NB-IoT物联网技术

Posted 2021-05-16 啦啦赛

一、什么是NBIOT

NB-IoT是指窄带物联网(Narrow Band -Internet of Things)技术。NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。NB-IOT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。

二、NBIOT部署方式

NB-IoT支持在频段内(In-Band)、保护频段(Guard Band)以及独立(Stand-alone)共三种部署方式。
一、独立部署（Stand alone operation）简称ST
不依赖LTE，与LTE可以完全解耦
适合用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200KHz，这刚好为NB-IoT 180KHz带宽辟出空间，且两边还有10KHz的保护间隔。
二、保护带部署（Guard band operation）简称GB
不占LTE资源
利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块
三、带内部署（In-band operation）简称IB
占用LTE的1个PRB资源
可与LTE同PCI，也可与LTE不同PCI，一般来说如果采用的是IB方式，倾向于设置为与LTE同PCI（说明什么问题？一是NB也有PCI，所以同频组网是可行的，不同于GSM，二是PCI也是504个，可以复用LTE的PCI规划，三是PCI的生成、功能基本相同）

三、工作模式

1、Connected(连接态)：

模块注册入网后处于该状态，可以发送和接收数据，无数据交互超过一段时间后会进入Idle模式，时间可配置。

2、Idle(空闲态)：

可收发数据，且接收下行数据会进入Connected状态，无数据交互超过一段时会进入PSM模式，时间可配置。

3、PSM(节能模式)：

此模式下终端关闭收发信号机，不监听无线侧的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。持续时间由核心网配置(T3412)，有上行数据需要传输或TAU周期结束时会进入Connected态。

目前国内的NB-IoT频段主要运行在B5和B8频段。

四、目前主要应用情况

1.公共事业：智能水表、智能水务、智能气表、智能热表。
2.智慧城市：智能停车、智能路灯、智能垃圾桶、智能窖井盖。
3.消费电子：独立可穿戴设备、智能自行车、慢病管理系统、老人小孩管理。
4.设备管理：设备状态监控、白色家电管理、大型公共基础设施、管道管廊安全监控。
5.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。
6.指挥物流：冷链物流、集装箱跟踪、固定资产跟踪、金融资产跟踪。
7.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。
8.其他应用：移动支付、智慧社区、智能家居、文物保护。

五、优缺点

优点：
1.广覆盖：在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，可更好满足厂区、管道井、井盖等这类对深度覆盖有要求的地方。
2.低功耗：模块在平时处于休眠状态，每天可根据程序设定自动唤醒上传数据，若没有收到请求的命令，模块会自动进入休眠，终端模块待机时间可长达8年。
3.低成本：与LoRa相比，NB-IOT无需自建基站，通讯稳定可靠。
4.大连接：同一基站可比现有无线技术提供50-100倍的接入数。
原因
NB-IoT为什么覆盖广？
（1）重复传输，延长信号码元的传输时间。码元的重复传输事实上就是一个最简单的信道编码，尽管降低了信息的传输速率，但是在解调或译码上的可靠性，特别是在低信噪比的接收环境下更加有效。比如想下译码出错概率为10%，重复次数增加，使得整体译码出错概率大大降低。
（2）现有的TTI bundling和HARQ重传技术也可以实现延长信号码元的传输时间。相关的提升覆盖的数值，在VoLTE的商用网络实践中已经证明可有效改善信号的覆盖范围。
（3）鉴于NB-IoT业务需求的速率很低，100 bps左右已经可以实现大部分业务，所以可以采用低阶的调制技术，如BPSK、QPSK、更短长度的CRC校验码等。
（4）在编码方面，NB-IoT采用Turbo编码，GPRS采用卷积码，优势体现在对译码信噪比需求降低，对应覆盖距离有3～4 dB的增强。
（5）对时延要求的降低以及在部分下行物理信道上采用功率增强（Power Boost），对信号覆盖都有直接的增强。
二是具备支撑海量连接的能力
NB-IoT一个扇区能够支持数万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；
NB-IoT比2G/3G/4G有50-100倍的上行容量提升，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。200KHz频率下面，根据仿真测试数据，单个基站小区可支持5万个NB-IoT终端接入。
三是更低功耗
NB中对于终端功耗的目标是什么呢？答案是：基于AA（5000mAh）电池，使用寿命可超过10年。（一个iPhone7P电池容量为2900mAh）。

缺点：
1.传输数据少。基于低功耗的机制，注定了NBIoT只能传输少量的数据到远端，因此正式应用时要么单次传输字节数少，要么传输数据间隔长。比如智能水表、气表，一般是24小时传输一次数据。这意味着依靠实时数据分析的行业应用难以推广此技术。此外，还存在寿命到期电池更换的麻烦。
2.通信成本贵。目前NBIoT通信模块还是偏贵，主流芯片厂家主要有紫光展锐、华为海思和联发科，一块NBIoT模组在20~50元左右。通信流量上，电信是20元一年，包年时间多相对便宜，中国移动资费差不多，若设备量大还有议价空间。一块水电表零售价也就一两百元，NBIoT模组就吃掉了一大块成本。
3.技术待成熟。虽然中国各大运营商号称投入大量人力物力财力进行相关建设，NBIoT技术还不是很成熟。本人所在公司系统平台于2017年底就和电信云平台进行了系统对接，目前接了近万台NB-IoT电表和水表。发现电信平台依然在不断地更新升级，曾经在某商厦安装了300多块NBIoT电表，结果导致基站出现故障，后经电信技术人员积极抢修才恢复正常。诚然，电信云平台后面是华为公司作为技术支撑，实力强大，想必不久将来技术会成熟稳定。
4.平台对接难。电信的IOT平台走的是CoPA协议，CoPA协议对接方面复杂。虽然华为电信物联网平台上资料齐全，要和电信开放平台对接，还是要花不少时间。2017年公司研发部门安排专人花了2个月才对接好，为兼容传统tcp、udp通讯，后期又对设备通讯服务进行了优化处理，前前后后花了大概半年时间才完全稳定。因此，这对于一般传统企业还是有一定技术门槛的。
参考文献：
NBIoT通信技术应用的优缺点
浅谈NBIOT
NBIoT三种部署方式