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【科普】淺談NB-IoT

更新時間 : 2021-08-20 15:43:41

移動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，萬物互聯(lián)（IoT）是必然趨勢。我們正進入萬物互聯(lián)的時代，這對于整個移動通信產(chǎn)業(yè)來說是一個巨大的機會。無論是運營商，還是設備廠商，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)是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按照其標準協(xié)議，將任何物品通過有線與無線方式與互聯(lián)網(wǎng)連接，進行通信和信息交換，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。
簡單來說，物聯(lián)網(wǎng)就是把物連接起來，要么用有線連，要么用無線連。
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)的無線通信技術(shù)很多，主要分為兩類：
一類是WiFi、藍牙、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)務主要使用3G、4G技術(shù)；中等速率業(yè)務主要使用GPRS技術(shù)。低速率業(yè)務目前還沒有很好的蜂窩技術(shù)來滿足，而它卻有著豐富多樣的應用場景，很多情況下只能使用GPRS技術(shù)勉力支撐。

基于對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)這一趨勢和需求的敏銳洞察，2013年初，業(yè)內(nèi)有共識的運營商、設備廠商和芯片廠商們一起開展了廣泛而深入的需求和技術(shù)研討，并迅速達成了推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共識，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）研究正式開始。2016年6月，在3GPP R13標準中，NB-IoT標準凍結(jié)。

NB-IoT的應用場景

首先說一下NB-IoT的特點：

1.覆蓋增強（增強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.最小化信令開銷，尤其是空口
6.確保整個系統(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）

所以對于小數(shù)據(jù)量，對時延不敏感，廣覆蓋的場景非常實用。

場景一智慧城市

以水、電、氣表智能計量、公共停車管理、環(huán)保監(jiān)測等領域為切入點，監(jiān)測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和公共管理的能力。NB-IoT和LTE使得控制路燈，免費停車，環(huán)境監(jiān)測等能力得到實現(xiàn)。如前所述，NB-IoT調(diào)制解調(diào)器具有競爭力的價格。比如，模組預計為5美元。智能抄表的主要要求是網(wǎng)絡覆蓋。有時，抄表需要在信號惡劣的地區(qū)進行，比如，偏遠地區(qū)和地下。NB-IoT通過規(guī)律的小數(shù)據(jù)傳送實現(xiàn)對煤氣和水表的監(jiān)測。這會實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡覆蓋。

場景二信息消費

在智能家居、可穿戴設備、兒童及老人照看、寵物追蹤及消費電子等產(chǎn)品中的應用，加強商業(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。讓便攜和實施大數(shù)據(jù)成為可能。

場景三工業(yè)制造

與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造相結(jié)合推動融合創(chuàng)新，對生產(chǎn)制造過程的監(jiān)控和控制，在物流運輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領域的應用將大大拓展。

場景四共享技術(shù)與智能硬件

共享單車、智能硬件等“雙創(chuàng)”企業(yè)應用。

了解完NB-IoT的應用場景后，接下來我們來看看NB-IoT的網(wǎng)絡構(gòu)成。

NB-IoT 網(wǎng)絡構(gòu)成
NB-IoT解決方案

● 設備：NB-IoT終端（如智能水表、智能氣表等）通過空口連接到eNodeB。

● 基站：主要承擔空口接入處理和小區(qū)管理等相關(guān)功能，通過S1-lite接口與IoT核心網(wǎng)進行連接，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)：承擔與終端非接入層交互的功能，將IoT業(yè)務相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺進行處理。

● IoT平臺：IoT聯(lián)接管理平臺匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)給相應的業(yè)務應用進行處理。

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

重點來了，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)、歸屬用戶簽約服務器 (HSS)、移動性管理實體 (MME)、服務網(wǎng)關(guān) (S-GW) 和PDN網(wǎng)關(guān) (P-GW)。

● 計費和策略控制功能 (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：
服務能力開放單元SCEF (Service Capability Exposure Function)、第三方服務能力服務器 (SCS)和第三方應用服務器 (AS)。其中。SCEF也經(jīng)常被稱為能力開放平臺。

● 和傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡相比，在架構(gòu)上，NB-IoT網(wǎng)絡主要增加了SCEF以支持控制面優(yōu)化方案和非IP數(shù)據(jù)傳輸，對應的引入了接口：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

● 對僅支持NB-IoT的UE實現(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

● 在SGi接口實現(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沒有定義切換，但在兩個eNB之間依然有X2接口，X2接口使能UE在進入空閑狀態(tài)后，快速啟動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，即第五代移動電話通信標準，也稱第五代搜索移動通信技術(shù)。5G技術(shù)帶來的絕不僅僅是更快的網(wǎng)速，而是使萬物智能互聯(lián)成為可能。NB-IoT是5G商用的前奏和基礎，因此，NB-IoT的演進更加重要，例如支持組播、連續(xù)移動性、新的功率等級等等，只要NB-IoT等基礎建設完整，5G才有可能真正實現(xiàn)。而國內(nèi)的NB-IoT網(wǎng)絡本身就很成熟了，已經(jīng)承載了大量用戶，又與5G海量物聯(lián)（mMTC）應用場景的定義基本一致，因此NB-IoT融入5G，一直呼聲不斷。

NB-IoT正式成為5G標準

在各方的期待下，2020年7月9日，國際電信聯(lián)盟（ITU）無線通信部門（ITU-R）召開會議，宣布NB-IoT滿足各項指標要求，正式被納入ITU IMT-2020 5G技術(shù)標準。

即使是通過NB-IoT接入網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)設備，最終也可以連接入5GC（5G核心網(wǎng)），融入5G網(wǎng)絡，可以“享受”5G的邊緣計算、網(wǎng)絡切片等服務。但是，只有遵循R16標準的NB-IoT設備與網(wǎng)絡才能接入5G核心網(wǎng)，因此已經(jīng)存在現(xiàn)網(wǎng)的NB-IoT設備后續(xù)若想接入5G核心網(wǎng)，是需要進行升級的。

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，明確提出NB-IoT市場面臨的三大挑戰(zhàn)：
一是NB-IoT應用有待進一步普及。目前我國大部分NB-IoT連接集中在少數(shù)城市，在全國范圍內(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)絡覆蓋還有待進一步完善。部分地區(qū)NB-IoT網(wǎng)絡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；
三是采用先進移動技術(shù)的比例有待進一步提升?，F(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。

但總體來說，隨著國家對新基建的重視以及三大運營商全面推進5G基站建設，將帶動NB-IoT發(fā)展，而5G組網(wǎng)快速推進加大拓展了物聯(lián)網(wǎng)低時延、高可靠、大連接等應用場景。未來NB-IoT發(fā)展前景和發(fā)展空間均較好。

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