窄带物联网资源管理绩效的最新状况，挑战和机遇

Posted 2022-12-09 狂狼大白鲨

窄带物联网资源管理绩效的最新状况，挑战和机遇


图中常见的LPWAN技术列表中，可以确定，远程（LoRa）和窄带物联网（NB-IoT）是无执照和许可中最流行和新兴的两种技术。
A.NB-LOT与LORA（long range radio）的比较

1.lora相比于NB-IOT 更容易以较低功耗远距离通信。由于信号波长则具有较强的穿透能力与避障能力。
2.而NB-IOT在同样的频段内有更大的覆盖面积，而且一个扇区就能够支持10万个连接，并且也有更低的功耗

2.NB-IOT
（1）NB-IOT设计目标
A.远程通信
为了实现广域覆盖，需要进行NB-IoT设计，以产生高质量的信号传播和更深的信号穿透能力，能够到达建筑物的地下室和深处。

L表示近似衰减， d 代表发射天线和接收天线之间的距离， F 和 C 分别代表光的频率和速度
与2.4 GHz和5 GHz频段（用于Wi-Fi，无绳电话，蓝牙，ZigBee和其他特定于无线技术的普通无线技术使用的频段）相比，事实证明，sub-GHZ的频段（频率小于1GHZ以下，27MHZ-960MHZ）拥塞较少。到家用电器。通过实现强大且高度可靠的通信，Sub-GHz频段的使用可延长通信范围并降低功耗。

B.低功耗运行
为了降低维护成本，电池供电的物联网对象的寿命应至少为10年以上。这是IoT / M2M设计的关键设计要求。根据大多数文献研究，电池寿命通常取决于许多因素，包括网络拓扑结构，使用的占空比以及终端设备与基站（BS）之间的任务分配
C.低成本设计
低成本设计规范仍然是NB-IoT设计商业成功的关键因素。通过以下成本优化公式可以更好地表达这种设计条件：“在保持硬件成本（例如，低于5美元[18]）和订阅成本的同时，实现大量设备（尽可能多的设备）的连接

（2）NB-IOT的应用
A.智能计量
电能计量（例如气体计量），空气质量计量，智能院子水表
B.智慧城市
NB-IOT系统下的街道照明（装有相应模块的灯柱可以远程打开或关闭或变暗，如果它们发生故障，则可以触发警报），NB-IoT连接其停车位，则可以更好地利用可用的停车位。驾驶员通过智能停车引导系统通过最短路线，到达最近的免费停车位。
C.本地化
NB-IoT适合在室内和室外场景中定位宠物或贵重物品。为了不让您看到宠物或昂贵的个人物品
（3）NB-IOT性能挑战和未解决的问题
尽管有关于NB-IoT的最新研究和开发工作，但后者仍面临许多技术挑战，需要适当的建模和适当的解决方案。NB-IoT设计面临的一些关键挑战包括网络可扩展性，数据速率增强以及能效，网络可靠性和延迟等。
A.NB-IOT能源效率挑战与机遇
对于连接两台计算机和一台平板电脑的小型家庭网络而言，Wi-Fi连接就足够了。但是，如果我们想与位于难以到达的地方（例如建筑物地下室）的设备通信，该怎么办？如果我们只想发送一小部分数据却要长距离传输怎么办？设计良好的NB-IoT可能是这些需求和挑战的答案。
.覆盖范围与能量
例如物理层中使用的子帧/资源单元的高度重复以及低调制和编码率（MCS）。就提出更适合NB-IoT技术的动态和自适应MCS选择技术和链路自适应方法，来扩大覆盖范围
MCS:将影响通信速率的因素作为列表的列，将mcs索引作为行，形成一张速率表。所以每个mcs索引都对应一组参数下的物理传输速率
B.数据速率增强和网络可靠性挑战
NB-IoT是一种授权频段技术，在这方面，与LoRa和SigFox等非授权频段技术相比，具有竞争优势。但是，实现数据速率增强带来了一些研究挑战
.在网络层级别：许多NB-IoT设计方法都考虑了NB-IoT单元内的单跳数据链路。这可能导致在上行链路会话期间向基站发送的数据量较少。

C.网络可伸缩性问题

连接如此多的设备将是NB-IoT未来最大的挑战之一，当网络连接成千上万亿个设备时，集中式系统将成为瓶颈。这样的系统将需要大量投资和维护维护可处理大量信息交换的云服务器。如果服务器不可用，这可能导致故障。
如使用雾计算模型，将云计算平台扩展到边缘的一种方式。所谓雾计算模型（数据处理和应用程序集中在网络边缘的设备中，而不是全部保存在云中，其中物联网中枢智能设备负责关键任务操作，云服务器承担数据收集和分析职责）
接着点对点通信（两用户之间的信息交换）虽然可以解决设备直接识别和彼此认证，但是缺点是只有一个用户可以收到信息。区块链技术可以永久记录nb-iot节点与基站eNB之间交换的通信数据包，提供了安全通信的基础上，也提供了数据修改的抵抗力
总体来说依靠其某些层的虚拟化来有效管理资源，从而提高其网络性能，提高NB-IOT的网络可扩展性。

3.NB-IOT与5G

（1）NB-IoT与5G系统集成会带来自身的问题和挑战

A.传播问题
5G系统是以毫米波段频率运行，以实现高数据速率，然而在建筑物内部的信号穿透方面提出了问题。同时，NB-IoT应用需要室内解决方案。从节点的角度来看，这对5G系统使用的NB-IoT网络构成了严峻的设计考虑挑战
B.多重访问问题
虽然原则上IOT传感器芯片组支持多种访问技术，但是为了实现目标价格与电池预算，往往端点IOT设备具有较低的复杂度。
C.能源问题
NB-IoT网络与蜂窝5G网络集成会给NB-IoT节点带来相当大的能源压力。然而相对于非许可频段的IOT网络（lora与sigfox）许可段的NB-IOT具有能量收集的优势，如果设计得当的话，NB-IoT节点可以收集电磁波（EM）携带的能量以维持其能量水平，从而延长其使用寿命。

总结：尽管NB-IoT作为5G蜂窝IoT的一部分面临着不同的挑战，但在选择最适合5G系统的IoT技术方面，NB-IoT仍比无执照技术更具竞争力。这是因为，与非授权技术不同，NB-IoT不会带来网络异质性的问题（网络体系结构就是使这些用不同媒介连接起来的不同设备和网络系统在不同的应用环境下实现互操作性，并满足各种业务需求的一种粘合剂，它营造了一种“生存空间” —— 任何厂商的任何产品、以及任何技术只要遵守这个空间的行为规则，就能够在其中生存并发展），使得管理更加容易

4.结论
本文分析和讨论了NB-IoT设计和部署中与网络资源效率相关的不同方面。本文一直关注能效，数据速率，网络可靠性和可伸缩性性能。还根据NB-IoT设计的当前状态确定了主要挑战，并提出了研究机会。未来的工作将考虑NB-IoT网络的PHY层（PHY指物理层，OSI的最底层。 一般指与外部信号接口的芯片）建模，提出一种用于MCS选择，数据速率增强和网络可扩展性管理的节能技术的建议。

The Narrowband Internet of Things (NB-IoT)
Resources Management Performance State
of Art, Challenges, and Opportunities
Received May 3, 2020, accepted May 18, 2020, date of publication May 20, 2020, date of current version June 5, 2020.