淺談NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

冷汶鍇 何 立 劉 剛

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淺談NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

冷汶鍇 何 立 劉 剛

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，NB-IoT作為現(xiàn)階段我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系中的重要分支，憑借自身在蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)以及運(yùn)行成本等方面的優(yōu)勢(shì)與商業(yè)價(jià)值，逐漸成為物流網(wǎng)發(fā)展的主流。因此，主要介紹了NB-IoT技術(shù)的相關(guān)特性和應(yīng)用發(fā)展情況。

NB-IoT；物聯(lián)網(wǎng)；應(yīng)用；挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)可分為近距離無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)和蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)兩類(lèi)。這兩類(lèi)技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)與不足。因此，為滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)眾多遠(yuǎn)距離設(shè)備的連接需求，又產(chǎn)生了LPWA（Low Power Wide Area，低功耗廣域覆蓋）技術(shù)。LPWA具有覆蓋廣、海量連接、低功耗和低成本的特點(diǎn)，非常適合需要遠(yuǎn)距離傳輸、通信數(shù)據(jù)量較少、電池供電運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[1]。NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)根據(jù)其相關(guān)特性，成為技術(shù)LPWA中一門(mén)主流物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)。通過(guò)介紹NB-IoT技術(shù)的相關(guān)特性，詳細(xì)了解了NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用和面臨的挑戰(zhàn)。

1 NB-IoT技術(shù)的相關(guān)特性

1.1 NB-IoT技術(shù)的基本特性

NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由NB-CIoT與NB-LTE兩項(xiàng)技術(shù)融合而來(lái)。通常認(rèn)為，NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有4大優(yōu)勢(shì)：一是低功耗，終端模塊的單電池工作時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年；二是低成本，單片芯片成本目標(biāo)為1美元，而模塊預(yù)期價(jià)格不超過(guò)5美元；三是覆蓋廣、穿透能力強(qiáng)，相當(dāng)于多穿透一堵墻體，適用于覆蓋地下車(chē)庫(kù)、地下管井等密閉空間；四是大連接，NB-IoT具備支撐海量連接的能力，一個(gè)扇區(qū)最大可支持10萬(wàn)個(gè)連接，是傳統(tǒng)的移動(dòng)通信容量的50～100倍[2]。

1.2 NB-IoT技術(shù)的物理層特性

1.2.1 部署方式

NB-IoT基于現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180?kHz的帶寬，就可以直接部署在已有的GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)中，并在現(xiàn)有移動(dòng)通信設(shè)施上實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)，部署成本低[3]。NB-IoT具有以下3種部署模式：

（1）獨(dú)立部署，即Stand-alone模式，獨(dú)立的頻帶部署，利用目前GSM/EDGE無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（GERAN）系統(tǒng)占用的頻譜，替代已有的一個(gè)或多個(gè)GSM載波，與LTE中的頻帶不重疊；（2）保護(hù)帶部署，即Guard-band模式，利用LTE頻帶中邊緣頻帶；（3）帶內(nèi)部署，即In-band模式，利用LTE頻帶進(jìn)行部署。

1.2.2 NB-IoT上行鏈路支持2種技術(shù)

（1）兩種帶寬：3.75?kHz，功率譜更大、覆蓋更好；15?kHz，速率高、時(shí)延小。（2）兩種模式：Single Tone，1個(gè)用戶(hù)使用1個(gè)載波，低速應(yīng)用；Multi—Tone，1個(gè)用戶(hù)使用多個(gè)載波，高速應(yīng)用，只支持15?kHz。

1.2.3 NB-IoT下行鏈路采用OFDMA 15?kHz

占用200?kHz帶寬（兩邊各留10?kHz保護(hù)帶，實(shí)際占用180?kHz）。子載波帶寬：15?kHz；子載波數(shù)量：12。

NB-IoT的物理信道通過(guò)降低目標(biāo)速率、多次傳輸、采用低階調(diào)制方式等措施，達(dá)到增加覆蓋、降低成本、降低功耗的目的。

1.3 NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)特性

NB-IoT系統(tǒng)采用了基于4G LTE演進(jìn)的分組核心網(wǎng)（EPC）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并結(jié)合NB-IoT系統(tǒng)的大連接、小數(shù)據(jù)、低功耗、低成本、深度覆蓋等特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和處理流程進(jìn)行了優(yōu)化[4]。

2 NB-IoT的應(yīng)用情況

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景可以分為低速、中速、高速三類(lèi)，這里的速率有兩個(gè)層次的含義：一是它本身的通信帶寬的速率要求多高；二是終端的移動(dòng)性本身也存在速度較低的問(wèn)題[5]。

NB-IoT在低速移動(dòng)場(chǎng)景中具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，功耗低、覆蓋廣，而且還可以和現(xiàn)有的基站共用。電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋到哪，NB芯片的終端就能連接到哪。低速移動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景有典型的幾個(gè)方面：

（1）交通行業(yè)，涉及車(chē)載信息服務(wù)、車(chē)載定位監(jiān)控、車(chē)載Wi-Fi、車(chē)載視屏監(jiān)控、車(chē)輛防盜等。用戶(hù)只要安裝App即可通過(guò)收據(jù)查找附件停車(chē)位，并支持導(dǎo)航等功能。與傳統(tǒng)的停車(chē)方案相比，這一基于NB-IOT的試點(diǎn)，改變了通過(guò)中繼網(wǎng)關(guān)收集信息再反饋給基站中存在的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)部署、多網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、高成本等問(wèn)題。

（2）衛(wèi)生醫(yī)療，涉及無(wú)線(xiàn)血壓計(jì)、兒童定位手表、老人智能手表等。

（3）公共設(shè)施，涉及城市燈光管控、城市氣象監(jiān)測(cè)、城市設(shè)施監(jiān)控等方面。

（4）物流業(yè)，涉及物流車(chē)輛調(diào)度、物流追蹤管理等。

（5）抄表，涉及用戶(hù)水表、家庭燃?xì)獗?、用?hù)電表等。

（6）工業(yè)制造，涉及智能產(chǎn)品售后服務(wù)、智能工廠(chǎng)等。

（7）企業(yè)能耗管理，涉及園區(qū)、大廈、企業(yè)等能源監(jiān)管。

（8）智能家居，涉及家居智能監(jiān)控、家居安全防護(hù)等。

（9）智能農(nóng)業(yè)，涉及農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等實(shí)時(shí)情況搜集和監(jiān)控。

（10）商品零售行業(yè)，涉及移動(dòng)貨架、自動(dòng)售貨機(jī)、金屬POS機(jī)等。

3 NB-IoT技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 NB-IoT技術(shù)的安全問(wèn)題

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)安全一直是個(gè)大問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分為3個(gè)層次：第1層是感知層，作用為獲取信息；第2層是網(wǎng)絡(luò)層，作用為傳輸數(shù)據(jù)；第3層是應(yīng)用層，作用為最終達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的目的。類(lèi)似于一般的物聯(lián)網(wǎng)感知層，NB-IoT的感知層容易遭受被動(dòng)攻擊和主動(dòng)攻擊這兩種性質(zhì)的攻擊[6]。被動(dòng)攻擊者可以通過(guò)竊取鏈路數(shù)據(jù)、分析流量特征等各種手法獲取NB-IoT終端的信息和用戶(hù)的隱私信息；主動(dòng)攻擊者會(huì)破壞信息的完整性，因此對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被動(dòng)攻擊。兩種類(lèi)型的攻擊方式可以通過(guò)數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證、完整性校驗(yàn)等密碼算法加以防范[7]。

3.2 NB-IoT技術(shù)干擾問(wèn)題

由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，大量短距離、微功率無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的應(yīng)用，將使RFID與傳感器遭受外部無(wú)線(xiàn)電攻擊的機(jī)會(huì)大增，從而產(chǎn)生新的干擾，并導(dǎo)致空中電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，而且NB-IoT無(wú)線(xiàn)電環(huán)境中的自擾與互擾的現(xiàn)象也十分嚴(yán)重。另外，由于物聯(lián)網(wǎng)廠(chǎng)家太多，NB-IoT設(shè)備的互操作和一致性也是個(gè)問(wèn)題，還有部署和長(zhǎng)期應(yīng)用問(wèn)題，與其他LPWAN技術(shù)（LoRa等）的競(jìng)爭(zhēng)以及對(duì)移動(dòng)性支持欠缺的問(wèn)題，都是NB-IoT發(fā)展過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種低功耗、低成本，且工作在授權(quán)頻段的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。本文討論了NB-IoT相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用情況，并提到了其面臨的有關(guān)挑戰(zhàn)。隨著3GPP對(duì)NB-IoT技術(shù)的持續(xù)推進(jìn)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為未來(lái)5G技術(shù)的重要組成部分，已得到越來(lái)越多廠(chǎng)家、運(yùn)營(yíng)商以及政府機(jī)構(gòu)的重視，其真正大放光彩的時(shí)機(jī)已不遠(yuǎn)了。

[1]林長(zhǎng)勇.基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[J].信息與電腦（理論版），2017（17）：167-168，171.

[2]戴國(guó)華，余駿華.NB-IoT的產(chǎn)生背景、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究[J].移動(dòng)通信，2016，40（7）：31-36.

[3]NB-IoT System for M2M Communication. RATASUK R，VEJLGAAD B，MANGALVEDHEN[C]. 2016 IEEE Wireless Communications and Networking Conference，2016.

[4]Technical Specification Group Radio Access Networks； Narrowband Internet of Things （NB-IoT）[C].Technical Report for BS and UE radio transmission and reception（Release 13），3GPP TR 36.802 V0.3.0（2016-05）.

[5]奚加榮.NB-IoT應(yīng)用展望及生態(tài)協(xié)同[J].通信世界，2016（25）：52-53.

[6]孫知信，洪漢舒.NB-IoT中安全問(wèn)題的若干思考[J].中興通訊技術(shù)，2017（1）：47-50.

[7]何廷潤(rùn).NB-IoT的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境安全面臨新挑戰(zhàn)[J].通信世界，2017（14）：9.

Discussion on the Application and Challenge of NB-IoT Narrowband Internet of Things

Leng Wenkai He Li Liu Gang

China Electronic Technology Group Corporation 13th Research Institute, Sichuan Chengdu 610041

In recent years, with the rapid development of Internet business, NB-IoT is an important branch of China’s Internet structure system. By virtue of their own advantages and commercial value in the cellular network technology and cost, NB-IoT has gradually become the main stream of the development of the logistics network. The paper will mainly introduce the related characteristics and application development of NB-IoT technology.

NB-IoT; Internet of Things; applications; challenges

TN929.5；TP391.4

A

1009-6434（2017）11-0018-02