窄带物联网标准与关键技术浅析

付艳



窄带物联网标准与关键技术浅析

付艳

中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）的优点为功耗低、覆盖面广。随着物联网技术的崛起，窄带物联网技术也在逐渐被更多的人所重视。窄带物联网的出现使物联网领域发生了巨大的变化，满足了物联网行业发展的各项要求。窄带物联网的各项标准是在2016年6月份确定下来的，并且在2016年冬季开始进行测试并且试运行，2017年上半年已经开始在商业领域进行运用。通过研究窄带物联网关键技术，对其发展做了简要的阐述，从而为后续研究提供一定的参考。

窄带物联网；关键技术；应用前景

引言

物联网与传统的网络通信存在很大的差别，物联网具备大量数据传输的功能，而且不耗费大量的资金和能源，同时还能满足各种数据传输的要求。物联网传输数据与其他方式的数据传输最大的差别是安全性能。另外，低耗能的传输模式可以最大限度保证信息的安全性。随着物联网的不断发展，窄带物联网应运而生。窄带物联网传输数据的速度更快、安全性能更高。总结来说，窄带物联网具有五大特点：大容量、广覆盖、低功耗、低成本和高稳定性。

1 窄带物联网的发展

窄带物联网技术作为物联网通信技术的重要构成之一，具有现代化和创新性等特点，因此受到了各行各业的广泛关注。近年来，窄带物联网逐渐成为重点研究项目。窄带物联网技术的合理使用有助于短距离通信传输和广域网通信传输，是3GPP标准组织中提出的一种新型窄带蜂窝通信技术。

相比而言，窄带物联网技术和传统的物联网的区别在于，具有强大的兼容性，通过在蜂窝物联网无线技术的基础上来构建新的形式，在使用过程中能够有效解决室内覆盖范围的问题，支持各种分辨率的设备接入，对于低时延的现象比较敏感，有效降低了物联网通信网络建设的设备成本，进一步优化物联网通信网络的架构，确保物联网通信技术低功耗的优势[1-2]。目前，窄带物联网技术在实际的应用操作中还存在着不足之处，这就需要我们针对不同场景对窄带物联网技术的应用情况进行仿真，以此来明确窄带物联网技术的使用特性，从而促进物联网通信技术领域的进一步发展。

从行业发展空间来看，根据Gartner预测，我国物联网服务方面的支出增长了22%，传统的3G、4G网络已无法满足人们生活的需求。当前，大部分物联网设备仍然使用蓝牙、Wi-Fi等连接方式，仅有10%使用了窄带物联网技术。但是随着现在社会越来越关注窄带物联网技术的应用，窄带物联网技术也会得到大幅提升，从而实现真正意义上的推广。这一现象也势必会为运营商的投资提供新的收益[2]。

目前，我国有着相当一部分的企业已开始在经营过程中使用窄带物联网技术，并且拿到了全球三代合作伙伴的“通行证”，建立了一套完善精准的技术标准规范。这一点进一步体现出了窄带物联网技术的高效性和迅捷性，也说明了窄带物联网技术可以适用企业生产中的个性化需求。值得庆幸的是，有相当一部分的企业已经开始掌握与窄带物联网技术相关的核心研发技术。这一成果为企业在技术研发的过程中取得了领先的地位。

2 窄带物联网标准和工作模式

2.1 窄带物联网的标准

（1）窄带物联网和其他物联网一样，具有和目前大部分网络相同的带宽，即180 Hz的带宽。

（2）为了保障下行两种模式能够自由运用，分别是多载波15 kHz和单载波的3.75 kHz，下行应使用OFDMA，子载波间隔应是15 kHz。

（3）窄带物联网通过利用先进的数据传输通道和信息，降低设备成本和能耗，使用了半双工的方式。

（4）窄带物联网划分为三个层面：感知层、网络层和应用层[3]。

人是万物之灵，任何一项活动都要靠人去实践，因此建立一支好的会计队伍是会计职业道德建设的根本。那么如何建设会计队伍呢？首先，在选用人上。在用人上除了是否具备从业资格等硬件条件外，更要注重个人的品行。在实践中对那些品行不端的人坚决不能任用。其次，在后续教育上。业务素质的提升离不开后续的教育，教育的途径多种多样，有职称考试、会计人员从业资格的继续教育、自考学历等。企业要为那些想学、肯学的会计人员提供条件、搭建平台。如：对考出的人员进行奖励、给予考前复习公休、统一联系召集继续教育的培训等。通过选用人、教育人打造一支道德品行、业务素质过得硬的会计队伍。

（5）覆盖增强，低时延敏感。

根据TR45.820的仿真数据，可以确定在独立部署方式下，窄带物联网覆盖能力可达164 dB，带内部署和保护带部署还有待仿真测试。

在耦合耗损达164 dB的环境下，有着稳定可靠的数据传输。由于大规模的数据传输会导致延时增长，因此TR45.820中仿真测试了异常报告业务场景、保证99%可靠性、不同耦合耗损环境下的时延（区分有无头压缩）[4]。

（6）不支持连接态的移动性管理。

窄带物联网创造之初就被认为能够为适用移动性支持不强的应用场景。窄带物联网的应用同时也可简化终端的复杂性、降低功耗，Rel-13中窄带物联网将不支持连接态的移动性管理，包括相关测量、测量报告、切换等。

2.2 窄带物联网的工作模式

窄带物联网目前局限于FDD模式的数据传输。目前所采用的主要的带宽是180 kHz。同时窄带物联网有三种工作模式。

（1）Standalone模式：可以利用单独的频带，适合用于GSM频段的重耕。

（2）Guardband模式：可以利用LTE系统中边缘无用频带。

（3）Inband模式：能够使用LTE载波中间的任何资源块。对于Inband模式来说，窄带物联网无限接近于LTE资源块，为了避免干扰，3GPP要求窄带物联网信号的功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超过6 dB。

这三种工作模式都有自己的优缺点，在今后的发展过程中都需要进行改良。

3 窄带物联网的关键技术

3.1 PSM（Power Saving Mode）

PSM就是所谓的低功耗形式，其原理是允许UE在进入空闲态一段时间后，关闭信号的收发和AS（接入层）相关功能，相当于部分关机，从而减少天线、射频、信令处理等的功耗消耗。

特点概括如下：

（1）在节电状态时，终端不可达，但保留登记信息；寻呼在非节电状态进行。

（2）时间常数PSM Time：10 min～310 h。

（3）目标10年的电池寿命（2×AA），极大地降低维护、部署成本，极大地促进物联网的应用，减少系统心信令载。

3.2 eDRX（Extended Discontinuous Reception）

eDRX即非连续接收。从字面上即可看出，eDRX是对原DRX技术的增强，即支持的寻呼周期可以更长，从而达到节电目的。

特点概括如下：

（1）目标达10年的电池寿命对窄带物联网的应用很关键。

（2）eDRX从规范的角度延长了终端与无线系统间的不连续接收时间，节省终端电源。

（3）可配置时间常数2.5 s～44 min。

3.3 传感器技术

众所周知，至今而言几乎所有的计算机都是处理数字信号。同样在物联网技术中，传感器的模拟信号也要转变为数字信号，以此方便计算机进行分析处理。

到目前为止，绝大部分计算机都依赖于数字信号进行工作处理。因此，在很长一段时间内都需要传感器的适用，以此把模拟信号转换成数字信号。这种操作模式在物联网也是一样的。在物联网技术中，必须通过传感器的适用，来完成数字信号的转换，才可以被计算机识别处理。

3.4 RFID标签技术

RFID融合了无线射频技术和嵌入式技术。RFID被广泛应用于自动识别、物品物流管理应用中，有着良好的发展场景。

3.5 嵌入式系统技术

嵌入式系统技术是一种综合的复杂技术，包含了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术。经过长时间的研究，载入了嵌入式系统的智能终端产品广泛存在于我们的周围，从随身携带的MP3到卫星系统，嵌入式系统正在影响着我们的生活，同时推动着工业的发展。如果将物联网比作是人的身体，那么传感器就是人们的感官系统，网络就是神经系统，而我们所讲的嵌入式系统就是大脑——分类处理接收到的信息。

4 结束语

窄带物联网是物联网发展到一定水平才产生的，并且应用范围非常广泛。随着窄带物联网的实际应用，我国可以进行窄带物联网市场的开发工作，将窄带物联网作为重点通信工程进行发展。窄带物联网是物联网现代科学手段产生的结果。随着窄带物联网的大范围应用，我国窄带物联网市场的开发工作也开始全面展开，但窄带物联网仍然有自身的发展局限性，因此仍需要我们不停地探索和改善。

[1]邹玉龙，丁晓进，王全全. NB-IoT关键技术及应用前景[J]. 中兴通讯技术，2017，23（1）：43-46.

[2]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.

[3]赵静. 低速率物联网蜂窝通信技术现状及发展趋势[J]. 移动通信，2016，40（7）：27-30.

[4]刘毅，孔建坤，牛海涛，等. 窄带物联网技术探讨[J].通信技术，2016，49（12）：1671-1675.

Analysis of Narrowband Internet of Things Standards and Key Technologies

Fu Yan

China Mobile Communications Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080

The advantages of narrow-band Internet of Things (NB-IoT) technology are low power consumption and wide coverage. With the rise of Internet of Things technology, narrow-band Internet of Things technology is gradually being taken seriously by more people. The emergence of the Narrow Band Internet of Things has brought about tremendous changes in the field of Internet of Things and has met the requirements of the development of the Internet of Things industry. The standards for the narrow-band Internet of Things were determined in June 2016, and they began to be tested and trial run in the winter of 2016. In the first half of 2017, they have begun to be used in the commercial field. Through studying the key technologies of narrow-band Internet of Things, a brief explanation of its development is provided, which provides a certain reference for follow-up research.

narrowband Internet of Things; key technology; application prospect

TN929.5；TP391.44

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