王少锋

（河南省电信公司，郑州 452000）

1 物联网技术概述

物联网（Internet of Things）概念最早于1999年由美国麻省理工学院（MIT）提出，早期的物联网是指依托RFID（Radio Frequency Identi fi cation）技术和设备，按约定的通信协议与互联网结合，使物品信息实现智能化识别和管理，实现物品信息互联、可交换和共享而形成的网络。其中网络层根据采用不同的技术接入方案，可以分为NB-IoT、Lora、Zigbee、Wi-Fi、蓝牙等几种制式，如表1所示。

表1 不同物联网网络技术对比

2 NB-IoT优势及技术特点

NB-IoT是第三代合作伙伴计划3GPP（3rd Generation Partnership Project）组织提出的一种面向低频、小包、时延类不敏感窄带物联网技术。3GPP规定了物联网网络技术解决方案的5个标准包括，Cat.4（R8）；Cat.1（R8）；Cat.0（R12）；Cat.M1（R13）；Cat.NB-1（R13）；分别在LTE（Long Term Evolution）规范的不同版本中提出，如表2所示：

表2 五种技术标准的特点区别

由NB-IoT技术的参数特点可以看出，它的最大上下行峰值速率，在采用Multitone格式时，最大仅能达到250Kbps，是一种典型的窄带物联网技术，它支持大量低功耗设备通过蜂窝数据建立广域连接，更加适合智能家居、共享单车、物流追踪、智能抄表等方面场景。NB-IoT所占用的频段为license频段，对网络无线频谱资源消耗极少仅200K，核心网部分还可共用运营商现有的4G网络核心网，同时NB-IoT具备覆盖广、功耗低、海量连接、成本低等四方面的突出优势，因此成为国内几家运营商优先采用的窄带物联网技术标准之一。NBIoT技术具备如此多的优点，主要依靠多种技术的组合来实现。

2.1 覆盖广

2.1.1 技术特点一：功率谱密度增强+11dB

与传统的2G/3G/4G终端比较，NBIoT终端载频带宽由180kHz降低为15kHz，终端同样发射功率的情况下，功率谱密度提升约11dB。如图1所示。

图1 功率谱密度提升

2.1.2 技术特点二：重复+3～12dB

NB-IoT采取数据重复上传的技术，测算对信号覆盖增益约3～12dB，如图2所示。

2.1.3 技术特点三：上行接收分集+3dB，如图3所示

图2 重传机制

图3 接收分集

基于以上三个特点，NB-IoT技术比GPRS/LTE技术覆盖增强约20dB左右。形象的来说就是增加3倍覆盖距离，信号多穿透一堵墙。

2.2 功耗低

NB-IoT技术的为尽可能降低终端侧的功耗，增加终端自带电池的工作寿命，采用了多种技术手段，使得终端在部分工作场景（智能抄表）下，电池寿命可达10年。

NB-IoT定义了终端的三种工作状态，激活态、空闲态、节能模式，以及在空闲态下的eDRX模式的工作机制，具体情况如图5所示。

（1）Connected（激活态）：模块上电注册入网后处于该状态，此时终端可以正常发送和接收数据，当数据交互完成后，后会进入Idle模式，激活态持续时长可通过终端参数配置控制。

图4 2G/3G/4G与NB-IoT覆盖效果比较

图5 NB-IoT终端三种工作状态

（2）Idle（空闲态）：处于此状态的终端，也可收发数据，且接收下行数据会再次进入Connected状态，无数据交互超过一段时会进入PSM模式，Idle状态时间周期（Active Timer，T3324）可配置。此状态下NB-IoT又引入了DRX/eDRX（extended Discontinuous Reception）机制，进一步降低了终端功耗，并大幅度提升了终端的下行可达性。

（3）PSM（Power Save Mode节能模式）：终端进入此模式下后，会关闭收发信号机，不监听无线侧的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。现网中，通过终端与网络侧的参数配合，如设置终端发送数据时间间隔小于网络TAU（Tracking Area Update，T3412）的周期，从而可更进一步降低终端的功率消耗。

2.3 海量连接

NB-IoT技术通过功率谱密度的提升；优化空口信令的开销；以及开启基站和核心网各种流控机制；基站侧保留终端上下文信息存储；核心网保留终端上下文以及下行数据缓存机制等措施，NB网络的单扇区容量可达50k+用户容量*/200kHz。按照3GPP定义的用户话务模型及覆盖情况测算（图6），理论上单扇区可接入20万以上的终端。

图6 理论模型下NB-IoT网络可接入终端数

2.4 成本低

考虑NBIoT模组支持压缩通信协议栈的Non-IP数据传输技术，可使终端芯片存储空间节省60%，同时终端不采用天线分集接收的情况下，NBIoT模组芯片可成本可以低至5$以下，甚至更低1$。如图7所示。

3 NB-IoT技术在电动车自行车联网管理方面的应用

电动车节能环保，应用广泛，社会需求量很大，截止2017年底，国内电动自行车保有量突破3亿辆，电动三轮车保有量超过5000万辆；且每年30%左右的速度增长。由于规模的迅速扩张，随之而来的安全、监管问题成为各级政府需要考虑的问题。

图7 NB-IoT降低成本措施

2014年8月，国家发改委、工信部等8部门发布智慧城市健康发展的指导意见，提出到2020年建成一批特色鲜明的智慧城市，中部某城市于2017年上半年根据2016年国家质检总局、国家标准委批准发布的《新型智慧城市评价指标》提出了建设城市电动自行车联网管理系统的项目，基于几家运营商的网络能力，以及NB-IoT技术所具备的多方面的优势，三家运营商不约而同的选择了基于NB-IoT技术的物联网解决方案，来满足用户的需求。系统的总体架构如图8所示。

图8 电动自行车联网管理系统架构图

通过强制电动自行车上牌的政策，为全市300余万辆电动自行车安装车牌和NB-IoT模块。系统的终端层设备主要外接追踪和纠章终端，集成北斗/GPS模块，从电动车电池取电，终端可上报电动车位置（包括高度）、时间等信息。网络层采用几家运营商的NB-IoT网络，终端全程处于DRX模式，保障终端的及时可达性。IoT网关层利用集团统一建设的NB-IoT网关南向通过安装插件的方式对上报数据进行解析，并上报给上层应用；北向通过HTTPS接口与公安局的系统完成对接，应用层主要收集电动车上报的轨迹和时间信息，可进行电动车运行大数据展现。同时针对盗窃场景，可对相应终端下发追踪命令，并显示终端位置；同时可结合交通信号灯数据和电动车位置数据，进行闯红灯等违章行为判定。

2018年7月至8月底，由中国电信承接的部分电动自行车管理系统，经过不断的系统、网络建设，终端侧各类测试项目验证，完全满足了用户业务需求。截至2018年8月底，已陆续为6万余辆加装了NB-IoT终端的电动自行车安装了牌照。NB-IoT技术不仅可以满足固定位置，低频小流量的业务场景，而且在满足低速移动性业务场景方面，也能完全满足需求。随着物联网的发展，NB-IoT技术，一定会在更多的方面为万物互联、智慧地球起到越来越重要的作用。