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【科普】淺談NB-IoT

更新時(shí)間 : 2021-08-20 15:43:41

移動(dòng)通信正在從人和人的連接，向人與物以及物與物的連接邁進(jìn)，萬(wàn)物互聯(lián)（IoT）是必然趨勢(shì)。我們正進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，這對(duì)于整個(gè)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。無(wú)論是運(yùn)營(yíng)商，還是設(shè)備廠商，都在展示各自的物聯(lián)網(wǎng)解決方案和在不同垂直行業(yè)的應(yīng)用。
那么到底什么是物聯(lián)網(wǎng)呢?

物聯(lián)網(wǎng)的定義

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按照其標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，將任何物品通過(guò)有線與無(wú)線方式與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行通信和信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)就是把物連接起來(lái)，要么用有線連，要么用無(wú)線連。
那么這就涉及到物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)了。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)很多，主要分為兩類：
一類是WiFi、藍(lán)牙、Zigbee、Z-wave、RFID、NFC等短距離通信技術(shù)；另一類是LPWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng))，即廣域網(wǎng)通信技術(shù)。
LPWAN又分為兩類，一類是基于非授權(quán)頻段的LoRa，SigFox等技術(shù)，另一類是基于授權(quán)頻段的3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，比如GSM、LTE 、eMTC，NB-IoT等。

目前的現(xiàn)狀：高速率業(yè)務(wù)主要使用3G、4G技術(shù)；中等速率業(yè)務(wù)主要使用GPRS技術(shù)。低速率業(yè)務(wù)目前還沒(méi)有很好的蜂窩技術(shù)來(lái)滿足，而它卻有著豐富多樣的應(yīng)用場(chǎng)景，很多情況下只能使用GPRS技術(shù)勉力支撐。

基于對(duì)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)這一趨勢(shì)和需求的敏銳洞察，2013年初，業(yè)內(nèi)有共識(shí)的運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備廠商和芯片廠商們一起開(kāi)展了廣泛而深入的需求和技術(shù)研討，并迅速達(dá)成了推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共識(shí)，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）研究正式開(kāi)始。2016年6月，在3GPP R13標(biāo)準(zhǔn)中，NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)。

NB-IoT的應(yīng)用場(chǎng)景

首先說(shuō)一下NB-IoT的特點(diǎn)：

1.覆蓋增強(qiáng)（增強(qiáng)20dB）
2.支持大規(guī)模連接，100K終端/200KHz小區(qū)
3.超低功耗，10年電池壽命
4.超低成本
5.最小化信令開(kāi)銷(xiāo)，尤其是空口
6.確保整個(gè)系統(tǒng)的安全性，包括核心網(wǎng)
7.支持IP和非IP數(shù)據(jù)傳送
8.支持短信（可選部署）

所以對(duì)于小數(shù)據(jù)量，對(duì)時(shí)延不敏感，廣覆蓋的場(chǎng)景非常實(shí)用。

場(chǎng)景一智慧城市

以水、電、氣表智能計(jì)量、公共停車(chē)管理、環(huán)保監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?yàn)榍腥朦c(diǎn)，監(jiān)測(cè)一座城市需要多方面協(xié)調(diào)且控制低成本，從而提升城市公共服務(wù)和公共管理的能力。NB-IoT和LTE使得控制路燈，免費(fèi)停車(chē)，環(huán)境監(jiān)測(cè)等能力得到實(shí)現(xiàn)。如前所述，NB-IoT調(diào)制解調(diào)器具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。比如，模組預(yù)計(jì)為5美元。智能抄表的主要要求是網(wǎng)絡(luò)覆蓋。有時(shí)，抄表需要在信號(hào)惡劣的地區(qū)進(jìn)行，比如，偏遠(yuǎn)地區(qū)和地下。NB-IoT通過(guò)規(guī)律的小數(shù)據(jù)傳送實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣和水表的監(jiān)測(cè)。這會(huì)實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

場(chǎng)景二信息消費(fèi)

在智能家居、可穿戴設(shè)備、兒童及老人照看、寵物追蹤及消費(fèi)電子等產(chǎn)品中的應(yīng)用，加強(qiáng)商業(yè)模式創(chuàng)新；NB-IoT都支持海量傳感器，從大數(shù)據(jù)量到小數(shù)據(jù)量的活動(dòng)。讓便攜和實(shí)施大數(shù)據(jù)成為可能。

場(chǎng)景三工業(yè)制造

與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造相結(jié)合推動(dòng)融合創(chuàng)新，對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程的監(jiān)控和控制，在物流運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用將大大拓展。

場(chǎng)景四共享技術(shù)與智能硬件

共享單車(chē)、智能硬件等“雙創(chuàng)”企業(yè)應(yīng)用。

了解完NB-IoT的應(yīng)用場(chǎng)景后，接下來(lái)我們來(lái)看看NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
NB-IoT解決方案

● 設(shè)備：NB-IoT終端（如智能水表、智能氣表等）通過(guò)空口連接到eNodeB。

● 基站：主要承擔(dān)空口接入處理和小區(qū)管理等相關(guān)功能，通過(guò)S1-lite接口與IoT核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。

● IoT核心網(wǎng)：承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，將IoT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺(tái)進(jìn)行處理。

● IoT平臺(tái)：IoT聯(lián)接管理平臺(tái)匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行處理。

● APP Server：是IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，根據(jù)客戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作。

重點(diǎn)來(lái)了，那IoT核心網(wǎng)和傳統(tǒng)LTE核心網(wǎng)相比，增加了哪些功能呢？

IoT核心網(wǎng)
NB-IoT核心網(wǎng)

● 在NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，包括：NB-IoT終端 (即UE)、NB-IoT基站 (即IoT eNodeB)、歸屬用戶簽約服務(wù)器 (HSS)、移動(dòng)性管理實(shí)體 (MME)、服務(wù)網(wǎng)關(guān) (S-GW) 和PDN網(wǎng)關(guān) (P-GW)。

● 計(jì)費(fèi)和策略控制功能 (PCRF)在NB-IoT架構(gòu)中并不是必須的。以及為了支持MTC、NB-IoT而引入的網(wǎng)元也不是必須的，包括：
服務(wù)能力開(kāi)放單元SCEF (Service Capability Exposure Function)、第三方服務(wù)能力服務(wù)器 (SCS)和第三方應(yīng)用服務(wù)器 (AS)。其中。SCEF也經(jīng)常被稱為能力開(kāi)放平臺(tái)。

● 和傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)相比，在架構(gòu)上，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)主要增加了SCEF以支持控制面優(yōu)化方案和非IP數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)應(yīng)的引入了接口：MME和SCEF之間的T6接口、HSS和SCEF之間的S6t接口。

增強(qiáng)的功能如下：

● 用于小數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂泼鍯IoT優(yōu)化功能

● 用于小數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩裘鍯IoT優(yōu)化功能

● 對(duì)僅支持NB-IoT的UE實(shí)現(xiàn)不需要聯(lián)合附著的短信SMS支持

● 支持覆蓋優(yōu)化的尋呼增強(qiáng)

● 在SGi接口實(shí)現(xiàn)隧道，支持經(jīng)由PGW的非IP數(shù)據(jù)傳輸

● 提供基于T6接口和SCEF連接，支持經(jīng)由SCEF的非IP數(shù)據(jù)傳輸

● 支持附著時(shí)不創(chuàng)建PDN連接

那接入網(wǎng)有什么不同嗎？

NB-IoT的接入網(wǎng)構(gòu)架與LTE一樣。

NB-IoT

eNB通過(guò)S1接口連接到MME/S-GW，只是接口上傳送的是NB-IoT消息和數(shù)據(jù)。盡管NB-IoT沒(méi)有定義切換，但在兩個(gè)eNB之間依然有X2接口，X2接口使能UE在進(jìn)入空閑狀態(tài)后，快速啟動(dòng)resume流程，接入到其它eNB。

NB-IoT與5G的關(guān)系

很多人并不理解5G和NB-IoT到底存在什么關(guān)系，到底NB-IoT是不是5G技術(shù)？通訊中的5G，即第五代移動(dòng)電話通信標(biāo)準(zhǔn)，也稱第五代搜索移動(dòng)通信技術(shù)。5G技術(shù)帶來(lái)的絕不僅僅是更快的網(wǎng)速，而是使萬(wàn)物智能互聯(lián)成為可能。NB-IoT是5G商用的前奏和基礎(chǔ)，因此，NB-IoT的演進(jìn)更加重要，例如支持組播、連續(xù)移動(dòng)性、新的功率等級(jí)等等，只要NB-IoT等基礎(chǔ)建設(shè)完整，5G才有可能真正實(shí)現(xiàn)。而國(guó)內(nèi)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)本身就很成熟了，已經(jīng)承載了大量用戶，又與5G海量物聯(lián)（mMTC）應(yīng)用場(chǎng)景的定義基本一致，因此NB-IoT融入5G，一直呼聲不斷。

NB-IoT正式成為5G標(biāo)準(zhǔn)

在各方的期待下，2020年7月9日，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）無(wú)線通信部門(mén)（ITU-R）召開(kāi)會(huì)議，宣布NB-IoT滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求，正式被納入ITU IMT-2020 5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

即使是通過(guò)NB-IoT接入網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，最終也可以連接入5GC（5G核心網(wǎng)），融入5G網(wǎng)絡(luò)，可以“享受”5G的邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片等服務(wù)。但是，只有遵循R16標(biāo)準(zhǔn)的NB-IoT設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)才能接入5G核心網(wǎng)，因此已經(jīng)存在現(xiàn)網(wǎng)的NB-IoT設(shè)備后續(xù)若想接入5G核心網(wǎng)，是需要進(jìn)行升級(jí)的。

NB-IoT面臨的挑戰(zhàn)

在之前，工信部信息通信發(fā)展司副司長(zhǎng)，明確提出NB-IoT市場(chǎng)面臨的三大挑戰(zhàn)：
一是NB-IoT應(yīng)用有待進(jìn)一步普及。目前我國(guó)大部分NB-IoT連接集中在少數(shù)城市，在全國(guó)范圍內(nèi)得到普及的程度還有所欠缺，大量基站處于輕載、空載狀態(tài)；
二是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋還有待進(jìn)一步完善。部分地區(qū)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平還不能完全滿足承載2G連接遷移的要求，在局部覆蓋深度方面還需加強(qiáng)；
三是采用先進(jìn)移動(dòng)技術(shù)的比例有待進(jìn)一步提升。現(xiàn)有存量物聯(lián)網(wǎng)連接中，2G、3G連接仍占較大份額，需要加快形成以4G、5G技術(shù)梯次承接各類物聯(lián)網(wǎng)連接的發(fā)展格局。

但總體來(lái)說(shuō)，隨著國(guó)家對(duì)新基建的重視以及三大運(yùn)營(yíng)商全面推進(jìn)5G基站建設(shè)，將帶動(dòng)NB-IoT發(fā)展，而5G組網(wǎng)快速推進(jìn)加大拓展了物聯(lián)網(wǎng)低時(shí)延、高可靠、大連接等應(yīng)用場(chǎng)景。未來(lái)NB-IoT發(fā)展前景和發(fā)展空間均較好。

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