基于NB-IoT的物联网及其应用研究

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摘要：文中对NB-IoT的概念和其产业链发展以及其在生活中的智慧应用进行了详细阐述。首先介绍LPWAN低功耗广域网技术，包括LoRa，SigFox和华为主推的NB-IoT技术。然后详细阐述NB-IoT的关键技术和NB-IoT的产业链发展。最后介绍NB-IoT在生活中的智慧应用，如智慧井盖、智慧路灯、智慧农业、智慧环保、智慧交通等。分析表明NB-IoT已经形成完整的产业链，其核心芯片受主流厂家的支持。

关键词：物联网，低功耗广域网，NB-IoT，蜂窝网，小功率广域网，LoRa

0 引言

物联网的无线通信技术有很多，主要分为两类：一类是ZigBee，WiFi等短路程的通信连接技术；另一类是广域网。广域网具体可划分成两类：一类是运行于未得到授权的频谱LoRa方法；另一类是运行于授权频谱环境下，3GPP支持的4G，5G蜂窝通信技术，如EC-GSM，LTECat-m，NB-IoT等^[1]。

1 LPWAN低功耗广域网技术

低功耗广域网是一种低功耗的无线通信广域网络，其以低速率实现远距离通信。多数LPWAN技术可以实现几千米甚至几十千米的网络覆盖。由于其具有网络覆盖范围广、终端功耗低等特点，更适合于大规模的物联网应用部署。目前业内最主要的LPWAN技术有LoRa，SigFox以及华为主推的NB-IoT技术^[2]。

1.1 LoRa

LoRa（Long Range）是Semtech公司私有的技术，其采用LoRaWAN的物理层，主要应用于IoT、M2M、智慧城市、工业等领域。目前国际主流运营商均未全面部署LoRa网络。LoRa的行业典型应用场景如图1所示^[3]。

1.2 SigFox

SigFox可理解为一种窄带、超窄带技术，其通过设定BPSK的调制方式，从而完成数据传输，同时只运用到较窄的频谱块，可通过对无线电波的相位进行调整，从而实现编码的程序。这样接收机只能收听一小段频谱，以减轻噪音的影响。它只需要廉价的端点无线电和更复杂的基站来管理网络。SigFox目前没有在中国地区进行网络部署及相关部署计划^[4]。

1.3 NB-IoT

2014年5月，华为提出了窄带技术NB M2M；2015年5月融合NB OFDMA形成了NB-CIoT：2015年7月，NB-LTE跟NB-CIoT进一步融合形成NB-IoT；NB-IoT标准在3GPP R13前出现，并于2016年6月份冻结。

NB-IoT聚焦于低功耗广域网市场，其属于一种在世界范围内大量运用的新型技术方案，具有大面积覆盖、连接广泛、速率小、成本可控等突出优势。NB-IoT通过License频段，灵活运用带内、保护带等三种不同的设计方案，从而达到与当下网络的并存效果^[5]。

2 NB-IoT关键技术研究

2.1 覆盖增强技术

NB-IoT在设计过程中的主要任务是在GSM前提下进一步强化20dB。将144dB设定成GSM的极限耦合路损，此时其部署的耦合路损数值不会超过164dB。具体来说，下行过程中重点通过提升不同信道的重传次数，从而实现更大面积的覆盖。而在上行覆盖的强化上，重点来源有两个部分：一是最大覆盖状态下，NB-IoT可以结合单子载波实现传输；二是可增加上行信道的最大重传次数以获得覆盖增强。

2.2 低功耗

NB-IoT远端的小功耗可从软、硬件两个角度进行优化设计。

软件角度，即通过物理层优化、节点特征的设计、协议调整等方法来完成。通过简化物理层设计，降低实现的复杂度，同时引入若干优化方法进行物理层优化，从而降低能耗；新的节电特性包括节电模式PSM和增强的非连续接收eDRX两项技术。根据LPWAN业务低速率、小数据量特征，对现有流程进行简化，减少信令/数据传输，降低功耗；使操作系统更简单高效^[6]。而硬件的低功耗处理，主要是通过改善集成度、提升装置性能等方法来实现。

2.3 低成本

NB-IoT在系统的最初设计阶段，期待经过减少终端复杂性，或者损失部分性能，从而控制整体的成本。另外，还可在集成度上下功夫，这也是控制成本的一个关键方案。在终端方面，通过减小储存装置要求、运用低成本部件、运用集成方案等多种方式来实现低成本。

2.4 海量连接

为满足物联网大连接的需求，NB-IoT在设计之初所定目标为5万连接数/小区。根据初期计算评估，目前版本可基本达到要求。按照物联网运用场合的实际需求，也就是小包业务的要求，在设计的最初阶段就考虑运用窄带部署的方法，大大减小粒度带宽，并扩大了并行服务的用户规模，从而达到更多终端的连接效果。

3 NB-IoT产业链发展

与过去的产业相比，物联网的产业生态规模更大，需要从纵向、横向两个维度多个环节进行分析。对于低功耗广域网络，从纵向层面来分析，当下已经创建起“下部芯片-模组-终端运营商-应用”的整体链条体系。

芯片在NB-IoT的链条中位于关键位置。当下的很多芯片以及一些生产厂家都设定了具体而确定的NB-IoT支持方案。众所周知，在底层芯片领域，当前华为海思、高通、英特尔、MTK等，都提供了NB-IoT芯片的研发方案与实施过程。其中华为海思以及高通NB-IoT芯片已经在业内广泛使用。

在模组环节，由于国内规模巨大的NB-IoT市场，模组主要出货厂商已经由以前国外的Ublox、金雅拓、Sierra向国内的SimCom、移远、中移物联网、广和通、龙尚等主要厂商转移。其中移远通信以及中移物联网NB-IoT模组率先在业内实现规模使用。

终端环节中，由于NB-IoT技术优势，许多以前不方便联网的终端与应用场景亦可以通过NB-IoT进行万物互联。NB-IoT带来了产业的升级与变革。升级是对终端的物联化升级，变革是行业商务模式的变革。典型如水表、燃气表、电力表已经在进行大规模的终端物联网化升级，并将带动更多的行业进行终端物联网化升级^[7]。

运营商环节，国际主流运营商明确会部署运营NB-IoT网络。其中中国三大运营商均表示会发力NB-IoT物联网市场，根据市场调研数据，预计2022年能形成规模网络覆盖。

应用环节，NB-IoT将努力解决多种多样的应用需求。此类物联网的运用无法获得过去通信时代下的同质化业务特征，实际上表现出高度的碎片化特征。当下一些常见的行业应用包括：远程抄表、智能路灯、智慧消防、农业物联网、能源互联网以及工业物联网等相关应用。

4 NB-IoT的典型应用

4.1 智慧井盖

市政管网、运营商、水务、电力等管道规模伴随着城市化进程快速成倍增长，已成为城市生命线，近年来全国发生的管网井盖损毁、丢失导致公众生命财产损失，同时其他行业的管道资源，越来越难以全面、有效地管理覆盖，可以说井盖虽小，却时刻考验着城市的生命线。

智能井盖监控管理系统面向通信、电力、市政等行业户外管道人井，提供全覆盖的管理能力，系统利用移动互联网技术、业务流程，提供巡检、正常开启及故障处理的业务处理能力，同时通过数据收集为各种人井监控终端建设提供数据支撑，并自动优化巡检业务线路，形成对运维的强力支撑。

系统由应用层、业务层、数据层和设备层组成。设备层为传统设备内置通信模块，通过GPRS/NB-IoT/LoRa等无线接入方式，由数据采集层统一，并统一给业务应用提供接口，可以方便用户编写自己的特色应用，并部署到平台上。

4.2 智慧路灯

照明是生活中必然的组成部分，按照应用的分类主要包含家庭照明、办公照明、公共照明、应急照明等。随着能源的日趋缺乏，节能被列入了时代的主题。在上述实际应用中，又以公共照明和办公照明为能耗大户，他们具有使用时间长、设备功率大、节能空间充裕等特点。同时在以上的应用中，都采用集中运营的方式；以工作人员定期对照明设备进行巡检，或用户主动上报的方式完成设备的维护。具有响应速度慢、维护成本高、影响面积大等特点^[8]。

为降低照明能耗、节约照明管理成本，采用智能化的照明管理控制系统是当今设备的必然趋势，也必将成为时代主流，如图2所示。

4.3 智慧农业

而这里提到的智慧农业，即为高度借助当代的信息技术成果，与网络技术、物联网技术方法等充分结合，从而达到智能化管理的效果。通过设计在农业生产场合中的不同传感节点，以及生产现场中的智能感知、预警决策装置等，从而给农业种植带来更多的借鉴依据。

NB-IoT技术具备的超低功耗、覆盖广、连接多、成本低、架构优等特点，使智慧农业在农业大部分应用场景下，可以得到更优的使用和推广，这有效降低智慧农业系统成本和提升系统的安全与可靠性。

通过智慧农业的建设，可以建立多渠道的“快、准、新”信息服务，改变传统农业的生产和管理方式，实现种植农作物和饲养动物过程中的精细控制，促进农业生产、加工、流通、销售与现代信息技术相融合，加快农业的改造过程，努力提升生产水准，加快农业与农村经济的稳定化发展。

基于NB-IoT的智慧农业系统在大田、温室大棚、畜禽养殖、水产、食用菌、粮库、冷库、冷链物流、农药残留检测、农产品质量安全追溯、农产品电子商务等各个农业领域应用广泛。NB-IoT和传感器相结合，全密封设计，成本低，可靠性高，直接与NB-IoT移动基站通信，设备快速安装在各类农业场景下，可使农业生产水平上升一个大台阶，如图3所示^[9]。

4.4 智慧环保

智慧环保可理解为网络技术与环境信息化综合的结果。这是数字环保概念的发展与延伸，是利用物联网技术，将一些感应器与设备嵌入到多种监控对象中，利用计算机等设备以及技术，进行联网整合，进而达到社会生产与生活和业务系统的集成效果，以更加高效合理的方法，实现综合化决策。

智慧环保即借助物联网技术、云计算技术、3G/4G技术等，基于数据信息，将信息获取、传输、研究、处理等过程整合为一体，从而让环境的管理、监控、执法业务网更加高效、准确，通过“智在管理、慧在应用”，对环境管理与生态环保工作带来多方面的支持保障。

“智慧环保”整体而言有下述三个构成部分：

（1）感知互动层。通过使用多种能够便捷感知、测定以及传输数据的程序，从而达成针对环境、污染以及生态等多方面因素更为深刻的感知。

（2）网络传输层。依托专业的NB-IoT等网络体系，综合运用4G、卫星等专业的链接技术，从而使得个体的电子器材、系统内部存入的环境数据可以实现高效的交互以及共享，以此来实现更大范围的互联互通。

（3）应用服务层。通过云计算以及虚拟化等多个方案的深入统筹，整体研究较为庞大的跨区域以及行业的专业数据，进一步解决大量存储、实时处置以及深入开发等方面的需求，从而形成更为理想的智能化体系；通过专业的云服务体系，构建面向对象的专业系统以及门户，进而为环保、生态以及管理等实现更为智能化的决策支持。

硬件方面的重点是获取周边的环境参数，同时将获取的参数传递至专业的数据中心，通过中心处理存储、分析以及报警等多方面的需求。实际获取的重点数据有温湿度、pH值、辐射、废水、废气污染源、粉尘、噪声等。所获取的数据重点通过无线的模式来解决传递的需求，多个采集器以及相应的路由，能够依靠ZigBee技术实现便捷的组网，而且多个构成部分都能够依靠NB-IoT来提供高效的通信支持^[10]。在获取的数据大于阈值的情况下，系统会随之而传递相应的报警信息，依靠专业的报警设备、短信等模式来告知管理者，并且可自行调整相关设备，实现对指标的有效控制。

4.5 智慧交通

智慧交通方面的现有设备主要有地磁探测器、无线数据采集器、无线数据网关、云平台服务器、后台管理中心、前端手持收费终端等。一般采用LoRa组网，并且通过ZigBee，GPRS将数据传输到后台。这样的多节点、多协议的传输方式，经常会导致在数量比较大的占道停车项目中，出现部分的节点（个别的采集器掉线）数据丢失，并且需要人工进行干预。这种方式必然增加维护成本，同时因故障设备得不到及时维护，影响客户的经营运营（损失停车费用）。

现有的NB-IoT占道停车系统是以基站为传输手段的系统，可以保障数据的稳定传输，设备的稳定运行，并实现设备数据资源共享^[11]。NB-IoT占道停车收费管理系统包含NB-IoT地磁车位探测器、NB-IoT基站（移动基站）、云平台服务器、后台管理中心、前端手持收费终端等多种设备，如图4所示。

5 结语

本文详尽阐述了NB-IoT的概念、NB-IoT产业链发展以及其在生活中的智慧应用。对于NB-IoT产业的发展，从纵向来看，已经形成了由芯片、模组、终端、通信设备、平台、运营商和应用组成的完整产业链。而其中，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等都有明确的NB-IoT支持计划和实施步骤。NB-IoT具有相当庞大的市场，虽然它面临着互操作和一致性问题、部署问题、应用和商业模式、与LPWAN（低功耗广域物联网）技术的竞争、市场普及在各国间的差异等各方面的问题，但相信在大家共同的努力下，NB-IoT会越来越成熟。

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《物联网技术》2020年第07期 山西农业大学软件学院 武文强