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窄带物联网(NB-IoT)特性及应用趋势优点

来源: 未知 作者:BC 发布日期:19-05-16
一、发展历程
 
物联网通信技术繁多,从传输距离上可划分成两类:第一类是短距离通信技术,例如ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth等,典型的应用场合如智能家居;第二类是低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN),典型的应用为智能抄表系统。LPWAN技术又可根据工作频段分为两类:一类工作在非授权频段,如Lora、SigFox等,此类技术无统一标准,自定义实现;工作于授权频段下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,如全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication , GSM)、长期演进(Long Term Evolution, LTE)和基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)等。
 
2014年5月,华为联合沃达丰在3GPP的GSM/EDGD无线接入网(GSM EDGE Radio Access Network, GERAN)研究项目中提出NB-M2M技术。同年,高通公司提交了窄带正交频分复用(Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, NB-OFDM)技术。2015年5月,NB-M2M与NB-OFDM合并为NB-CIoT。7月,爱立信提出NB-LTE方案。2015年9月的RAN#69次会议经过激烈讨论,最终将NB-CIoT与NB-LTE进一步融合,并重新命名为NB-IoT。
 
2016年6月16日,NB-IoT作为3GPP R13一项重要课题,其对应的3GPP协议相关内容获得了RAN全会批准,正式宣告了这项受到无线产业广泛支持的NB-IoT标准核心协议历经2年多的研究终于全部完成。
二、标准特性
 
一、灵活部署、窄带、低速率、低成本、高容量
NB-Io支持三种部署方式:独立部署(Stand alone)、保护带部署(Guard band)、带内部署(In band),如图1所示。Stand alone模式:可以利用单独的频带,适合用于GSM频段的重耕;Guard band模式:可以利用LTE系统中边缘无用频带;In band模式:可以利用LTE载波中间的任何资源块。对于In band模式来说,NB-IoT无限接近于LTE资源块,为了避免干扰,3GPP要求NB-IoT信号的功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超过6dB。
- RF带宽180kHz(上行/下行)(考虑两边保护带,也被描述为200kHz);
 
- 下行:OFDMA, 子载波间隔15kHz;
 
- 上行:SC-FDMA, Single-tone:3.75kHz/15kHz,Multi-tone:15kHz;
 
- 仅需支持半双工; 终端支持对Single-tone和Multi-tone能力的指示;
 
- MAC/RLC/PDCP/RRC层处理基于已有的LTE流程和协议,物理层进行相关优化; 
 
- 设计单独的同步信号;
二、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,NB-IoT覆盖能力应也可达164dB,带内部署和保护带部署还有待仿真测试。NB-IoT为实现覆盖增强采用了重传(可达200次)和低阶调制等机制,目前是否NB-IoT不需支持16QAM仍在被讨论中。

同时在耦合耗损达164dB的环境下,如果提供可靠的数据传输,由于大量数据重传将导致时延增加,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)。目前3GPP IoT设想允许时延约为10s,但实际可以支持更低时延,如6s左右(最大耦合耗损环境)。
 
三、不支持连接态的移动性管理 

NB-IoT最初就被设想为适用于移动性支持不强的应用场景(如智能抄表、智能停车),同时也可简化终端的复杂度、降低终端功耗,Rel-13中NB-IoT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。
 
四、低功耗

NB-IoT借助节电模式(Power Saving Mode, PSM)和超长非连续接收(Enhanced Discontinuous Reception, eDRX)可实现更长时间待机。其中PSM技术是Rel-12中新增的功能,在此模式下,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是Rel-13中新增的功能,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。NB-IoT目标是对于典型的低速率、低频次业务模型,等容量电池寿命可达10年以上。
三、NB-IoT标准的应用
NB-IoT标准具备四大特点:一是广覆盖,将提供改进的室内覆盖,在同样的频段下,NB-IoT比现有的网络增益20dB,覆盖面积扩大了100倍;二是具备支撑海量连接的能力,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接;三是更低功耗,NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本,企业预期的单个接连模块不超过5美元。
考虑NB-IoT的特性,此标准可可满足对低功耗/长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务;同时由于对于移动性支持较差,更适合静态业务场景或非连续移动、实时传输数据的业务场景,并且业务对时延低敏感。可考虑的业务类型如下:
1)    自主异常报告业务类型。如烟雾报警探测器、智能电表停电的通知等,上行数据极小数据量需求(十字节量级),周期多以年、月为单位。
  2)    自主周期报告业务类型。如智能公用事业(煤气/水/电)测量报告、智能农业、智能环境等,上行较小数据量需求(百字节量级),周期多以天、小时为单位。
  3)    网络指令业务类型。如开启/关闭、设备触发发送上行报告、请求抄表,下行极小数据量需求(十字节量级),周期多以天、小时为单位。
  4)    软件更新业务类型。如软件补丁/更新,上行下行较大数据量需求(千字节量级),周期多以天、小时为单位。
迄今为止,华为已联合全球多家运营商在中国、德国、西班牙、阿联酋等国共同完成了基于NB-IoT技术的智能水表、智能停车、智能垃圾箱业务的功能验证。其中沃达丰和华为于2015年底在西班牙完成了NB-IoT预标准的第一个试商用测试,成功地将NB-IoT技术整合到沃达丰现有移动网络中,发送NB-IoT消息给水表中的物联网模块,水表的放置环境通常在壁橱等隐蔽环境,且水表无法外接电源,NB-IoT可有效解决覆盖及功耗等问题。
2016年世界移动大会上,英特尔与爱立信联合中移动推了NB-IoT智能家庭环境监测系统。它采用了英特尔最新的NB-IoT芯片(XMM7115)。并且可以实时监测到环境的PM值、温度、湿度、光感亮度等。中兴通讯推出了基于NB-IoT技术的智能市政下水道管理系统,各种信息直接传到中兴手机上。
另外,华为和上海联通也提出了基于NB-IoT技术的智能停车解决方案,通过现场演示,展示了基于NB-IoT这一新兴物联网接入技术的商业应用探索已经启动。此前,上海联通与华为合作建设了全球首个基于 4.5G NB-IoT的大规模连续覆盖区域—-上海国际旅游度假区,并率先在P1停车场部署了300多个基于NB-IoT技术的智能车检器,并提供从终端,基站,服务器,手机应用的端到端智能停车方案。用户可以在手机上实现车位查询、预定、导航、移动支付以及停车场管理等功能,解决了游客找车位难的问题,并一定程度缓解了交通拥堵。
四、面临的挑战与机遇
 
NB-IoT相较于传统物联网技术有着自身的优势。不过,其仍旧有着自身的局限性。根据TR45.820中典型业务模型下的仿真测试数据,单小区可支持10万个NB-IoT终端接入。但是,这种纯中心的网络管理方式,可能会造成过长的轮询周期,像物联网这种高密度网络不一定适合采用中心管理模式,轮询一遍的时间成本可能令系统承受。物联网采用分层模式可能会效率更高。
 
无线抄表始终都会面临一个问题,就是信号覆盖问题。面对无信号覆盖或者信号受干扰的情况,无线抄表即使优点再多也无用武之地。而且,我国国网已经基本完成了智能电表的改造,采用的是电力线载波通信(Power Line Communication, PLC)技术。智能电表行业已经被PLC占据,NB-IoT基本没有机会。目前,智能电表的需求也仅仅只是,若将来实施实时收费,NB-IoT技术恐怕不能满足实时性的要求。现有的水表和气表市场也面临着国网PLC和双模技术的竞争。国网在积极的推进电、水、热、气四表合一事项,未来NB-IoT到底在抄表市场能够分的多少市场份额实际上具备很大的未知数。
 
此外,成本价格可能成为NB-IoT发展的阻碍。在成本方面,NB-IoT模组成本未来有望降至5美元之内,但目前支持蓝牙、ZigBee等标准的芯片价格仅在2美元左右,仅支持其中一种标准的芯片价格不到1美元。巨大的价格差距无疑将让企业部署NB-IoT产生顾虑。
 
物联网应用还处于试验和示范性探索阶段,规模化应用少,创新活力不足。现阶段主要是运营商,华为、爱立信等设备制造商,高通等芯片供应商为代表的供应方比较热情,而需求方的应用主体,如水电气公共服务提供行业还没热络起来。
 
据相关专家的猜测,物联网行业将会在2018至2019年因为NB-IoT技术和其芯片的商业化迎来再一次的热潮。

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