浅谈NB-IoT 关键技术及应用

王建忠

（中国电信股份有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000）

1 NB-IoT 应用背景介绍

NB-IoT（窄带物联网）构建为蜂窝数据网络，消耗占用180kHz 频段，可以直接部署于 LTE（800M）网络，相比其他网络，具有高安全性、可靠性、高频谱、低功耗、低成本等条件优势，从而降低成本、降低投资、提高回报。

2 NB-IoT 的关键技术与特点

2.1 NB-IoT 的主要特点

（1）广/深覆盖。在其余网络相同的频段下，发射功率同为20dB，对比其他网络覆盖面积扩大7倍，覆盖面积大大增强，适用范围区域增多。

（2）大连接应用。利用窄带技术，大大提升信道容量。单个扇区，满载可承载10万个用户连接使用；NBIoT 设备一个扇区可以承载10万个用户连接，而且终端对时延要求不敏感，传输可在15分钟-24小时灵活传输。

（3）低功耗。NB-IoT 终端基于AA 电池，使用寿命可以长达10年之久，其终端长时间处于节能状态，占用功耗小于百分之一；芯片构造简单、信令简化、传输功耗小、分周期传输降低损耗等，是其使用寿命长的主要关键技术。

2.2 NB-IoT 的网络结构

NB-IoT 网络构架主要包括：终端；E-UTRAN、SCEF、SCS、AS 、HSS、MME、SGW- 服 务 网 关、PDN/PGW。结合现网LTE 网络，NB-IoT 网络新增业务能力开放单元，优化了小数据传输和支持非IP 数据传输。同时物理网元数量对比LTE 网络简化， MME、S-GW、P-GW 等核心网网元合并部署，大大降低部署难度。

2.3 NB-IoT 系统特点

2.3.1 物理层

NB-IoT 系统支持的操作模式：

（1）独立操作模式；（2）保护带操作模式；（3）带内操作模式。

2.3.2 空口层

空口层简化了现有网络LTE 的控制面，从而降低了系统的复杂度和终端的功耗利用，节省开销的同时，更有效的支出了小数据传输和覆盖增强。

2.3.3 接入网

NB-IoT 系统的接入网特性是基于现有LTE 网络的S1接口和X2接口之间进行优化处理。优化后的传输方案下，终端移动到了新基站发起RRC 连接恢复，携带先前从旧基站获得的恢复ID 编号，新基站在X2接口向旧基站发起用户上下文获取流程，从旧基站获取终端在旧基站挂起时保存的用户信息，以便最后在新的基站上将该UE 实施快速恢复。

3 NB-IoT 典型应用场景

公共事业：水表、水务、气表、热表等应用。

智慧城市：停车、路灯、垃圾桶、井盖等应用。

消费电子：独立可穿戴设备、智能自行车、慢病管理系统、老人小孩宠物管理。

设备管理：设备状态监控、白色家电管理、大型公共基础设施、管道管廊监控。

智能建筑：环境报警系统、中央空调监管、电梯物联网、人防空间覆盖。

智慧物流：冷链物流、集装箱跟踪、固定资产跟踪、金融资产跟踪。

农业与环境：农业物联网、畜牧业养殖、空气实时监控、水质实时监控。

其他应用：移动支付、智慧社区、智能家居、文物保护。

4 典型应用案例

4.1 挖掘需求

随着NB-IoT 的商用应用，各类NB-IoT 终端随之面世，其中小牧童产品为智慧牧场在奶牛厂的应用之一，通过小牧童产品的物联网技术，可以动态监控奶牛的发情期，有效提高受胎率，缩短胎间距，减少奶牛的空怀天数，从而达到提升奶牛的产奶量，帮助牧场提升经济效益，促进农牧业的发展。

4.2 项目背景

朔州公司与山西仁德牧场签订了智慧牧场NB 小牧童项目合同，双方将在养殖领域开展基于NB-IoT 网络的精准作业、精准控制等智慧牧场项目上开展合作，推动智慧牧场项目在朔州落地，借力智慧牧场项目推动朔州农牧业的发展。这是山西省首款NB 小牧童项目的落地，填补了农牧业在奶牛畜联网方面的空白，带头实践NB 商用、智能应用。

4.3 实施效果

2018年年底，朔州分公司根据省公司安排部署，钻研物联网应用场景，结合怀仁的市场进行分析后，决定在农牧业进行深耕。经过长达6个月的拜访，对不同的奶牛场进行市场调研、产品推荐、实践学习，最后了解到山西仁德牧业可能有小牧童产品的需求。在了解客户需求后，客户经理主动上门，多次拜访。摸清客户需求后，公司领导对项目十分重视，在省、市公司全力支撑下，迅速组建了省市纵向项目团队，县公司专人负责，协同为客户提供产品演示、方案制定、产品试用等服务。

4.4 推广价值

通过长达一年对客户的跟踪、产品试用，最终赢得了客户的肯定。随之大批量应用后，智慧牧场小牧童设备作为物联网在农牧业上的应用，在朔州是头一次批量投入使用，一期200台已全部投入使用，二期项目已签订合同，带动DICT 收入20余万元。本次项目的合作，为物联网在农牧业上的应用有了良好的开端，起到带头作用，大大降低人力投入，减少开支，提升效益。物联网智慧牧场的应用推动朔州农牧业的发展，同时也让同业企业看到智能物联网带来的科技收益。

5 NB-IoT 典型优化案例

5.1 问题故障背景

在怀仁仁德牧业开通使用物联网业务后，接到怀仁仁德牧业NB-IoT 物联网终端无法连接建立申告投诉，朔州电信网优中心第一时间接收处理。初步通过基站故障核查、参数核查、现场排查、终端调研、信令跟踪等手段进行处理。

5.2 排查优化流程

（1）后台网管排查故障区域基站参数配置，告警情况，一切正常，基站近期无故障，无告警；后台网管提取近期NB 指标，指标良好，后沟通厂家人员参数核查，全网对比无差异，故参数设置合理。由于后台无法确认终端使用情况等问题，厂家陪同网优中心人员前往现场核查。

（2）现场测试正常，排查终端，终端在养殖场奶牛脖子上悬挂，主要作用为监测奶牛是否正常，是否在走动，其终端主要激活、监测方式为摇一摇记录。同时用户提供故障终端确实处于休眠状态，无法正常记录。终端也无手动重启开关，后决定采取故障终端样本带回核查处理。

（3）设备带回后，后台核查时发现该终端已上线。初步分析为设备自行恢复。具体恢复原因通过信令跟踪等手段发现，该设备带回时，发生位置更新，网络重选，从而自行从休眠中启动恢复。

（4）由于带回3台设备均自行恢复，后决定沟通用户首先用摇一摇启动终端，受终端灵敏度不同，部分终端晃动幅度较大时自行恢复启动，部分无法恢复。网优人员决定，由省公司强制将该终端设备批量下线，从而强制终端进行网络搜索，小区选择，修改后终端陆续恢复。

（5）初步判定为终端摇一摇灵敏度太低导致，强制下线后通过终端厂家网管核查故障恢复。虽然本次通过强制下线，强制终端进行网络搜索，小区选择，修改后终端陆续恢复，但是本次优化案例可以验证由于终端低功耗、低时延而导致终端灵敏度自身偏低，需调高灵敏度来适应不同场景需求。

6 结束语

目前，移动互联网、各类智能终端设备普及应用，已经融入日常生活，诸如各类智能技术小程序小应用已经是人民生活中必不可少的一部分。物联网技术的快速发展，大大降低了各行业人力资源的投入，减少投入降本增效，已逐步融入了各行各业。随着“万物互联”“互联互通”的大形势下，物联网产业相对通信行业是新的产业应用，也是新的发展机遇，随着市场规模的不断扩大，其具备的商业价值也很大。同时NB-IoT 凭借着自己独有的技术特点，会大大降低成本，扩大产业需求。未来，在物联网领域快速发展的过程中，抢占市场、拓展业务，并将物联网核心技术掌握在自己的手中，将对我国推动物联网市场发展起到至关重要，也会为物联网应用带来可观的价值收益。