窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)原理與技術(shù)第1章

第1章NB-IoT概述1.1NB-IoT技術(shù)需求背景1.2NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)1.3NB-IoT技術(shù)演進(jìn)及應(yīng)用實(shí)例

1.1NB-IoT技術(shù)需求背景

1.1.1技術(shù)需求背景窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NarrowBandInternetofThings，NB-IoT)是基于全新空口設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織針對(duì)低功耗、廣覆蓋類業(yè)務(wù)而定義的新一代蜂窩物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)。

移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了從模擬信號(hào)調(diào)制到數(shù)字信號(hào)調(diào)制、從電路交換傳輸?shù)椒纸M交換傳輸、從純語(yǔ)音業(yè)務(wù)到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、從低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，不但實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)于移動(dòng)通信的夢(mèng)想，即“任何人，在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)，同任何人通話”，而且還實(shí)現(xiàn)了在高速移動(dòng)過(guò)程中發(fā)起視頻通話、互聯(lián)網(wǎng)沖浪、實(shí)時(shí)上傳下載文件、照片、視頻等功能。

物聯(lián)網(wǎng)需求可根據(jù)速率、時(shí)延及可靠性要求，分為三大類。

(1)業(yè)務(wù)類型一：低時(shí)延、高可靠業(yè)務(wù)。該類業(yè)務(wù)對(duì)吞吐率、時(shí)延或可靠性要求較高，其典型應(yīng)用包含車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

(2)業(yè)務(wù)類型二：對(duì)速率、時(shí)延及可靠性要求低于類型一，部分應(yīng)用有移動(dòng)性及語(yǔ)音要求，典型應(yīng)用包含智能安防、可穿戴設(shè)備等。

(3)業(yè)務(wù)類型三：低功耗廣域覆蓋業(yè)務(wù)。這類業(yè)務(wù)特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、廣覆蓋及大容量，其典型應(yīng)用包含智能抄表、環(huán)境監(jiān)控、物流等。

1.1.2物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，主要是把所有物品通過(guò)信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換，即物物相息，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。

(1)感知層實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的智能感知識(shí)別、信息采集處理和自動(dòng)控制，并通過(guò)通信模塊將物理實(shí)體連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

(2)網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，包括延伸網(wǎng)、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層可依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，也可以依托行業(yè)專用通信資源。

(3)應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計(jì)算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1物聯(lián)網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)圖

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)業(yè)主要包括物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)與應(yīng)用集成服務(wù)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)四大類。

(1)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)業(yè)主要包括云計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)等。

(2)物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)與集成服務(wù)業(yè)又可細(xì)分為基礎(chǔ)軟件服務(wù)、中間件服務(wù)、應(yīng)用軟件服務(wù)、智能信息處理服務(wù)以及系統(tǒng)集成服務(wù)。

(3)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)業(yè)可分成行業(yè)服務(wù)、公共服務(wù)和支撐性服務(wù)。

(4)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)分為M2M信息通信服務(wù)、行業(yè)專網(wǎng)信息通信服務(wù)等。

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)如圖1-2所示。圖1-2物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不是對(duì)已有信息產(chǎn)業(yè)的重新統(tǒng)計(jì)劃分，而是通過(guò)應(yīng)用帶動(dòng)形成新市場(chǎng)、新形態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用可分為以下三種情形。

(1)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)已有產(chǎn)業(yè)的提升，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的升級(jí)換代方面。

(2)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)已有產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)橫向拓展，主要體現(xiàn)在領(lǐng)域延伸和量的擴(kuò)展方面。

(3)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)造和衍生出獨(dú)特的市場(chǎng)和服務(wù)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、M2M通信設(shè)備以及服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)等均是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展后才形成的新型業(yè)態(tài)，為物聯(lián)網(wǎng)所獨(dú)有。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖1-3物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

隨著網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，依靠GPRS模組的智能抄表業(yè)務(wù)應(yīng)運(yùn)而生，比人工抄表技術(shù)先進(jìn)、效率更高、更安全，解決了人工抄表的一系列問(wèn)題，但采用GPRS模組的遠(yuǎn)程抄表也存在如下弊端：

(1)?GSM通信基站容量少；

(2)模塊功耗高，待機(jī)時(shí)間短；

(3)部分場(chǎng)景(如地下室、樓道密集處)的信號(hào)覆蓋差，容易導(dǎo)致儀表“失聯(lián)”。

采用NB-IoT模組的遠(yuǎn)程抄表，在繼承GPRS模組功能的同時(shí)，還具有以下特點(diǎn)：

(1)容量提升，相同基站容納的通信用戶數(shù)量有數(shù)十倍的提升；

(2)模塊功耗低，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)；

(3)信號(hào)覆蓋更好，可覆蓋到室內(nèi)與地下室；

(4)通信模組成本低。

1.1.3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)比

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要由3GPP、IEEE802委員會(huì)、Ingenu、Sigfox、LoRaAlliance等組織進(jìn)行研究和標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)。

(1)?3GPP是歐美中日韓標(biāo)準(zhǔn)化組織合作進(jìn)行的3G標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目，創(chuàng)建于1998年12月，現(xiàn)已延伸到5G。

(2)?IEEE802委員會(huì)成立于1980年2月，它的任務(wù)是制定局域網(wǎng)和城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

其主要研究IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)，這一系列標(biāo)準(zhǔn)中的每一個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)都由委員會(huì)中的一個(gè)專門工作組負(fù)責(zé)，例如：

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化分別由表1-1所示的組織推進(jìn)。

介紹幾個(gè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)名詞。

(1)?WiFi：一種允許電子設(shè)備連接到一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的技術(shù)，通常使用2.4GUHF或5GSHFISM射頻頻段。連接到無(wú)線局域網(wǎng)通常是有密碼保護(hù)的，但也可以是開放的，即允許WLAN范圍內(nèi)的任何設(shè)備連接上。

(2)?ZigBee：又稱紫蜂，來(lái)源于蜜蜂的八字舞信息傳遞，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

(3)?Bluetooth(藍(lán)牙)：一種無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換，使用2.4～2.485?GHzISM波段的UHF無(wú)線電波。藍(lán)牙技術(shù)由愛(ài)立信公司于1994年創(chuàng)制，當(dāng)時(shí)是作為RS232數(shù)據(jù)線的替代方案。

(4)?Sigfox：由一家法國(guó)公司(Sigfox)創(chuàng)制，主要用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)。Sigfox網(wǎng)絡(luò)利用了超窄帶UNBM技術(shù)。超窄帶UNBM采用VMSK(甚小偏移(邊帶)鍵控)或VWDK(甚小波形差鍵控)方式，使頻譜利用效率超越傳統(tǒng)極限，同時(shí)在未編碼狀態(tài)下即可取得較好的功率增益。

(5)?LoRa(LongRange)：由升特公司(Semtech美國(guó))發(fā)布的一種專用調(diào)制解調(diào)的技術(shù)，融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼。法國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商布依格電信(Bouygues)在2017年6月進(jìn)行LoRa物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)商用。

(6)?LTE-M(LTE-Machine-to-Machine)：基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在LTE的協(xié)議規(guī)范R12版本中叫Low-CostMTC，在R13中被稱為L(zhǎng)TEenhancedMTC(eMTC)，旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可按速率、覆蓋距離、頻譜使用的三個(gè)維度進(jìn)行分類。

(1)?按速率來(lái)分，有支持高速速率(1??Mb/s～10??Mb/s)的LTECat.1和Cat.0、WiFi，有支持低速率(低于20??kb/s)的ZigBee、RPMA、LoRa、NB-IoT、UMBM，以及介于高低速率之間的藍(lán)牙Bluetooth、Weightless-P、802.11WiFi、EC-GSM、LTECat.m1等。

(2)按覆蓋距離來(lái)分有短距離(覆蓋距離在100?m以內(nèi))和長(zhǎng)距離(覆蓋距離在100?m以上)。

①短距離覆蓋的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)或無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)技術(shù)，一般覆蓋距離在100?m以內(nèi)，代表技術(shù)有WiFi、ZigBee、Bluetooth等。短距離覆蓋技術(shù)適合非組網(wǎng)情況下的設(shè)備對(duì)設(shè)備通信。

②長(zhǎng)距離覆蓋的無(wú)線廣域網(wǎng)(WWAN)技術(shù)，一般覆蓋距離在幾百米到幾千米，代表技術(shù)有NB-IoT、Sigfox、LoRa、eMTC等。

(3)在電信領(lǐng)域，頻譜是寶貴的資源，為防止不同用戶之間出現(xiàn)干擾，無(wú)線電波的產(chǎn)生和傳輸受法律的嚴(yán)格管制，由國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)協(xié)調(diào)。

除NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之外，其他各類物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都存在如下問(wèn)題或不足：

①終端續(xù)航時(shí)長(zhǎng)無(wú)法滿足要求。

②采用2G/3G/4G技術(shù)無(wú)法滿足海量終端的接入需求。

③典型場(chǎng)景的覆蓋不足。

④干擾控制及安全機(jī)制差。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分類對(duì)比如圖1-4所示。圖1-4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分類對(duì)比

1.2NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)

NB-IoT(NarrowBandInternetofThings)是一種基于蜂窩網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接。與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，NB-IoT具有以下特點(diǎn)：業(yè)務(wù)更聚焦、終端成本低且功耗低、網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、網(wǎng)絡(luò)容量大、部署便捷、運(yùn)營(yíng)模式新等。本節(jié)將從業(yè)務(wù)市場(chǎng)、低成本、低功耗、廣覆蓋、大容量、網(wǎng)絡(luò)部署以及運(yùn)營(yíng)模式幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1.2.1業(yè)務(wù)市場(chǎng)

依據(jù)速率要求，把通信業(yè)務(wù)市場(chǎng)分為高速率業(yè)務(wù)市場(chǎng)和低速率業(yè)務(wù)市場(chǎng)，通信業(yè)務(wù)市場(chǎng)發(fā)展方向如圖1-5所示。

圖1-5通信業(yè)務(wù)市場(chǎng)發(fā)展方向

面對(duì)網(wǎng)絡(luò)提速降價(jià)的趨勢(shì)，傳統(tǒng)流量業(yè)務(wù)增速減緩，運(yùn)營(yíng)商們急需打開新業(yè)務(wù)市場(chǎng)創(chuàng)收，而低速率業(yè)務(wù)市場(chǎng)，是創(chuàng)收的新突破點(diǎn)。NB-IoT以低速率、低業(yè)務(wù)量、低頻次業(yè)務(wù)為主，目前主要應(yīng)用以自動(dòng)上報(bào)和網(wǎng)絡(luò)命令為主，如煙霧告警、智能儀表、電源失效通知、闖入通知等異常狀態(tài)監(jiān)控上報(bào)；智能水氣電表、智能農(nóng)業(yè)、智能環(huán)境等周期狀態(tài)監(jiān)控上報(bào)；門禁開關(guān)、請(qǐng)求讀表讀數(shù)等網(wǎng)絡(luò)命令觸發(fā)的上報(bào)狀態(tài)；軟件補(bǔ)丁遠(yuǎn)程升級(jí)等。NB-IoT技術(shù)應(yīng)用如表1-2所示。

NB-IoT技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)景如表1-3所示。

1.2.2低成本

NB-IoT低成本的目標(biāo)是：

(1)??NB-IoT采用窄帶系統(tǒng)，基帶復(fù)雜度低，不需要復(fù)雜的均衡算法；

(2)使用單天線、半雙工FDD傳輸，射頻模塊成本低；

(3)協(xié)議棧簡(jiǎn)化；

(4)目前單個(gè)模塊做出來(lái)的成本不超過(guò)5美元，目標(biāo)是做到1美元左右。

協(xié)議中NB-IoT模組設(shè)計(jì)方案包括一個(gè)處理器平臺(tái)、無(wú)線電收發(fā)器和電源管理電路的SoC，帶有用于頻率引用的外部組件和一些射頻前端電路，具體有：

(1)微控制器單元(MCUCore)負(fù)責(zé)處理平臺(tái)運(yùn)行協(xié)議棧，DSPCore負(fù)責(zé)DSP軟件的調(diào)制解調(diào)。

(2)嵌入式閃存(EmbeddedFlash)用于軟件更新/重新配置以及臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)傳輸功率放大器(PowerAmplifier，PA)可采用外置方案，也可采用集成功放方案。

(4)帶外濾波器(BasebandFilter)，位于接收路徑(Rx)上，用于濾波，使接收信號(hào)達(dá)到所需的范圍。

(5)射頻模塊采用晶體振蕩器，晶體振蕩器的穩(wěn)定性對(duì)溫度要求較高，為提升覆蓋性能，NB-IoT采取重復(fù)收發(fā)數(shù)據(jù)，這會(huì)延長(zhǎng)收發(fā)時(shí)間，引起晶振發(fā)熱而導(dǎo)致頻偏，所以NB-IoT引入上下行發(fā)射時(shí)間間隔(ULgap和DLgap)，以保持晶振不會(huì)因過(guò)熱而導(dǎo)致性能下降。

(6)電源管理模塊(PowerManagement)，負(fù)責(zé)管理電源DC轉(zhuǎn)換。

協(xié)議芯片模塊設(shè)計(jì)方案如圖1-6所示。

圖1-6協(xié)議中芯片模塊設(shè)計(jì)方案

協(xié)議芯片設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖如圖1-7所示。圖1-7芯片設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)易示意圖

相比R12版本的物聯(lián)網(wǎng)Cat.0終端和R12版本的LTECat.4終端，NB-IoT的芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行了更進(jìn)一步簡(jiǎn)化，為降低成本，NB-IoT采取如下簡(jiǎn)化措施：

(1)協(xié)議棧簡(jiǎn)化，降低基帶復(fù)雜度；

(2)精簡(jiǎn)射頻模塊，采用單天線、半雙工方式；

(3)??NB-IoT上行峰均比低，可采用內(nèi)置PA，降低功耗及成本；

(4)??NB-IoT傳輸數(shù)據(jù)量小，可采用小容量存儲(chǔ)Flash。

NB-IoT芯片模塊與Cat.4及Cat.0對(duì)比如圖1-8所示。

圖1-8NB-IoT芯片模塊與Cat.4及Cat.0對(duì)比

1.2.3低功耗

NB-IoT終端低功耗特性體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：

(1)減少芯片工作電流：NB-IoT芯片復(fù)雜度降低，工作電流小。

(2)優(yōu)化終端監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)的頻率：例如通過(guò)eDRX或PSM減少終端監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)的頻率，減少接收單元不必要的啟動(dòng)。

(3)空口信令簡(jiǎn)化，減小單次數(shù)據(jù)傳輸功耗：由于設(shè)備消耗的能量與數(shù)據(jù)量或速率有關(guān)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的數(shù)據(jù)包大小決定了功耗的大小。

1.2.4廣覆蓋

在通信系統(tǒng)中，一般采用最大耦合損耗(MaximumCouplingLoss，MCL)衡量一個(gè)系統(tǒng)的覆蓋能力，MCL定義為基站和終端之間的最大耦合損耗，數(shù)值越高表示覆蓋能力越好，圖1-9給出四種3GPP代表技術(shù)的MCL對(duì)比情況。圖1-9NB-IoT與eMTC、LTE、GSM的覆蓋性能對(duì)比

NB-IoT提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋的措施主要有三點(diǎn)：一是重復(fù)傳輸，二是功率譜密度增強(qiáng)，三是采用更低階的調(diào)制技術(shù)。

(1)重復(fù)傳輸。重復(fù)傳輸即是將信號(hào)碼元多次傳輸，雖然降低了信息的傳輸速率，但是提升了解調(diào)和譯碼的可靠性，特別是在低信噪比的接收環(huán)境下更加有效。

(2)功率譜密度增強(qiáng)。在上行方向上，NB-IoT支持3.75?kHz、15?kHz兩種子載波間隔，支持Single-Tone和Multi-Tone資源分配。NB-IoT依賴功率譜密度增強(qiáng)(PowerSpectrumDensityBoosting，PSDBoosting)和時(shí)域重復(fù)(TimeDomainRepetition，TDR)來(lái)獲得比GPRS或LTE系統(tǒng)多20dB的覆蓋增強(qiáng)。

(3)低階調(diào)制。鑒于NB-IoT業(yè)務(wù)需求的速率很低，100b/s左右已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大部分業(yè)務(wù)，所以可采用低階的調(diào)制技術(shù)，如BPSK、QPSK、更短長(zhǎng)度的CRC校驗(yàn)碼等。

1.2.5大容量

1.?NB-IoT如何做到單小區(qū)5萬(wàn)用戶的容量

1)話務(wù)模型有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

NB-IoT基站是基于物聯(lián)網(wǎng)的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)的。物聯(lián)網(wǎng)的話務(wù)模型與手機(jī)用戶的話務(wù)模型不同，物聯(lián)網(wǎng)話務(wù)模型是用戶數(shù)量很多，但單個(gè)用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)包較小，且發(fā)送包對(duì)時(shí)延要求不敏感；而2G/3G/4G的話務(wù)模型是保障用戶在做業(yè)務(wù)的同時(shí)可以保障時(shí)延，所以用戶的連接數(shù)控制在每小區(qū)1000個(gè)。

對(duì)于NB-IoT來(lái)說(shuō)，基于對(duì)業(yè)務(wù)時(shí)延不敏感，可以接納更多的用戶，保存更多的用戶上下文，這樣可以讓5萬(wàn)個(gè)用戶同時(shí)接納在一個(gè)小區(qū)。由于大量用戶處于休眠態(tài)，且上下文信息由基站和核心網(wǎng)維持，一旦有數(shù)據(jù)發(fā)送，可以迅速進(jìn)入激活態(tài)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，NB-IoT終端大部分都在睡覺(jué)，可以不做業(yè)務(wù)，所以基站可以接納更多的用戶。物聯(lián)網(wǎng)的話務(wù)模型與手機(jī)用戶話務(wù)模型區(qū)別如表1-4所示。

2)上行調(diào)度顆粒小，效率高

相比于2G/3G/4G的大顆粒資源調(diào)度，NB-IoT因基于窄帶，上行傳輸有兩種信道帶寬選擇(3.75kHz和15kHz)，子載波帶寬越小，上行調(diào)度顆粒越小，越靈活；在同樣的資源情況下，資源的利用率越高。

3)信令開銷減少

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)多是小包，用2G/3G/4G會(huì)出現(xiàn)信令占比大而數(shù)據(jù)占比小的問(wèn)題，NB-IoT針對(duì)小包的場(chǎng)景，傳輸同樣的數(shù)據(jù)量，信令承載相對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)要少，如圖1-10所示。圖1-10信令開銷示意圖

2.如何估計(jì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)容量

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)容量計(jì)算思路如下：

(1)從業(yè)務(wù)模型出發(fā)計(jì)算每天用戶發(fā)起業(yè)務(wù)的次數(shù)；

(2)從用戶分布模型計(jì)算不同MCL覆蓋等級(jí)的用戶比例，因不同覆蓋等級(jí)會(huì)配置不同的重傳次數(shù)，直接影響著小區(qū)容量；

(3)根據(jù)不同覆蓋等級(jí)的重發(fā)次數(shù)，分析上下行開銷；

(4)分別計(jì)算業(yè)務(wù)信道容量、控制信道容量、尋呼容量、隨機(jī)接入容量；

(5)取四種容量結(jié)果的最小值，即為NB-IoT的小區(qū)容量。

1.2.6網(wǎng)絡(luò)部署快捷

NB-IoT可采用帶內(nèi)部署、保護(hù)帶部署或獨(dú)立部署三種部署方案。NB-IoT既可以使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基站通過(guò)軟件升級(jí)部署，以降低成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)，也可使用單獨(dú)的授權(quán)頻段，不占用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)帶寬，保證傳統(tǒng)業(yè)務(wù)和NB-IoT業(yè)務(wù)同時(shí)穩(wěn)定可靠地運(yùn)營(yíng)。

(1)帶內(nèi)(In-band)部署：由于NB-IoT的工作帶寬是180?kHz，等同與LTE中的一個(gè)PRB的帶寬，所以NB-IoT可部署在LTE的工作帶寬內(nèi)。

(2)保護(hù)帶(Guard-Band)部署：由于現(xiàn)網(wǎng)LTE中有保護(hù)帶，例如20M的LTE帶寬，在頻率的左右兩端各預(yù)留出1M的帶寬做保護(hù)，所以NB-IoT可部署在LTE的保護(hù)帶內(nèi)。

(3)獨(dú)立(Stand-alone)部署：NB-IoT采用獨(dú)立部署模式時(shí)NB-IoT獨(dú)占頻譜，不存在與LTE共用頻率的問(wèn)題。例如中國(guó)LTE頻譜基本集中在1.8?GHz、2.1?GHz、2.3?GHz、2.6?GHz等頻段，而GSM頻段集中在900?MHz和1800?MHz，對(duì)于無(wú)線電波傳播來(lái)說(shuō)，頻率越低，傳播損耗越低，所以NB-IoT采用獨(dú)立部署時(shí)，多采用重耕GSM的頻段進(jìn)行部署。

NB-IoT的三種頻率部署模式如圖1-11所示。圖1-11NB-IoT部署模式

在主設(shè)備硬件部署中，有兩種方案。

(1)單獨(dú)部署場(chǎng)景：在BBU中采用單獨(dú)的NB-IoT主控板，使用NB-IoT單模RRU，如圖1-12(a)中新建NB-IoT單模基站。

(2)混合部署場(chǎng)景：與其他系統(tǒng)(如GSM或LTE)一起共用BBU、RRU進(jìn)行軟件升級(jí)，支持雙?；蚨嗄RU，如圖1-12(b)中的NB-IoT與FDDLTE共站和圖1-12(c)中NB-IoT/FDDLTE/GSM共站。(a)新建NB-IoT單模基站(b)?NB-IoT與FDDLTE共站圖1-12NB-IoT無(wú)線主設(shè)備方案(c)?NB-IoT/FDDLTE/GSM共站圖1-12NB-IoT無(wú)線主設(shè)備方案

在基站天線的部署方案中，可采用獨(dú)立天線部署或多模共天饋部署方式，如圖1-13所示，圖(a)中NB-IoT采用獨(dú)立天線，圖(b)NB-IoT采用與GSM/FDDLTE共天饋方式。(a)?NB-IoT獨(dú)立新建天饋圖1-13NB-IoT基站天線部署方案(b)?NB-IoT與FDDLTE/GSM共天饋圖1-13NB-IoT基站天線部署方案

1.2.7運(yùn)營(yíng)模式新

1.?NB-IoT通信管道模式

通信管道模式中電信運(yùn)營(yíng)商占據(jù)主導(dǎo)地位，無(wú)論是業(yè)務(wù)的開發(fā)與推廣，還是平臺(tái)的建設(shè)與維護(hù)，都是以電信運(yùn)營(yíng)商為主力。例如，遠(yuǎn)程抄表、資產(chǎn)跟蹤等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用只有在需要讀數(shù)或跟蹤上報(bào)的時(shí)候才產(chǎn)生流量。

2.?NB-IoT用戶主導(dǎo)模式

用戶主導(dǎo)模式由用戶承擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的全部費(fèi)用和整個(gè)服務(wù)體系的搭建。此類商業(yè)模式中，用戶是核心，但需要設(shè)備提供商、電信運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)集成商、軟件開發(fā)商等通力合作，形成一套完整可運(yùn)營(yíng)的方案交付給用戶使用。

3.?NB-IoT云平臺(tái)模式

云平臺(tái)模式建立在云計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)之上，以用戶服務(wù)為中心，根據(jù)已有的運(yùn)營(yíng)平臺(tái)和業(yè)務(wù)能力，針對(duì)目標(biāo)市場(chǎng)整合內(nèi)外部資源，形成用戶、廠家、其他市場(chǎng)參與者共同創(chuàng)造價(jià)值的網(wǎng)絡(luò)商業(yè)模式。此商業(yè)模式可以基于分段的收費(fèi)方式，即設(shè)備與云平臺(tái)、云平臺(tái)與垂直應(yīng)用分別收費(fèi)。

4.?NB-IoT應(yīng)用市場(chǎng)模式

應(yīng)用市場(chǎng)商業(yè)模式類似蘋果應(yīng)用市場(chǎng)和安卓應(yīng)用市場(chǎng)，電信運(yùn)營(yíng)商建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場(chǎng)，向用戶收費(fèi)，與應(yīng)用開發(fā)者分成，實(shí)現(xiàn)利益共享。電信運(yùn)營(yíng)商將自身硬件制造和軟件開發(fā)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)相整合，如創(chuàng)造應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)、與運(yùn)營(yíng)商和軟件開發(fā)商合作，形成一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng)。

1.3NB-IoT技術(shù)演進(jìn)及應(yīng)用實(shí)例

1.3.1NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)歷史NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)比較短，演進(jìn)歷史如圖1-14所示。圖1-14NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)歷史

1.3.2NB-IoT技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

1.?NB-IoT技術(shù)應(yīng)用實(shí)例1：“小牧童”奶牛發(fā)情監(jiān)測(cè)云系統(tǒng)

目前，在我國(guó)大部分中小型奶牛場(chǎng)，奶牛養(yǎng)殖完全靠飼養(yǎng)管理員通過(guò)人工觀察來(lái)獲得奶牛飼養(yǎng)管理信息，采用人工觀察方式很難做到對(duì)大規(guī)模奶牛個(gè)體活動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因而時(shí)常錯(cuò)過(guò)奶牛發(fā)情受孕最佳時(shí)機(jī)，極大地降低了奶牛的產(chǎn)奶量，影響其經(jīng)濟(jì)效益。

“小牧童”奶牛發(fā)