冷汶鍇 何 立 劉 剛

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淺談NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術的應用與挑戰(zhàn)

冷汶鍇 何 立 劉 剛

中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的飛速發(fā)展，NB-IoT作為現(xiàn)階段我國物聯(lián)網(wǎng)結構體系中的重要分支，憑借自身在蜂窩網(wǎng)絡結構技術以及運行成本等方面的優(yōu)勢與商業(yè)價值，逐漸成為物流網(wǎng)發(fā)展的主流。因此，主要介紹了NB-IoT技術的相關特性和應用發(fā)展情況。

NB-IoT；物聯(lián)網(wǎng)；應用；挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)接入技術可分為近距離無線接入技術和蜂窩移動通信技術兩類。這兩類技術都有其優(yōu)勢與不足。因此，為滿足物聯(lián)網(wǎng)眾多遠距離設備的連接需求，又產(chǎn)生了LPWA（Low Power Wide Area，低功耗廣域覆蓋）技術。LPWA具有覆蓋廣、海量連接、低功耗和低成本的特點，非常適合需要遠距離傳輸、通信數(shù)據(jù)量較少、電池供電運行的物聯(lián)網(wǎng)設備[1]。NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術根據(jù)其相關特性，成為技術LPWA中一門主流物聯(lián)網(wǎng)接入技術。通過介紹NB-IoT技術的相關特性，詳細了解了NB-IoT技術的應用和面臨的挑戰(zhàn)。

1 NB-IoT技術的相關特性

1.1 NB-IoT技術的基本特性

NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術由NB-CIoT與NB-LTE兩項技術融合而來。通常認為，NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術具有4大優(yōu)勢：一是低功耗，終端模塊的單電池工作時間可長達10年；二是低成本，單片芯片成本目標為1美元，而模塊預期價格不超過5美元；三是覆蓋廣、穿透能力強，相當于多穿透一堵墻體，適用于覆蓋地下車庫、地下管井等密閉空間；四是大連接，NB-IoT具備支撐海量連接的能力，一個扇區(qū)最大可支持10萬個連接，是傳統(tǒng)的移動通信容量的50～100倍[2]。

1.2 NB-IoT技術的物理層特性

1.2.1 部署方式

NB-IoT基于現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡，只消耗大約180?kHz的帶寬，就可以直接部署在已有的GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡和LTE網(wǎng)絡中，并在現(xiàn)有移動通信設施上實現(xiàn)平滑升級，部署成本低[3]。NB-IoT具有以下3種部署模式：

（1）獨立部署，即Stand-alone模式，獨立的頻帶部署，利用目前GSM/EDGE無線接入網(wǎng)（GERAN）系統(tǒng)占用的頻譜，替代已有的一個或多個GSM載波，與LTE中的頻帶不重疊；（2）保護帶部署，即Guard-band模式，利用LTE頻帶中邊緣頻帶；（3）帶內(nèi)部署，即In-band模式，利用LTE頻帶進行部署。

1.2.2 NB-IoT上行鏈路支持2種技術

（1）兩種帶寬：3.75?kHz，功率譜更大、覆蓋更好；15?kHz，速率高、時延小。（2）兩種模式：Single Tone，1個用戶使用1個載波，低速應用；Multi—Tone，1個用戶使用多個載波，高速應用，只支持15?kHz。

1.2.3 NB-IoT下行鏈路采用OFDMA 15?kHz

占用200?kHz帶寬（兩邊各留10?kHz保護帶，實際占用180?kHz）。子載波帶寬：15?kHz；子載波數(shù)量：12。

NB-IoT的物理信道通過降低目標速率、多次傳輸、采用低階調(diào)制方式等措施，達到增加覆蓋、降低成本、降低功耗的目的。

1.3 NB-IoT的網(wǎng)絡特性

NB-IoT系統(tǒng)采用了基于4G LTE演進的分組核心網(wǎng)（EPC）網(wǎng)絡架構，并結合NB-IoT系統(tǒng)的大連接、小數(shù)據(jù)、低功耗、低成本、深度覆蓋等特點對現(xiàn)有4G網(wǎng)絡架構和處理流程進行了優(yōu)化[4]。

2 NB-IoT的應用情況

物聯(lián)網(wǎng)應用場景可以分為低速、中速、高速三類，這里的速率有兩個層次的含義：一是它本身的通信帶寬的速率要求多高；二是終端的移動性本身也存在速度較低的問題[5]。

NB-IoT在低速移動場景中具有突出的技術優(yōu)勢，功耗低、覆蓋廣，而且還可以和現(xiàn)有的基站共用。電信運營商的網(wǎng)絡覆蓋到哪，NB芯片的終端就能連接到哪。低速移動的應用場景有典型的幾個方面：

（1）交通行業(yè)，涉及車載信息服務、車載定位監(jiān)控、車載Wi-Fi、車載視屏監(jiān)控、車輛防盜等。用戶只要安裝App即可通過收據(jù)查找附件停車位，并支持導航等功能。與傳統(tǒng)的停車方案相比，這一基于NB-IOT的試點，改變了通過中繼網(wǎng)關收集信息再反饋給基站中存在的復雜網(wǎng)絡部署、多網(wǎng)絡組網(wǎng)、高成本等問題。

（2）衛(wèi)生醫(yī)療，涉及無線血壓計、兒童定位手表、老人智能手表等。

（3）公共設施，涉及城市燈光管控、城市氣象監(jiān)測、城市設施監(jiān)控等方面。

（4）物流業(yè)，涉及物流車輛調(diào)度、物流追蹤管理等。

（5）抄表，涉及用戶水表、家庭燃氣表、用戶電表等。

（6）工業(yè)制造，涉及智能產(chǎn)品售后服務、智能工廠等。

（7）企業(yè)能耗管理，涉及園區(qū)、大廈、企業(yè)等能源監(jiān)管。

（8）智能家居，涉及家居智能監(jiān)控、家居安全防護等。

（9）智能農(nóng)業(yè)，涉及農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等實時情況搜集和監(jiān)控。

（10）商品零售行業(yè)，涉及移動貨架、自動售貨機、金屬POS機等。

3 NB-IoT技術面臨的挑戰(zhàn)

3.1 NB-IoT技術的安全問題

對于物聯(lián)網(wǎng)來說，網(wǎng)絡安全一直是個大問題。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系結構分為3個層次：第1層是感知層，作用為獲取信息；第2層是網(wǎng)絡層，作用為傳輸數(shù)據(jù)；第3層是應用層，作用為最終達到物聯(lián)網(wǎng)應用的目的。類似于一般的物聯(lián)網(wǎng)感知層，NB-IoT的感知層容易遭受被動攻擊和主動攻擊這兩種性質的攻擊[6]。被動攻擊者可以通過竊取鏈路數(shù)據(jù)、分析流量特征等各種手法獲取NB-IoT終端的信息和用戶的隱私信息；主動攻擊者會破壞信息的完整性，因此對NB-IoT網(wǎng)絡的危害程度遠遠大于被動攻擊。兩種類型的攻擊方式可以通過數(shù)據(jù)加密、身份認證、完整性校驗等密碼算法加以防范[7]。

3.2 NB-IoT技術干擾問題

由于NB-IoT網(wǎng)絡環(huán)境中，大量短距離、微功率無線電設備的應用，將使RFID與傳感器遭受外部無線電攻擊的機會大增，從而產(chǎn)生新的干擾，并導致空中電磁環(huán)境日趨復雜，而且NB-IoT無線電環(huán)境中的自擾與互擾的現(xiàn)象也十分嚴重。另外，由于物聯(lián)網(wǎng)廠家太多，NB-IoT設備的互操作和一致性也是個問題，還有部署和長期應用問題，與其他LPWAN技術（LoRa等）的競爭以及對移動性支持欠缺的問題，都是NB-IoT發(fā)展過程中需要考慮的問題。

4 結語

NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術是一種低功耗、低成本，且工作在授權頻段的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術。本文討論了NB-IoT相關的關鍵技術和應用情況，并提到了其面臨的有關挑戰(zhàn)。隨著3GPP對NB-IoT技術的持續(xù)推進以及物聯(lián)網(wǎng)技術作為未來5G技術的重要組成部分，已得到越來越多廠家、運營商以及政府機構的重視，其真正大放光彩的時機已不遠了。

[1]林長勇.基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)應用研究[J].信息與電腦（理論版），2017（17）：167-168，171.

[2]戴國華，余駿華.NB-IoT的產(chǎn)生背景、標準發(fā)展以及特性和業(yè)務研究[J].移動通信，2016，40（7）：31-36.

[3]NB-IoT System for M2M Communication. RATASUK R，VEJLGAAD B，MANGALVEDHEN[C]. 2016 IEEE Wireless Communications and Networking Conference，2016.

[4]Technical Specification Group Radio Access Networks； Narrowband Internet of Things （NB-IoT）[C].Technical Report for BS and UE radio transmission and reception（Release 13），3GPP TR 36.802 V0.3.0（2016-05）.

[5]奚加榮.NB-IoT應用展望及生態(tài)協(xié)同[J].通信世界，2016（25）：52-53.

[6]孫知信，洪漢舒.NB-IoT中安全問題的若干思考[J].中興通訊技術，2017（1）：47-50.

[7]何廷潤.NB-IoT的無線電環(huán)境安全面臨新挑戰(zhàn)[J].通信世界，2017（14）：9.

Discussion on the Application and Challenge of NB-IoT Narrowband Internet of Things

Leng Wenkai He Li Liu Gang

China Electronic Technology Group Corporation 13th Research Institute, Sichuan Chengdu 610041

In recent years, with the rapid development of Internet business, NB-IoT is an important branch of China’s Internet structure system. By virtue of their own advantages and commercial value in the cellular network technology and cost, NB-IoT has gradually become the main stream of the development of the logistics network. The paper will mainly introduce the related characteristics and application development of NB-IoT technology.

NB-IoT; Internet of Things; applications; challenges

TN929.5；TP391.4

A

1009-6434（2017）11-0018-02