NB-IoT是什么?一口气带你搞懂NB-IoT的诞生、特性以及应用

作者:woniu 2021-04-07 浏览:258
导读: 随着5G时代的不断发展,NB-IoT和物联网、大数据一样开始被热捧,NB-IoT 是Narrow BandInternetof Things(窄带物联网)的缩写,和物联网,在5G时代,NB-IoT 将成为一个新的兵家必争之地,对我们的生活产生新的变革。今天,我们就来了解一下NB-IoT。NB-IoT...

随着5G时代的不断发展,NB-IoT和物联网、大数据一样开始被热捧,NB-IoT 是Narrow BandInternetof Things(窄带物联网)的缩写,和物联网,在5G时代,NB-IoT 将成为一个新的兵家必争之地,对我们的生活产生新的变革。今天,我们就来了解一下NB-IoT。

NB-IoT的诞生

物联网是在互联网基础上延伸和扩展的-种网络,它通过信息传感设备按照约定的协议,将世间万物和互联网连接起来,并进行信息的交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。简单来说物联网就是实现人与物、物与物之间的连接,它使我们在信息与通信技术的世界里获得一个新的沟通维度。

物联网通常可以分为3层,即感知层、网络层和应用层。感知层主要是通过传感器等对物体进行信息采集、捕获和识别;网络层就是将物理世界接入到信息网络,将感知层的信息进行传递,更好的实现物与物、人与物之间的通信;应用层则对感知信息和数据进行相关的分析和处理,主要面向各类应用,以实现智能化决策和控制。

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早在2014年,业界都非常认可未来IoT万物互联的发展趋势,当时业界预测,到2016年全球将会使用64亿个物联网设备每天将有550万个设备连网。

而物联网其实是一个非常宽泛的名词,物联网通信技术根据传输距离的不同可以分为短距离通信技术和广域网通信技术。蓝牙也属于短距离通信技术。

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短距离通信技术和广域网通信技术

而根据传输速率的不同,可将物联网业务进行高、中、低速的区分。其中高速率业务主要使用3G、4G技术,例如车载物联网设备和监控摄像头, 对应的业务特点要求实时的数据传输;

中等速率业务主要使用GPRS技术( 第二代移动通信中的数据传输技术),例如居民小区或超市的储物柜,使用频率高但并非实时使用,对网络传输速度的要求远不及高速率业务;

低速率业务,业界将低速率业务市场归纳为LPWAN(Low Power Wide Area Network)市场,即低功耗广域网。是一种用在物联网(例如以电池为电源的感测器),可以用低比特率 进行长距离通讯的无线网络。

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所以LPWAN市场前景无限

目前还没有对应的蜂窝技术,多数情况下通过GPRS技术勉力支撑,从而带来了成本高、影响低速率业务普及度低的问题。

加上M2M(是指数据从一台终端传送到另一台终端,也就是机器与机器的对话)通信前景一直被3GPP(主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演进技术的相关标准)视为标准生态壮大的重要机遇,而在万物互联的时代,具备低成本、低功耗、广覆盖、低速率特点的LPWAN技术将扮演重要角色,具有非常广阔的市场。

所以3GPP也一直在推动相关机器类通信MTC技术的发展,且主要致力于在两个方向上。当时主要聚焦在两个方向。其一就是面对非3GPP技术挑战,开展GSM技术的进一步演进和全新接入技术的研究。其二就是考虑未来替代2G/3G物联网模块,研究低成本、演进的LTE-MTC技术。

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3GPP Rel-13中IoT相关项目关系简图

早在 2014年5月,华为提出了窄带技术NB M2M;2015年5月融合NB OFDMA形成了NB-CIoT,这一方案支持者有高通和Neul,而另外一方面,爱立信、中兴、诺基亚等厂商联合提出了NB-LTE。

2015年8月,3GPP RAN开始立项研究窄带无线接入全新的空口技术,称为Clean Slate CIoT,NB-CIoT与NB-LTE相比相对来说在现有LTE网络上改动较大,但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技术中,唯一一个满足在TSG GERAN #67会议中提出的5大目标(提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延)的蜂窝物联网技术,特别是NB-CIoT的通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。

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在经过了激烈的争论之后,最终在2015年9月的RAN#69次全会最终协商统一为一种技术方案,即NB-IoT。

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NB-IoT的3GPP标准核心部分在2016年6月冻结,2016年9月完成了性能部分的标准制定,最后的一致性测试标准在2016年12月完成,这也标志着NB-IoT的正式诞生。

2017年,中国电信与ofo、华为共同发布了基于NB-IoT技术的ofo智能单车正式商用。也标志着NB-IoT的正式落地。

NB-IoT的特点与发展前景

NB-IoT和移动通信(2/3/4/5G)也具有以下的区别和特点:

一是广覆盖,相比传统GSM,一个基站可以提供100倍的面积覆盖,一个NB-IoT基站可以覆盖10km的范围,同时NB-IoT比LTE和GPRS基站提升了20dB的增益,能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方,最重要的是,一个基站可以带20多万个终端!

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二是具备支撑海量连接的能力,但不支持连接态的移动性管理,NB-IoT 一个扇区能够支持 10 万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。不过NB-IoT最初就被设想为适用于移动性支持不强的应用场景,同时也可简化终端的复杂度、降低终端功耗,所以Rel-13中NB-IoT将不支持连接态的移动性管理,包括相关测量、测量报告、切换等。

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三是更低功耗,NB-IoT借助PSM和eDRX可实现更长待机。其中PSM(Power Saving Mode,节电模式)技术是Rel-12中新增的功能,在此模式下,终端仍旧注册在网但信令不可达,从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。eDRX是Rel-13中新增的功能,进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期,减少接收单元不必要的启动,相对于PSM,大幅度提升了下行可达性。

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根据TR45.820的仿真数据,在耦合耗损164dB的恶劣环境,PSM和eDRX均部署,如果终端每天发送一次200byte报文,5瓦时电池寿命可达12.8年;

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四是更低的模块成本,因为支撑海量连接的能力,举个例子,一老师同时教200个学生,另外一个老师就能带20个学生,这样在同样带1000个学生的前提下,带200个学生的老师只雇佣5个就可以,后面那样的老师就要雇佣50个。所以成本自然就降低了下来。企业预期的单个接连模块不超过 5 美元。

五是低时延且具有半双工模式特点,目前3GPP IoT允许时延约为10s,但实际可以支持更低时延,如6s左右(最大耦合耗损环境),除此之外,NB-IoT 具有半双工模式特点,也就是说我说话时你必须听着,绝对不能插嘴!反之亦然。

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中国电信对各家NB-IoT模块时延的测试

简而言之,NB-IoT具有灵活部署、窄带、低速率、低成本、高容量等特性,在2017年中国电信宣布建成全球首个覆盖最广的商用NB-IoT网络,率先实现了NB-IoT全网部署商用,而中国移动则选择同时部署NB-IoT和eMTC,截至2017年5月,中国移动物联网连接数突破1.2亿,成为全球最大的物联网连接提供商。

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到2018年4月,全国全网近40万个NB-IoT的基站的建设逐步实现了全国范围内的广泛覆盖。预期到2020年,NB-IoT网络实现全国普遍覆盖,在一些场景,比如室内、交通路网实现深度覆盖,基站规模要达到150万个。

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而这也彰显了NB-IoT的广阔发展前景。

NB-IoT的应用

随着智能城市、大数据时代的来临,无线通信将实现万物连接。很多企业未来全球物联网连接数将是千亿级的时代。目前已经出现了大量物与物的联接,而NB-IoT具有灵活部署、窄带、低速率、低成本、高容量等特性,开始被广泛运用于垂直行业各个行业。

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例如NB-IoT在消防系统中的应用(烟感器),基于NB-IoT的智慧消防系列解决方案如今开始慢慢普及,传统的人工巡查方式成本高效率低,而且数据不一定准确,在采用GPRS方式后情况貌似能到解决,实际因为信号不稳定,经常出现数据无法上传的情况。而使用NB-IOT方案的室内消火栓,即使在地下室也可正常通信,而且不会因为周边设备接入量多而造成网络拥堵。

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此类室内消火栓一般在出现异常开盖,压力异常等情况时,会自动将设备号,设备地址等告警信息传到消防管理平台。非常智能且便捷。

NB-IoT还可以应用于资产定位追踪系统、比如智慧园区的资产盘点,医疗废弃物跟踪处理,宠物的定位等等;也可以运用于智能家居之中。

总而言之,NB-IoT技术被广泛应用于智能水务、远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业、安防报警、智慧井盖、智慧路灯等领域之中。

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5G和NB-IoT有什么关系呢?5G有三个标准,分别是LTE(授权频道)、LTE-U(非授权频道)和NB-IoT(授权频道)。

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NB-IoT的演进显得十分重要,如支持组播、连续移动性、新的功率等级等等,只有NB-IOT等基础建设完整,5G才有可能真正实现。NB-IoT被认为是下一个万亿级市场,将带来智慧城市的变革。尽管NB-IoT已经在城市建设中广泛使用,但是它的潜力还有多少,能够为城市带来多大的变革,依然需要我们去不断挖掘、不断探索。

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1、《NB-IoT —— 一个正在爆发的拥有万亿市场需求的市场》

2、《NB-IoT是什么?NB-IoT的优势以及应用》

3、《NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究》

4、《5G的三个标准授权频道、非授权频道和授权频道介绍》

5、《基于NB-IoT的智慧消防系列解决方案》

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