基于蜂窝网络的广域无线通信技术

　　世界有多大，物联网就有多广!NB-IoT作为开启物联网时代的金钥匙，近一两年来，不论是从政府专门出台支持政策的红头文件，还是运营商巨资组建的大规模网络、大手笔补贴等，都在不断打破NB-IoT的落地壁垒，为规模化商用铺平道路。

　　上周，亚洲电子行业顶级盛会“慕尼黑上海电子展”正式落下了帷幕，在15日的国际嵌入式系统创新论坛上，来自郑州大学的国家无线传感器网络标准工作组专家——侯维岩教授以“智能制造与窄带无线通信新技术NB-IoT”为主题作了精彩的分享。从工业4.0到中国制造2025，再到无线通信，侯维岩教授从技术背景、发展历程、应用实践、行业现状与市场等多个维度对NB-IoT作了详细梳理。

　　在4G时代，除了传统的LTE通信方案之外，华为研发了面向行业M2M应用的eLTE技术，即将LTE技术移到2.4G/5G免授权频谱上，形成了eLTE-U宽带物联和eLTE-IoT窄带物联两种技术。eLTE-U技术是一种半径5，6 公里的广域覆盖连接的专网技术，面向智慧园区、安监环保、智慧交通等多个需要大带宽、高移动、低时延、高频度数据大的行业应用。eLTE-IoT窄带是一种高可靠、多连接、小数据、低频度的无线技术，特别适应于低功耗中长距物联网需求的场合。在过去的几年中已经获得了一定的发展。但限于自己的“专网”技术限制，很难获得业界广泛的支持，只能应用于一些高端的工业无线通信网络场合。

　　随着4G LTE系统在全球的大规模商用，5G网络技术已经提上了快速研发的日程。5G网络能够提供更高的峰值传输速度以及更大的系统容量、更低的传输延迟以支持全新的应用场景、更高的频谱以及能量利用效率、支持海量的M2M设备以及更高的设备密度。与现有的LTE网络相比， 5G能够为大量的不同类别的M2M应用提供不同QoS等级的服务。5G的一个目标是能够针对物联网服务以及应用需求，在工业现场层网络提供机器之间M2M超可靠通信服务。

　　5G时代的蜂窝无线网络制定了3个应用场景或分目标：eMBB、mMTC和URLLC。其中的mMTC是针对大规模物联网业务的应用。NB-IoT(窄带物联网通信技术)就是面向mMTC的一个海量强连接、深度覆盖、稳定可靠且低功耗的优异技术。其构建于蜂窝网络，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，可以实现5G的平滑升级，是5G时代的一个强有力的蜂窝物联网基础网络，自2016年6月成为国际标准后，有望成为工业物联网应用的一个支撑热门技术。

　　NB-IoT 技术是一种 LPWA(低功耗广域网)解决方案，具有以下优势：

　　海量连接：在同一小区中，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数，达10万连接。

　　超低功耗：NB-IoT设备功耗小，可以保障电池5年以上的使用寿命。

　　深度覆盖：NB-IoT比LTE提升20dB增益，覆盖能力提升100倍，能对传统无线信号难以到达的环境深度覆盖。

　　安全可靠：支持双向鉴权以及空口严格加密，实现电信级的可靠性接入。

　　国际标准化机构3GPP提出的NB-IoT(窄带物联网)标准已经于2016年六月制订完成，正式发布。NB-IoT主要是针对低速率，低功耗，大覆盖范围，拥有大量设备节点的M2M应用。典型的应用场景包括：智能泊车，智能水表，智能交通灯，智能物流，智能农业，以及智能工厂等。NB-IoT网络由电信运营商布置运营，可以在广域范围内支持大量的设备，同时对设备的复杂度要求也比较低。这可以极大降低硬件以及使用成本，能够为工业物联网提供很好的广域覆盖能力，有利于快速地大规模推广物联网应用。

　　目前以NB-IoT为代表的广域低功耗网络技术LPWA获得了长足的发展。国内的相关电信运营商以及设备公司都在加快推进NB-IoT标准的商用并且挖掘新的应用场景。华为与国外知名电信运营商沃达丰(Vodafone)在2016年2月成立了全球首个NB-IoT开放实验室对NB-IoT的需求，可能的应用场景以及服务进行研究。同年九月在西班牙首都马德里，华为与沃达丰完成全球首个基于3GPP NB-IoT标准的测试。十月份在马德里成功演示基于NB-IoT的智能停车应用。2017年1月沃达丰在西班牙马德里运营首个商用NB-IoT网络，已经在西班牙其他几个城市提供NB-IoT服务。沃达丰预计将会在西班牙提供支持总共超过一亿个连接的能力。国外知名箱包品牌Samsonite与沃达丰合作利用NB-IoT提供箱包追踪服务。用户可以通过手机APP实时追踪支持NB-IoT的Samsonite箱包。思科的物联网平台Jasper Wireless也宣布支援NB-IoT服务。新加坡电信运营商与爱立信合作推出了支援NB-IoT的开放平台Assured+给物联网应用开发者以及客户。

　　国内主要通信运营商也都在为NB-IoT大规模商用做前期准备以及小范围测试。中国移动正在国内四个城市基于其OneNet平台对NB-IoT进行外场测试。共享单车OFO与中国电信，华为合作提供基于NB-IoT的共享单车服务，以方便单车计费，实时追踪以及维护管理。爱立信携手中国移动以及英特尔展示了全球首个基于NB-IoT的智能工厂应用。在他们的应用中，智能工厂中的多个实验应用包括：生产监控，仓库监控，包装以及材料追踪等。

　　中国电信在2017年5月了完成全国NB-IoT布网设备的升级。在2017年6月推出第一个NB-IoT应用计费套餐，设置了NB-IoT模块专项补贴。2017年7月完成了全国31省市的NB-IoT实际测，并对第三方用户开放NB-IoT入库测试。2018年2月，中兴物联NB-IoT模块顺利通过测试，拿到全球首张NB-IoT模块进网许可证。据最新报道，2018年2月27日，ofo携手华为、沃达丰在西班牙马德里运行搭载NB-IoT物联网智能锁的小黄车，这是共享单车企业首次正式在海外落地NB-IoT技术。

　　NB-IoT预计将于2018年中进入商业化成熟期，然而现有的NB-IoT应用主要集中在社会生活公共服务领域，还很少涉及工业控制领域。智能工厂要求工业物联网还需要对于大量的低速设备提供数据通信的连接支持、信息分类传输等，并且能够与其他网络技术协议集成。现在的NB-IoT还只能提供低速的数据通信服务，不能直接用于自动化控制的数据传输，取代现有的工业现场中的DCS，FCS等有线或无线网络技术。

　　NB-IoT可以在广域范围覆盖工厂中更多的传感器和执行器，实现对现场层的多个自动化控制的子系统的连接，提供控制参数的设定，也可以进行全域的更广阔范围内的人员考核、物流跟踪和定位、智能制造所需的ERP和MES数据的小数据量的及时交换等。NB-IoT提供广域覆盖的、复杂恶劣环境等信号差的场景中正常通信的能力。即在NB-IoT覆盖范围内，各种新型的传感器，各种小型网络包括FCS系统、WiFi, ZigBee等可以通过运营商的网络直接连接到远程的智能工厂管理平台，实现工厂不同的功能区域的有线/无线LAN子网络、设备的等与远程的管理平台的连接。这种广域、强覆盖连接、小数据量传输的特性恰好弥补了前述各种工厂有线/无线子网络的不足。