【我的物聯(lián)網(wǎng)成長記6】由淺入深了解NB-IoT

相信很多接觸過物聯(lián)網(wǎng)的人都聽過NB-IoT的名字，但NB-IoT到底是什么，它和物聯(lián)網(wǎng)又是什么關(guān)系呢？本文接下來就會為您回答這些疑問，由淺入深，一步步帶您走進NB-IoT。

物聯(lián)網(wǎng)顧名思義，就是各種物（設(shè)備）連入網(wǎng)絡(luò)，而根據(jù)應(yīng)用場景不同，不同設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)速率的要求也不同。根據(jù)專家預(yù)測，2020年將會有30億的設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，其中約70%的設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)速率的要求不高，但對覆蓋范圍、功耗以及成本都有較高的要求。

針對這一類設(shè)備，LPWAN這個概念就被提出來了。LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗廣域網(wǎng)），是一種技術(shù)概念，包括了很多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，比較主流的有NB-IoT，SigFox，LoRa等技術(shù)。

至此，我們本文的主角，NB-IoT正式登場了。上文的三種技術(shù)中，SigFox和LoRa均屬于私有技術(shù)，需要獨立建網(wǎng)，而NB-IoT則是國際標(biāo)準(zhǔn)，基于現(xiàn)有技術(shù)演進，更容易推廣和建設(shè)。

----------什么是NB-IoT----------

NB-IoT，全稱是Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)，它的原型是2014年5月華為和沃達豐聯(lián)合提出的NB M2M技術(shù)，隨后在2015年5月與高通提出的NB OFDMA技術(shù)融合成為NB-CIOT技術(shù)，之后又于2015年9月與愛立信公司提出的NB-LTE技術(shù)融合，形成了我們現(xiàn)在認識的NB-IoT，并在3GPP上正式立項。至2016年6月，NB-IoT 核心標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，但相關(guān)特性仍在持續(xù)演進中。

NB-IoT技術(shù)的物理層規(guī)格如下：

系統(tǒng)帶寬：180kHZ

上行技術(shù)：SC-FDMA（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，單載波頻分多址），是LTE上行鏈路的主流技術(shù)。

下行技術(shù)：OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交頻分多址），也是LTE中采用的通信技術(shù)。

相對LTE技術(shù)，為了減少實現(xiàn)的復(fù)雜性，NB-IoT精簡了不必要的物理信道，下行只有三種物理信道和兩種參考信號，上行只有兩種物理信道和一種參考信號。

從NB-IoT的物理層規(guī)格我們可以看出來，NB-IoT技術(shù)與LTE技術(shù)有很多相似之處，因此，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的部署支持基于當(dāng)前LTE制式的平滑演進，也就是當(dāng)前的LTE網(wǎng)絡(luò)可以直接改造升級為支持NB-IoT技術(shù)；并且根據(jù)不同運營商的需求，支持靈活的頻段部署：

獨立部署于單獨的頻帶內(nèi)，例如再利用GSM的頻帶。

部署在LTE邊緣的無用頻帶中。

部署在LTE的頻帶內(nèi)，與LTE共用頻帶。

----------NB-IoT的特點----------

NB-IoT技術(shù)有四大特點：超低功耗，超低成本，超強覆蓋，超大連接。

超低功耗

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳統(tǒng)通信設(shè)備不同，大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不需要隨時在線，它們僅在自己需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時連入網(wǎng)絡(luò)即可，其余時間如果一直保持在線只會增加功耗，并無實際價值。針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的這種行為特征，NB-IoT技術(shù)設(shè)計了三種不同的省電模式：

注：圖中y軸表示設(shè)備功耗。

PSM模式：該模式的終端非業(yè)務(wù)期間深度休眠，不接收下行數(shù)據(jù)，只有終端主動發(fā)送上行數(shù)據(jù)時可接收物聯(lián)網(wǎng)平臺緩存的下行數(shù)據(jù)，適合對下行數(shù)據(jù)無時延要求的業(yè)務(wù)。

DRX模式：該模式的終端基本處于在線狀態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)平臺的下行數(shù)據(jù)隨時可達終端設(shè)備，在每個DRX周期（例如1.28秒、2.56秒，5.12秒 或者10.24秒），終端都會檢測一次是否有下行業(yè)務(wù)到達，適用于對時延有高要求的業(yè)務(wù)。

eDRX模式：eDRX模式是基于DRX拓展的省電模式，該模式下的終端在每個eDRX周期內(nèi)，只有在設(shè)置的尋呼時間窗口內(nèi)，終端可接收物聯(lián)網(wǎng)平臺的下行數(shù)據(jù)，其余時間處于休眠狀態(tài)，不接收下行數(shù)據(jù)。對下行業(yè)務(wù)時延有較高要求，物聯(lián)網(wǎng)平臺可根據(jù)設(shè)備是否處于休眠狀態(tài)緩存消息或者立即下發(fā)消息。

設(shè)備可以根據(jù)自己的業(yè)務(wù)特點選用最合適的省電模式，達到功耗最小化的目的，實現(xiàn)真正的超長待機，大大延長電池壽命。

超低成本

網(wǎng)絡(luò)方面，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)支持在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進行升級改造，大大降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護成本。

終端方面，NB-IoT芯片專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，采用了多種技術(shù)降低成本，包括但不限于：

僅支持180kHz窄帶寬，基帶復(fù)雜度低。

針對NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上低速率的特點，降低采樣率，緩存Flash/RAM要求小。

僅支持單天線，半雙工的工作方式，RF成本低。

簡化信令處理的協(xié)議棧，減少Flash/RAM的使用。

從下圖中我們可以看到，相對于傳統(tǒng)芯片，NB-IoT芯片對各組件要求更少，成本更低。

低廉的建設(shè)成本使得NB-IoT網(wǎng)絡(luò)能夠快速普及，便宜的模組價格便于設(shè)備生產(chǎn)商大批量采購和使用，大大加速了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

超強覆蓋

首先讓我們來了解一個概念，MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合損耗）。MCL是傳送數(shù)據(jù)時設(shè)備和基站的天線端口之間的最大總信道損耗，MCL值越大，鏈接越強大，信號覆蓋范圍越廣。

NB-IoT通過時域重傳技術(shù)和提升功率譜密度，相比GSM提升了20dB的MCL，覆蓋距離達到了GSM的三倍，穿透能力相當(dāng)于比GSM能多穿透兩堵墻。其中時域重傳技術(shù)是指在信息傳輸過程中反復(fù)重傳相同消息，可以增強信道條件惡劣時的傳輸可靠性，能夠提升9dB的下行增益和12dB的上行增益。提升功率譜密度則是指將180kHZ的帶寬分為12個15kHZ的子載波，并使用子載波進行傳輸，比起直接使用180kHZ的帶寬進行傳輸能夠提升11dB的增益。

這兩種技術(shù)的結(jié)合使用讓NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有了超大的覆蓋范圍和超強的穿透能力，設(shè)備不管在哪兒都能穩(wěn)定接入網(wǎng)絡(luò)，真正地把物聯(lián)接了起來。

超大連接

NB-IoT設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的方式和其他移動設(shè)備類似，終端設(shè)備通過基站接入核心網(wǎng)，再連接至業(yè)務(wù)平臺。

但物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的話務(wù)模型和傳統(tǒng)移動設(shè)備不同，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量多，且大部分設(shè)備發(fā)送包小，對時延不敏感?；谖锫?lián)網(wǎng)的話務(wù)模型，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)要允許更多的設(shè)備同時接入，達到現(xiàn)有無線技術(shù)的50~100倍。

為了達到超大連接的目標(biāo)，NB-IoT采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

NB-IoT使用15kHZ的子載波進行傳輸，調(diào)度粒度小，在同樣資源的情況下，資源的利用率會比LTE等寬帶技術(shù)高很多。

NB-IoT的省電技術(shù)減少了設(shè)備與基站間的通信，不僅為設(shè)備省了電，還降低了每個設(shè)備對基站的資源使用。

NB-IoT物理層精簡了很多物理信道和信號，減少了空口令開銷。

NB-IoT基于物聯(lián)網(wǎng)話務(wù)模型優(yōu)化了基站和核心網(wǎng)，擁有獨立的準(zhǔn)入擁塞控制、終端上下文信息存儲能力和下行數(shù)據(jù)緩存機制，使終端設(shè)備能夠安心休眠，并在激活后能快速接入核心網(wǎng)。

根據(jù)仿真測試，現(xiàn)在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)單小區(qū)基站可接入約5萬個終端設(shè)備，這樣的超大連接能力使物聯(lián)網(wǎng)能夠做到真正的“萬”物互聯(lián)。

----------NB-IoT與通信協(xié)議----------

NB-IoT是一種通信技術(shù)，使用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)平臺進行通信的設(shè)備一般還要遵守某種通信協(xié)議，相當(dāng)于兩個人打電話，聲音通過電波傳播，但這兩個人使用的語言必須是對方能理解的語言通話才能成立。

當(dāng)前NB-IoT設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)平臺通信的主流通信協(xié)議是CoAP和LWM2M協(xié)議。

由于大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都是資源受限型設(shè)備，它們的物理資源和網(wǎng)絡(luò)資源都非常有限，直接使用現(xiàn)有的TCP和HTTP協(xié)議進行通信對它們來說要求實在是太高了。為此，CoAP（Constrained Application Protocol，受限制的應(yīng)用協(xié)議）被設(shè)計出來了，它運行于UDP協(xié)議之上，它最大的特點就是小巧，最小的數(shù)據(jù)包僅4字節(jié)。CoAP是一個完整的二進制應(yīng)用層協(xié)議，它借鑒了HTTP協(xié)議的設(shè)計并簡化了協(xié)議包格式，降低了開發(fā)者的學(xué)習(xí)成本。

LWM2M（Lightweight Machine-To-Machine，輕量級M2M）協(xié)議是由由OMA（Open Mobile Alliance）提出并定義的基于CoAP協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。LWM2M協(xié)議在CoAP協(xié)議的基礎(chǔ)上定義了接口、對象等規(guī)范，使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的通信更加簡潔和規(guī)范。

----------NB-IoT的應(yīng)用場景----------

了解了NB-IoT的技術(shù)特點后，相信很多人都能想到，NB-IoT的這些特點正是建設(shè)規(guī)模龐大的智慧城市方案的重點訴求，事實上，智慧城市也正是NB-IoT技術(shù)的主要應(yīng)用場景之一。

以智能水務(wù)場景為例，通過將傳統(tǒng)水表替換成基于NB-IoT的智能水表，可實現(xiàn)智能抄表，減少人工抄表的成本和不確定性；通過將管道監(jiān)測設(shè)備（水壓計等）替換成基于NB-IoT的智能監(jiān)測設(shè)備，可做到異常及時上報，減少漏損。因為NB-IoT的超強覆蓋和超大連接特點，設(shè)備更新?lián)Q代時無需因為擔(dān)心信號問題而改造安裝環(huán)境，也不用擔(dān)心連接數(shù)問題而減少部署數(shù)量，可以做到簡單的一對一置換；且因為NB-IoT的超低成本和超低功耗，使得大批量置換成為可能，也無需擔(dān)心供電問題，內(nèi)置電池的壽命可長達數(shù)年。

類似于智能水務(wù)場景的還有智能煙感、智能氣表等場景，此處不再贅述。

智慧路燈是智慧城市中的另一個重要場景，在這個場景中，通過NB-IoT技術(shù)可以實現(xiàn)每個路燈的單獨監(jiān)控和單獨控制，實現(xiàn)實時獲取路燈狀態(tài)、遠程配置及控制路燈等場景，大幅節(jié)約運行與維護成本。

除了智慧城市場景，NB-IoT還可應(yīng)用于很多其他場景，如共享設(shè)備、智能物流、智能農(nóng)業(yè)、可穿戴設(shè)備等等，可謂前景廣闊。

----------了解更多----------

華為云設(shè)備接入、設(shè)備管理服務(wù)支持多種協(xié)議的設(shè)備接入，其中包括使用CoAP/LWM2M協(xié)議的NB-IoT設(shè)備，若您對設(shè)備如何接入華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺感興趣，可以點擊下方的鏈接查看我們另一篇博文。

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下期預(yù)告：物聯(lián)網(wǎng)主流通信協(xié)議解讀

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