【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（IoT）是必然趨勢。我們正進入萬物互聯的時代，這對于整個移動通信產業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網解決方案和在不同垂直行業的應用。
那么到底什么是物聯網呢?

物聯網的定義

物聯網是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按照其標準協議，將任何物品通過有線與無線方式與互聯網連接，進行通信和信息交換，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。
簡單來說，物聯網就是把物連接起來，要么用有線連，要么用無線連。
那么這就涉及到物聯網的通信技術了。

物聯網技術概述

物聯網的無線通信技術很多，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；另一類是LPWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網)，即廣域網通信技術。
LPWAN又分為兩類，一類是基于非授權頻段的LoRa，SigFox等技術，另一類是基于授權頻段的3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術，比如GSM、LTE 、eMTC，NB-IoT等。

目前的現狀：高速率業務主要使用3G、4G技術；中等速率業務主要使用GPRS技術。低速率業務目前還沒有很好的蜂窩技術來滿足，而它卻有著豐富多樣的應用場景，很多情況下只能使用GPRS技術勉力支撐。

基于對蜂窩物聯網這一趨勢和需求的敏銳洞察，2013年初，業內有共識的運營商、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研討，并迅速達成了推動產業發展的共識，基于蜂窩的窄帶物聯網（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。

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.支持大規模連接，100K終端/200KHz小區
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.確保整個系統的安全性，包括核心網
7.支持IP和非IP數據傳送
8.支持短信（可選部署）

所以對于小數據量，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、環保監測等領域為切入點，監測一座城市需要多方面協調且控制低成本，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，環境監測等能力得到實現。如前所述，NB-IoT調制解調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絡覆蓋。有時，抄表需要在信號惡劣的地區進行，比如，偏遠地區和地下。NB-IoT通過規律的小數據傳送實現對煤氣和水表的監測。這會實現更好的網絡覆蓋。

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品中的應用，加強商業模式創新；NB-IoT都支持海量傳感器，從大數據量到小數據量的活動。讓便攜和實施大數據成為可能。

場景三工業制造

與工業互聯網、智能制造相結合推動融合創新，對生產制造過程的監控和控制，在物流運輸、農業生產等領域的應用將大大拓展。

場景四共享技術與智能硬件

共享單車、智能硬件等“雙創”企業應用。

了解完NB-IoT的應用場景后，接下來我們來看看NB-IoT的網絡構成。

NB-IoT 網絡構成
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管理等相關功能，通過S1-lite接口與IoT核心網進行連接，將非接入層數據轉發給高層網元處理。

● IoT核心網：承擔與終端非接入層交互的功能，將IoT業務相關數據轉發到IoT平臺進行處理。

● IoT平臺：IoT聯接管理平臺匯聚從各種接入網得到的IoT數據，根據不同類型轉發給相應的業務應用進行處理。

● APP Server：是IoT數據的最終匯聚點，根據客戶的需求進行數據處理等操作。

重點來了，那IoT核心網和傳統LTE核心網相比，增加了哪些功能呢？

IoT核心網
NB-IoT核心網

● 在NB-IoT的網絡架構中，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)、服務網關 (S-GW) 和PDN網關 (P-GW)。

● 計費和策略控制功能 (PCRF)在NB-IoT架構中并不是必須的。以及為了支持MTC、NB-IoT而引入的網元也不是必須的，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也經常被稱為能力開放平臺。

● 和傳統4G網絡相比，在架構上，NB-IoT網絡主要增加了SCEF以支持控制面優化方案和非IP數據傳輸，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：

● 用于小數據傳輸的控制面CIoT優化功能

● 用于小數據傳輸的用戶面CIoT優化功能

● 對僅支持NB-IoT的UE實現不需要聯合附著的短信SMS支持

● 支持覆蓋優化的尋呼增強

● 在SGi接口實現隧道，支持經由PGW的非IP數據傳輸

● 提供基于T6接口和SCEF連接，支持經由SCEF的非IP數據傳輸

● 支持附著時不創建PDN連接

那接入網有什么不同嗎？

NB-IoT的接入網構架與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消息和數據。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在進入空閑狀態后，快速啟動resume流程，接入到其它eNB。

NB-IoT與5G的關系

很多人并不理解5G和NB-IoT到底存在什么關系，到底NB-IoT是不是5G技術？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。5G技術帶來的絕不僅僅是更快的網速，而是使萬物智能互聯成為可能。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。而國內的NB-IoT網絡本身就很成熟了，已經承載了大量用戶，又與5G海量物聯（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技術標準。

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

NB-IoT面臨的挑戰

在之前，工信部信息通信發展司副司長，明確提出NB-IoT市場面臨的三大挑戰：
一是NB-IoT應用有待進一步普及。目前我國大部分NB-IoT連接集中在少數城市，在全國范圍內得到普及的程度還有所欠缺，大量基站處于輕載、空載狀態；
二是NB-IoT網絡覆蓋還有待進一步完善。部分地區NB-IoT網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的比例有待進一步提升?，F有存量物聯網連接中，2G、3G連接仍占較大份額，需要加快形成以4G、5G技術梯次承接各類物聯網連接的發展格局。

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發展，而5G組網快速推進加大拓展了物聯網低時延、高可靠、大連接等應用場景。未來NB-IoT發展前景和發展空間均較好。

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