产方式的认识。

因此，针对物联网传输的低速率、宽覆盖、大连接、生命周期长等特点，3GPP组织专门针对物联网发布了窄带物联网标准，即Rel-13。相对于其他标准，窄带物联网主要有以下几个特点：

(1)覆盖广。对于室内传输，将提供更高的增益，与现有技术相比，在同样的频带条件下，窄带物联网将提供比现有技术高20 dB的增益，这样可以使得窄带物联网的覆盖范围扩大100倍。

(2)支持大连接。在特殊情况下，一个LTE小区可以支持数百万个IoT设备，核心网络容量的增加主要得益于软件的升级、信号的优化和高容量平台的使用。

(3)低成本设备。通过降低峰值速率、存储需求和设备的复杂性来降低模块的综合成本。从图1可以看到从Cat 1标准到NB-IOT标准，设备的花费在不断地降低，电池寿命在不断提高。

(4)提高电池寿命。在省电模式电池寿命最长可达10年，这些特征使得设备可以只在有需要时才连接网络，在其他时间可以处于睡眠或休眠状态，大大节约维护的成本，甚至可以做到终身无需更换电源。这在未来的一些应用场景特别是传感器数量规模十分巨大时是非常必要的[2]。

图1 3GPP演进路线图

图1显示的是3GPP从开始到现阶段的发展演进趋势，可以看出，在最近一次的NB-IoT标准中，突出的就是降低器件的成本，进而可以快速地进行大范围部署。图2显示了窄带物联网与其他低功耗广域网的各项技术对比，可以发现虽然在一些指标上窄带物联网落后于其他的一些广域网技术，但是就整体情况来说，针对物联网小数据、多终端的数据传输特征，窄带物联网是目前应用在物联网场景中最为合适的技术。

图2 NB-IOT和其他低功耗广域网的比较

1 NB-IOT的关键特征

窄带物联网作为基于蜂窝的一个分支，依附于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的带宽，并且主要有三种不同的部署方式，最大程度地增强了网络的适应性。这三种部署方式分别是独立部署、保护带部署和带内部署。当用户设备第一次开机寻找载频时，基站就应当向用户设备显示使用何种部署方式。与现有的LTE用户设备一样，窄带物联网设备只需以100 kHz间隔搜寻载频即可。图3表示的是利用10 MHz的LTE载波部署窄带物联网的方式，处于直流载波附近的第25个资源块的中心频率是97.5 kHz。由于LTE直流子载波频率是100 kHz，中心频率97.5 kHz的第25个资源块与100 kHz有2.5 kHz的间隔。相邻两个资源块的间隔是180 kHz，因此第30、35、40和45的资源块距离最近的100 kHz频点都是2.5 kHz。对于3 MHz、5 MHz和15 MHz的LTE载波，资源块中心频率距离最近的100 kHz整数倍频点最少相差7.5 kHz。而且窄带物联网的锚载波不应是LTE载波中间的6个，这是因为LTE同步和广播信道占据了很多中间6个资源块的资源。与带内部署类似，一个保护带部署窄带物联网锚载波不应偏离100 kHz整数倍频点超过7.5 kHz[3]。

图3 NB-IOT部署方式示意图

2 NB-IOT的应用

物联网技术把最新一代的通信技术带入到人们生活的方方面面，与互联网结合共同组建“互联网+”时代，具体地说，就是利用传感器和网络将各个事物比如铁路、电网、公路、城市交通等都连接到一起，然后将这些传感器收集的数据通过传感器发送到数据中心，通过与现有的互联网技术协同工作，实现了人类社会和科学技术的有机结合，分工合作。在这个超级庞大的网络系统中，除了各种各样的传感器外，还需要有计算能力强大的超级计算集群，可以通过复杂的数据计算处理收集到的海量数据，从而实现网络中人员、设备、资源的实时调度和控制。在此基础之上，整个社会都能以一种更加精细化的方式动态、实时调整人们的生活和生产方式，从而实现生产效益的最大化、生产过程的最优化，提高对各种资源的利用水平，实现人与自然的和谐发展。图4显示了物联网在生活中的各种应用，可以看到，物联网技术可以应用于生活的方方面面，将会极大地改变人们的生活。

图4 物联网的应用领域

3 结束语

物联网技术可以应用于各种行业，比如日常购物、健康监护、物流运输等。在这些行业中引入物联网技术，一定可以大大提高这些行业的生产效率和经济效益。对于普通大众，相对于物联网技术来说，更关心的是这些服务的收费和服务方式。因此对于物联网服务提供商来说，在现阶段应该以服务为主，先解决有没有的问题，平衡好技术和市场之间的关系，这样才能取得最高的经济效益。业界普遍认为，在未来的5到10年内，物联网这一概念将得到井喷式的发展。

现在，物联网技术可谓方兴未艾，发展势头很猛，但需要审慎地对待这种发展，任何新事物的产生和发展都不会是一帆风顺的，都会出现各种各样的困难，但是其发展趋势是不会改变的，也需要对这一新兴事物抱有耐心和信心。未来的物联网时代将比现在更加丰富多彩，如果用一句话概括未来的物联网生活，那就是“身在外，家就在身边；回到家，世界就在眼前”。

[1] SHARIATMADARI H, RATASUK R, IRAJI S. Machine-type communications: current status and future perspectives toward 5G systems[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(9): 1-2.

[2] ERICSSON.Cellular networks for massive IoT.[EB/OL]. (2016-XX-XX)[2017-02-01].https://www.ericsson.com/res/docs/whitepapers/wp_iot.pdf.

[3] WANG Y P E, LIN X Q, ADHIKARY A, et al. A primer on 3GPP narrowband Internet of things(NB-IoT)[J]. IEEE Communications Magazine, 2017,55(3): 117-123.

Maxim面向外部照明和高级安全应用推出车载LED控制器，兼具快速响应时间和低EMI

近日，Maxim宣布推出MAX20078同步降压、高亮度LED控制器，是业内唯一一款可同时提供快速响应和低电磁干扰(EMI)的器件，理想用于外部LED照明和高级安全产品。该LED控制器可理想用于矩阵式照明设计，为设计者提供高性能解决方案，设计便利，大幅缩短产品上市时间。

MAX20078提供超快响应速度，支持更平滑的瞬态响应，无需外部补偿元件，也可提供较宽的调光比，器件集成了故障保护和监测电路。MAX20078同时支持快速LED开关和低EMI，设计人员不必担心顾此失彼。以上特性结合设计的简单性和开关频率选择的灵活性，能够帮助设计者将产品快速推向市场。

(Maxim Integrated 供稿)

Application of narrowband Internet of Things

Qi Jiarong, Zhang Changwei, Guo Yongan

(College of Telecommunications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

With the rapid development of Internet of Things, some of the old transmission protocol faces some limitations. Narrowband Internet of Things is a new kind of special application for the Internet of Things transmission. In this paper, the current research situation and future application of narrowband Internet of Things are introduced. The deployment of narrowband IOTs, deployment of protection band and in-band deployment are discussed. In view of the current “Internet+” trend, several narrowband Internet of Things application scenarios are proposed. Finally, the development prospect and future challenges of narrowband IOT are expounded.

Internet of Things; NB-IOT; deployment; LTE

TN929.53

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.004

祁家榕，张昌伟，郭永安.窄带物联网应用浅析[J].微型机与应用，2017,36(13)：10-12.

2017-02-11)

祁家榕(1993-)，女，硕士研究生，主要研究方向：电子与通信工程。

张昌伟(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电子与通信工程。

郭永安(1981-)，男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向：无线通信技术、物联网技术和应用、网络虚拟化等。