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【科普】浅谈NB-IoT

更新时间 : 2021-08-20 15:43:41

移动通信正在从人和人的连接，向人与物以及物与物的连接迈进，万物互联（IoT）是必然趋势。我们正进入万物互联的时代，这对于整个移动通信产业来说是一个巨大的机会。无论是运营商，还是设备厂商，都在展示各自的物联网解决方案和在不同垂直行业的应用。
那么到底什么是物联网呢?

物联网的定义

物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照其标准协议，将任何物品通过有线与无线方式与互联网连接，进行通信和信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
简单来说，物联网就是把物连接起来，要么用有线连，要么用无线连。
那么这就涉及到物联网的通信技术了。

物联网技术概述

物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：
一类是WiFi、蓝牙、Zigbee、Z-wave、RFID、NFC等短距离通信技术；另一类是LPWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域网)，即广域网通信技术。
LPWAN又分为两类，一类是基于非授权频段的LoRa，SigFox等技术，另一类是基于授权频段的3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如GSM、LTE 、eMTC，NB-IoT等。

目前的现状：高速率业务主要使用3G、4G技术；中等速率业务主要使用GPRS技术。低速率业务目前还没有很好的蜂窝技术来满足，而它却有着丰富多样的应用场景，很多情况下只能使用GPRS技术勉力支撑。

基于对蜂窝物联网这一趋势和需求的敏锐洞察，2013年初，业内有共识的运营商、设备厂商和芯片厂商们一起开展了广泛而深入的需求和技术研讨，并迅速达成了推动产业发展的共识，基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）研究正式开始。2016年6月，在3GPP R13标准中，NB-IoT标准冻结。

NB-IoT的应用场景

首先说一下NB-IoT的特点：

1.覆盖增强（增强20dB）
2.支持大规模连接，100K终端/200KHz小区
3.超低功耗，10年电池寿命
4.超低成本
5.最小化信令开销，尤其是空口
6.确保整个系统的安全性，包括核心网
7.支持IP和非IP数据传送
8.支持短信（可选部署）

所以对于小数据量，对时延不敏感，广覆盖的场景非常实用。

场景一智慧城市

以水、电、气表智能计量、公共停车管理、环保监测等领域为切入点，监测一座城市需要多方面协调且控制低成本，从而提升城市公共服务和公共管理的能力。NB-IoT和LTE使得控制路灯，免费停车，环境监测等能力得到实现。如前所述，NB-IoT调制解调器具有竞争力的价格。比如，模组预计为5美元。智能抄表的主要要求是网络覆盖。有时，抄表需要在信号恶劣的地区进行，比如，偏远地区和地下。NB-IoT通过规律的小数据传送实现对煤气和水表的监测。这会实现更好的网络覆盖。

场景二信息消费

在智能家居、可穿戴设备、儿童及老人照看、宠物追踪及消费电子等产品中的应用，加强商业模式创新；NB-IoT都支持海量传感器，从大数据量到小数据量的活动。让便携和实施大数据成为可能。

场景三工业制造

与工业互联网、智能制造相结合推动融合创新，对生产制造过程的监控和控制，在物流运输、农业生产等领域的应用将大大拓展。

场景四共享技术与智能硬件

共享单车、智能硬件等“双创”企业应用。

了解完NB-IoT的应用场景后，接下来我们来看看NB-IoT的网络构成。

NB-IoT 网络构成
NB-IoT解决方案

● 设备：NB-IoT终端（如智能水表、智能气表等）通过空口连接到eNodeB。

● 基站：主要承担空口接入处理和小区管理等相关功能，通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。

● IoT核心网：承担与终端非接入层交互的功能，将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。

● IoT平台：IoT联接管理平台汇聚从各种接入网得到的IoT数据，根据不同类型转发给相应的业务应用进行处理。

● APP Server：是IoT数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作。

重点来了，那IoT核心网和传统LTE核心网相比，增加了哪些功能呢？

IoT核心网
NB-IoT核心网

● 在NB-IoT的网络架构中，包括：NB-IoT终端 (即UE)、NB-IoT基站 (即IoT eNodeB)、归属用户签约服务器 (HSS)、移动性管理实体 (MME)、服务网关 (S-GW) 和PDN网关 (P-GW)。

● 计费和策略控制功能 (PCRF)在NB-IoT架构中并不是必须的。以及为了支持MTC、NB-IoT而引入的网元也不是必须的，包括：
服务能力开放单元SCEF (Service Capability Exposure Function)、第三方服务能力服务器 (SCS)和第三方应用服务器 (AS)。其中。SCEF也经常被称为能力开放平台。

● 和传统4G网络相比，在架构上，NB-IoT网络主要增加了SCEF以支持控制面优化方案和非IP数据传输，对应的引入了接口：MME和SCEF之间的T6接口、HSS和SCEF之间的S6t接口。

增强的功能如下：

● 用于小数据传输的控制面CIoT优化功能

● 用于小数据传输的用户面CIoT优化功能

● 对仅支持NB-IoT的UE实现不需要联合附着的短信SMS支持

● 支持覆盖优化的寻呼增强

● 在SGi接口实现隧道，支持经由PGW的非IP数据传输

● 提供基于T6接口和SCEF连接，支持经由SCEF的非IP数据传输

● 支持附着时不创建PDN连接

那接入网有什么不同吗？

NB-IoT的接入网构架与LTE一样。

NB-IoT

eNB通过S1接口连接到MME/S-GW，只是接口上传送的是NB-IoT消息和数据。尽管NB-IoT没有定义切换，但在两个eNB之间依然有X2接口，X2接口使能UE在进入空闲状态后，快速启动resume流程，接入到其它eNB。

NB-IoT与5G的关系

很多人并不理解5G和NB-IoT到底存在什么关系，到底NB-IoT是不是5G技术？通讯中的5G，即第五代移动电话通信标准，也称第五代搜索移动通信技术。5G技术带来的绝不仅仅是更快的网速，而是使万物智能互联成为可能。NB-IoT是5G商用的前奏和基础，因此，NB-IoT的演进更加重要，例如支持组播、连续移动性、新的功率等级等等，只要NB-IoT等基础建设完整，5G才有可能真正实现。而国内的NB-IoT网络本身就很成熟了，已经承载了大量用户，又与5G海量物联（mMTC）应用场景的定义基本一致，因此NB-IoT融入5G，一直呼声不断。

NB-IoT正式成为5G标准

在各方的期待下，2020年7月9日，国际电信联盟（ITU）无线通信部门（ITU-R）召开会议，宣布NB-IoT满足各项指标要求，正式被纳入ITU IMT-2020 5G技术标准。

即使是通过NB-IoT接入网络的物联网设备，最终也可以连接入5GC（5G核心网），融入5G网络，可以“享受”5G的边缘计算、网络切片等服务。但是，只有遵循R16标准的NB-IoT设备与网络才能接入5G核心网，因此已经存在现网的NB-IoT设备后续若想接入5G核心网，是需要进行升级的。

NB-IoT面临的挑战

在之前，工信部信息通信发展司副司长，明确提出NB-IoT市场面临的三大挑战：
一是NB-IoT应用有待进一步普及。目前我国大部分NB-IoT连接集中在少数城市，在全国范围内得到普及的程度还有所欠缺，大量基站处于轻载、空载状态；
二是NB-IoT网络覆盖还有待进一步完善。部分地区NB-IoT网络覆盖水平还不能完全满足承载2G连接迁移的要求，在局部覆盖深度方面还需加强；
三是采用先进移动技术的比例有待进一步提升。现有存量物联网连接中，2G、3G连接仍占较大份额，需要加快形成以4G、5G技术梯次承接各类物联网连接的发展格局。

但总体来说，随着国家对新基建的重视以及三大运营商全面推进5G基站建设，将带动NB-IoT发展，而5G组网快速推进加大拓展了物联网低时延、高可靠、大连接等应用场景。未来NB-IoT发展前景和发展空间均较好。

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