窄带物联网NBIoT部署策略
曾海燕 郑鑫 张晓洁
文章编号： 2095-2163（2018）03-0179-03中图分类号： 文献标志码： A
摘要： 关键词： （College of Physics and Electronic Engineering， Guangxi Normal University for Nationalities， Chongzuo Guangxi 532200， China）
Abstract： With the rapid development of the Internet of Things， the narrowband Internet of Things （NB-IoT） technology has attracted more and more attention due to the advantages of low power consumption and wide coverage. Firstly， this article introduces the technical characteristics of narrowband Internet of Things. Then，the paper analyzes the network deployment implementation of narrowband Internet of Things and lists the typical application scenarios of NB-IoT. Finally， the paper provides the broad prospects of the technology of narrowband Internet of Things in the future application.
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收稿日期： 引言
物联网（Internet of Things，IoT）是将各种信息的传感设备进行联网，以最终接入互联网而形成的一个巨大网络系统。其研发本质就是设备采用通信技术与网络建立连接，从而设计实现人与物以及物与物的智能连接。随着蜂窝物联网的不断发展，IoT在智慧城市及医疗等领域获得了广泛应用。
目前，市场竞争不断加剧，中国移动、中国联通以及中国电信这些运营商盈利增长已步入相对平缓时期。为了解决这种问题，运营商需要寻求新的盈利增长条件。为此，就需要借助自身独具的优势，抓住万物互联发展的新机遇，更好地发挥利用连接驱动增长这种组合模式所带来的积极推动作用。由于窄带物联网技术可以让运营商比较容易在现有网络基础上平滑升级支持物联网，因此受到运营商的关注和青睐。迄至目前，窄带物联网技术已然成为运营商抢占物联网市场的重要技术手段。
1NB-IoT技术
窄带物联网是3GPP为运营商量身定制的物联网解决方案。NB-IoT是具有低速率、低功耗、广覆盖、大连接的物联网技术。这里，针对NB-IoT主要特色功能可表述如下：
（1）更深的网络覆盖。在设计性能上，窄带物联网表现出更高的功率谱密度，重传次数也更多。相比于GPRS，其增益可以提升20 dB，可以有效地提升网络覆盖，而且允许时延大概10 ms。便于在偏远地区、室内环境、地下环境来设计部署低成本、低功耗设备。
（2）更少的电池消耗。窄带物联网借助PSM模式和eDRX模式可以延长睡眠周期，同时减少终端监听网络频度，这样就可以延长待机时间，显著降低设备耗电，减少设备维护工作量。
2窄带物联网部署实现
2.1NB-IoT网络架构
NB-IoT网络由终端、无線基站、核心网、物联网通用平台等部分组成。网络拓扑结构可如图1 所示。
由图1可知，感知层的NB-IoT移动用户通过Uu空中接口连接到网络层的eNodeB，其中Uu接口主要用于传送用户数据和控制面的数据，基准协议包括有PHY、MAC和RRC。IoT 控制器可专门用于和终端非接入层实现交互，同时将 IoT 业务相关数据转发到 IoT平台进行加工处理。IoT平台则将各种传输的数据划定分类并转发到相关的应用层。IoT数据的最终汇聚点是业务应用，这一层将会根据客户的需求调取数据处理等一系列操作。通过分析可以知道，NB用户面流量少，接入建立与释放次数远大于LTE。控制面C-IOT -EPC优化，用户数据可以通过控制面来分发传输，不需建立用户面承载。UE的用户数据和NAS层信令发送至MME，继而转发到SGW/PGW。
网络层主要涉及无线网络覆盖等比较复杂的情况，类似于通信网络中无线层面临的覆盖问题、系统容量以及在传输过程中的干扰问题。运营商着重考虑的是通信网络在NB-IoT技术传输过程中展现的功能效应。
2.2NB-IoT网络部署方式
NB-IoT提供了3种部署方式，分别是：独立部署（Stand-alone）、保护带部署（Guard-band）以及带内部署（In-band），详情参考则如图2所示。而对各种方式的技术功能阐释即可做如下研究分述。
（1）独立部署。主要是利用现网空闲频谱或是新的频谱部署NB-IoT，频带宽度200 kHz。适合GSM和CDMA 频段重耕。这种方式具有相对灵活的容量扩展性，同时具有独立的高发射功率，下行速率也比较高。
（2）保护带部署。主要体现在NB-IoT工作在LTE 系统中边缘的保护带。这种方式容量扩展比较困难，同时还降低了LTE的信噪比。
（3）带内部署。主要的优点是容量扩展非常灵活，发射功率较高，但是影响LTE的网络容量，而且还使网络覆盖受限。因为这种方式可占用LTE 带内一个Rb的带宽部署NB-IoT。在这种方式下，2个系统的频带相邻就会存在频率干扰。为了避免这种干扰现象，NB-IoT 技术的发射功率应该低于LTE 功率谱密度的6 dB。
2.3核心网部署
实践中，物联网应用反映出海量连接、数据分组小、功耗敏感等特点，而物联网用户与普通LTE 用户差异较大，研究后建议引入NFV部署专用的物联网核心网。
设计实施方案是：首先建议采用大区制建设物联网专用的HSS和PGW 网元。同时，各省网现有EPC核心网元MME和SGW将着重打造软件升级并根据需要进行扩容，在容量、功能等方面保障物联网业务的发展。其次，逐步增配NFV 技术构建虚拟物联网vEPC 专网，推进“人网”、“物网”接入分离。现网传统EPC与vEPC共存，大部分物联网应用选取vEPC进行承载。最后，将整体改善网络功能重构，基于统一NFVI 构建专用接入，综合设定业务的按需编排，获得设备资源的统一调配和动态扩容。通过虚拟化物联网专网对不同类别的业务和应用进行切片，提供对应的服务，实现业务快速部署。
3NB-IoT典型应用场景
目前，NB-IoT已日趋广泛地应用在公共事业、智慧城市和工业应用等众多领域。物联网在应用上将涵盖七大类，具体内容如下。
（1）公共事业：表类，主要包括智能水表和智能气表。
（2）智慧建筑：报警系统、采暖通风空调系统、接入系统。
（3）农业与环境：包括农林牧渔、家畜监控、环境监控。
（4）工业应用：工业设备状态监控、进程与安全监控、能源基础设施。
（5）消费与医疗：家用电器、宠物/小孩追踪、共享单车、远程临床跟踪。
（6）智慧城市：智能停车、智能垃圾桶、智能灯杆。
（7）后勤保障：工业资产、货柜跟踪、位置与状态更新。
窄带物联网应用范围广阔，在此仅针对智能抄表和智能停车2个典型的应用场景给出如下探讨与研究解析。
3.1智能抄表
传统的智能抄表常采用电力线载波和非授权频段技术，通过区域通信接入设备，比如采集器，连接到管理平台，比较麻烦，而采用NB-IoT技术的智能抄表业务就不需要部署区域通信设备及有线接入线路，只需要租用运营商的无线网络就可以全面管理水、电、气表的自动抄录，因而采用NB-IoT技术在很大程度上可以降低建设难度，缩短建设周期，减少建设投资以及后期的维护成本。而且 NB-IoT网络具有覆盖广、容量大、可靠性高等特点，进一步说明了采用NB-IoT技术的智能抄表优势明显，易于实现。
3.2智能停车
智能停车是配置应用普遍常见的城市物联网之一，智能停车场景设计可如图3所示。
目前常用的方案是在停车位处安装车检器，车检器一般采用的是非授权频段技术，通过将车位信息上报给汇聚网关，而汇聚网关则通过运营商网络上报到管理平台。非授权频段通信技术会存在一些信号干扰，网络的稳定性和安全性比较差。并且汇聚网关覆盖范围多为有限，通常一个汇聚网关只能管理10个左右的车位，部署工作量较为可观。
采用NB-IoT 部署智能停车优势将尤为突出，只需在车检器上安装NB-IoT 芯片，通过芯片与运营商基站的通信即可实现。总地来说，就是监测车位是否有车，将车位信息上报到平台，通过引导屏和终端指引车主停车。这样就不需要根据车位数量添加相应的汇聚网关，可以大大降低设计工作量、以及部署和维护成本。而且智能停车业务特点是低速率小包业务为主，对移动性没有要求，对时延也不敏感，后续车位扩容将不需要考虑网络兼容性问题，非常简单方便。
4结束语
随着信息技术的飞速发展，万物互联已经成了必然趋势。NB-IoT就充分利用了低带宽、低功耗、待机时间长的优点，可根据客户的应用场景的不同实现功能自定义。NB-IoT 作为低功耗广域网技术的代表，在低速率物联网业务中扮演着重要的角色，是运营商抢占物联网市场的关键切入点。随着NB-IoT技术解决方案的相继推出，基于NB-IoT技术的商业模式也将趋于成型。未来，NB-IoT技術将会获得更为广泛的拓展与创新应用。
参考文献
[1] CHEN Jing. Lot equipment environment more order channel narrowband signal blind source separation algorithm research [J]. Microelectronics & Computer， 2016， 33（8）：153-158.
[2] 刘毅，孔建坤，牛海涛，等. 窄带物联网技术探讨[J]. 通信技术，2016，49（12）：1671-1675.
[3] 李娟，胡晓玲，李自刚. 窄带物联网NB-IoT能耗测试浅析[J]. 电信网技术，2016（8）：65-67.
[4] CAO Heng， FAN Bin，LIU Qi，et al. Key technologies and business application of Internet of Things based on cellular network[J]. Designing Techniques of Posts and Telecommunications，2015（8）：1-6.
[5] 陈博，甘志辉. NB-IoT网络商业价值及组网方案研究[J]. 移动通信，2016（13）：42-46，52.
[6] 钱小聪，穆明鑫. NB-IoT的标准化、技术特点和产业发展[J]. 信息化研究，2016，42（5）：23-26.
[7] 戴国华，余骏华. NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J]. 移动通信，2016，40（7）：31-36.
[8] 曲井致. NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展趋势[J]. 科技创新与应用，2016（31）：115.
[9] 陈毅雯，张平，鄢勤. 基于LTE-M蜂窝物联网技术的应用试点探讨[J]. 邮电设计技术，2016（5）：21-24.
[10]彭雄根，李新，陈旭奇. NB-IoT技术的发展及网络部署策略研究[J]. 邮电设计技术，2017（3）：58-61.
