物联网技术之一NB-IoT

一、NB-IoT定义

NB-IoT指窄带物联网(Narrow Band-Internet of Things)技术是一种 3GPP 标准定义的 LPWA(低功耗广域网)解决方案。NB-IoT协议栈基于LTE设计,但是根据物联网的需求,去掉了一些不必要的功能,减少了协议栈处理流程的开销。因此,从协议栈的角度看,NB-IoT是新的空口协议

二、NB-IoT 技术优势

NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的频段,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级,具有以下优势:

  1、海量连接:每小区可达10万连接;NB- IoT比2G/3G/4G有50-100倍的上行容量提升,这也就意味着,在同一基站的情况下,NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。

  2、超低功耗:电池寿命长达十年;

  低功耗特性是物联网应用一项重要指标,特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合,如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备,它们不可能像智能手机一天一充电,长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。在电池技术无法取得突破的前提下,只能通过降低设备功耗以延长电池供电时间。通信设备消耗的能量往往与数据量或速率相关,即单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。数据量小,设备的调制解调器和功放就可以调到非常小的水平。NB-IoT聚焦小数据量、 小速率应用,因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小,可以保障电池5年以上的使用寿命。

  3、深度覆盖:能实现比 GSM 高20db的覆盖增益;

  NB-IoT比LTE提升20dB增益,相当于发射功率提升了 100倍,即覆盖能力提升了100倍,就算在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也能覆盖到。

  4、安全性:继承4G网络安全能力,支持双向鉴权以及空口严格加密,确保用户数据的安全性;

  5、稳定可靠:能提供电信级的可靠 性接入,有效支撑 IoT 应用和智慧城市解决方案。

  NB- IoT直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,即可与现有网络基站复用以降低部署成本、实现平滑升级,但是使用单独的180KHz频段,不占用现有网络的语音和数据带宽,保证传统业务和未来物联网业务可同时稳定、可靠的进行。以智能抄表应用为例,与采用有线PLC抄表数据回收成功率在60%左右相比,NB-IoT可以保证数据成功回收率达99%,可靠性大大提高。

  6.、低成本低速率低功耗低带宽带来的是低成本优势。速率低就不需要大缓存,所以可以缓存小、DSP配置低;低功耗,意味着RF设计要求低,小PA就能实现;因为低带宽,就不要复杂的均衡算法。这些因素使得NB-IoT芯片可以做得很小。芯片成本往往和芯片尺寸相关,尺寸越小,成本越低,模块的成本也随之变低。

 图:各类无线模块成本对比

  长距离通信技术NB-IoT是一种革新性的技术,是由华为主导,由3GPP定义的基于蜂窝网络的窄带物联网技术。它支持海量连接、有深度覆盖能力、功耗低,这些与生俱来的优势让它非常适合于传感、计量、监控等物联网应用,适用于智能抄表、智能停车、车辆跟踪、物流监控、智慧农林牧渔业以及智能穿戴、智慧家庭、智慧社区等等领域。这些领域对广覆盖、低功耗、低成本的需求非常明确,目前广泛商用的2G/3G/4G及其他无线技术都无法满足这些挑战。

三、物联网设备分类

通常物联网设备分为三类:

  ①无需移动性,大数据量(上行),需较宽频段,比如城市监控摄像头。

  ②移动性强,需执行频繁切换,小数据量,比如车队追踪管理。

  ③无需移动性,小数据量,对时延不敏感,比如智能抄表。

NB-IoT正是为了应对第③种物联网设备而生。

三类设备对应三种业务需求:

高速率业务:主要使用3G、4G技术,例如车载物联网设备和监控摄像头, 对应的业务特点要求实时的数据传输;

中等速率业务:主要使用GPRS技术,例如居民小区或超市的储物柜,使用频率高但并非实时使用,对网络传输速度的要求远不及高速率业务;

低速率业务:业界将低速率业务市场归纳为LPWAN(Low Power Wide Area Network)市场,即低功耗广域网到目前还没有对应的蜂窝技术,多数情况下通过GPRS技术勉力支撑,从而带来了成本高、影响低速率业务普及度低的问题。

也就是说目前低速率业务市场急需开拓,而低速率业务市场其实是最大的市场,如建筑中的灭火器、科学研究中使用的各种监测器,此类设备在生活中出现的频次很低,但汇集起来总数却很可观,这些数据的收集用于各类用途,比如改善城市设备的配置等等。

四、NB-IoT与LoRa、SigFox的特性对比:

Following are the features of NB-IoT technology:

• Coverage: +20dB than LTE, covers distance ofless than 22 Km

• Frequency spectrum: LTE In-band, Guard Band,Standalone

• Signal Bandwidth: 180 KHz

• Data Rate: 200 Kbps

• Battery life of NB-IoT device: 10 years

 

Following are the features of LoRa technology:

• Coverage: less than 14 Km

• Frequency spectrum: Unlicensed Band

• Signal Bandwidth: 125 KHz

• Data Rate:10 Kbps

• Battery life of NB-IoT device: 10 years

 

Following are the features of SigFox technology:

• Coverage: less than 17 Km

• Frequency spectrum: Unlicensed Band

• Signal Bandwidth: 0.1 KHz

• Data Rate:100 bps

• Battery life of NB-IoT device: 10 years

 NB-IoT主要依赖于运营商的基础设施,进行协议对接,LoRa是一个更灵活的自主网络,在任何需要的地方,都可以进行部署。SigFox与LoRa之间最大的区别是LoRa可以部署属于自己的私有网络,而Sigfox需要支付一定运营商服务费。因此,在一些特殊行业、如石油、运输等,客户未必会愿意为此买单。






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