淺談NB-IoT 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

王建忠

（中國(guó)電信股份有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000）

1 NB-IoT 應(yīng)用背景介紹

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）構(gòu)建為蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，消耗占用180kHz 頻段，可以直接部署于 LTE（800M）網(wǎng)絡(luò)，相比其他網(wǎng)絡(luò)，具有高安全性、可靠性、高頻譜、低功耗、低成本等條件優(yōu)勢(shì)，從而降低成本、降低投資、提高回報(bào)。

2 NB-IoT 的關(guān)鍵技術(shù)與特點(diǎn)

2.1 NB-IoT 的主要特點(diǎn)

（1）廣/深覆蓋。在其余網(wǎng)絡(luò)相同的頻段下，發(fā)射功率同為20dB，對(duì)比其他網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積擴(kuò)大7倍，覆蓋面積大大增強(qiáng)，適用范圍區(qū)域增多。

（2）大連接應(yīng)用。利用窄帶技術(shù)，大大提升信道容量。單個(gè)扇區(qū)，滿載可承載10萬(wàn)個(gè)用戶連接使用；NBIoT 設(shè)備一個(gè)扇區(qū)可以承載10萬(wàn)個(gè)用戶連接，而且終端對(duì)時(shí)延要求不敏感，傳輸可在15分鐘-24小時(shí)靈活傳輸。

（3）低功耗。NB-IoT 終端基于AA 電池，使用壽命可以長(zhǎng)達(dá)10年之久，其終端長(zhǎng)時(shí)間處于節(jié)能狀態(tài)，占用功耗小于百分之一；芯片構(gòu)造簡(jiǎn)單、信令簡(jiǎn)化、傳輸功耗小、分周期傳輸降低損耗等，是其使用壽命長(zhǎng)的主要關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 NB-IoT 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要包括：終端；E-UTRAN、SCEF、SCS、AS 、HSS、MME、SGW- 服 務(wù) 網(wǎng) 關(guān)、PDN/PGW。結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)LTE 網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)新增業(yè)務(wù)能力開(kāi)放單元，優(yōu)化了小數(shù)據(jù)傳輸和支持非IP 數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)物理網(wǎng)元數(shù)量對(duì)比LTE 網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化， MME、S-GW、P-GW 等核心網(wǎng)網(wǎng)元合并部署，大大降低部署難度。

2.3 NB-IoT 系統(tǒng)特點(diǎn)

2.3.1 物理層

NB-IoT 系統(tǒng)支持的操作模式：

（1）獨(dú)立操作模式；（2）保護(hù)帶操作模式；（3）帶內(nèi)操作模式。

2.3.2 空口層

空口層簡(jiǎn)化了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)LTE 的控制面，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和終端的功耗利用，節(jié)省開(kāi)銷的同時(shí)，更有效的支出了小數(shù)據(jù)傳輸和覆蓋增強(qiáng)。

2.3.3 接入網(wǎng)

NB-IoT 系統(tǒng)的接入網(wǎng)特性是基于現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)的S1接口和X2接口之間進(jìn)行優(yōu)化處理。優(yōu)化后的傳輸方案下，終端移動(dòng)到了新基站發(fā)起RRC 連接恢復(fù)，攜帶先前從舊基站獲得的恢復(fù)ID 編號(hào)，新基站在X2接口向舊基站發(fā)起用戶上下文獲取流程，從舊基站獲取終端在舊基站掛起時(shí)保存的用戶信息，以便最后在新的基站上將該UE 實(shí)施快速恢復(fù)。

3 NB-IoT 典型應(yīng)用場(chǎng)景

公共事業(yè)：水表、水務(wù)、氣表、熱表等應(yīng)用。

智慧城市：停車、路燈、垃圾桶、井蓋等應(yīng)用。

消費(fèi)電子：獨(dú)立可穿戴設(shè)備、智能自行車、慢病管理系統(tǒng)、老人小孩寵物管理。

設(shè)備管理：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、白色家電管理、大型公共基礎(chǔ)設(shè)施、管道管廊監(jiān)控。

智能建筑：環(huán)境報(bào)警系統(tǒng)、中央空調(diào)監(jiān)管、電梯物聯(lián)網(wǎng)、人防空間覆蓋。

智慧物流：冷鏈物流、集裝箱跟蹤、固定資產(chǎn)跟蹤、金融資產(chǎn)跟蹤。

農(nóng)業(yè)與環(huán)境：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、畜牧業(yè)養(yǎng)殖、空氣實(shí)時(shí)監(jiān)控、水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

其他應(yīng)用：移動(dòng)支付、智慧社區(qū)、智能家居、文物保護(hù)。

4 典型應(yīng)用案例

4.1 挖掘需求

隨著NB-IoT 的商用應(yīng)用，各類NB-IoT 終端隨之面世，其中小牧童產(chǎn)品為智慧牧場(chǎng)在奶牛廠的應(yīng)用之一，通過(guò)小牧童產(chǎn)品的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)控奶牛的發(fā)情期，有效提高受胎率，縮短胎間距，減少奶牛的空懷天數(shù)，從而達(dá)到提升奶牛的產(chǎn)奶量，幫助牧場(chǎng)提升經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。

4.2 項(xiàng)目背景

朔州公司與山西仁德牧場(chǎng)簽訂了智慧牧場(chǎng)NB 小牧童項(xiàng)目合同，雙方將在養(yǎng)殖領(lǐng)域開(kāi)展基于NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)作業(yè)、精準(zhǔn)控制等智慧牧場(chǎng)項(xiàng)目上開(kāi)展合作，推動(dòng)智慧牧場(chǎng)項(xiàng)目在朔州落地，借力智慧牧場(chǎng)項(xiàng)目推動(dòng)朔州農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。這是山西省首款NB 小牧童項(xiàng)目的落地，填補(bǔ)了農(nóng)牧業(yè)在奶牛畜聯(lián)網(wǎng)方面的空白，帶頭實(shí)踐NB 商用、智能應(yīng)用。

4.3 實(shí)施效果

2018年年底，朔州分公司根據(jù)省公司安排部署，鉆研物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合懷仁的市場(chǎng)進(jìn)行分析后，決定在農(nóng)牧業(yè)進(jìn)行深耕。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的拜訪，對(duì)不同的奶牛場(chǎng)進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研、產(chǎn)品推薦、實(shí)踐學(xué)習(xí)，最后了解到山西仁德牧業(yè)可能有小牧童產(chǎn)品的需求。在了解客戶需求后，客戶經(jīng)理主動(dòng)上門(mén)，多次拜訪。摸清客戶需求后，公司領(lǐng)導(dǎo)對(duì)項(xiàng)目十分重視，在省、市公司全力支撐下，迅速組建了省市縱向項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，縣公司專人負(fù)責(zé)，協(xié)同為客戶提供產(chǎn)品演示、方案制定、產(chǎn)品試用等服務(wù)。

4.4 推廣價(jià)值

通過(guò)長(zhǎng)達(dá)一年對(duì)客戶的跟蹤、產(chǎn)品試用，最終贏得了客戶的肯定。隨之大批量應(yīng)用后，智慧牧場(chǎng)小牧童設(shè)備作為物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用，在朔州是頭一次批量投入使用，一期200臺(tái)已全部投入使用，二期項(xiàng)目已簽訂合同，帶動(dòng)DICT 收入20余萬(wàn)元。本次項(xiàng)目的合作，為物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用有了良好的開(kāi)端，起到帶頭作用，大大降低人力投入，減少開(kāi)支，提升效益。物聯(lián)網(wǎng)智慧牧場(chǎng)的應(yīng)用推動(dòng)朔州農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也讓同業(yè)企業(yè)看到智能物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的科技收益。

5 NB-IoT 典型優(yōu)化案例

5.1 問(wèn)題故障背景

在懷仁仁德牧業(yè)開(kāi)通使用物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)后，接到懷仁仁德牧業(yè)NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)終端無(wú)法連接建立申告投訴，朔州電信網(wǎng)優(yōu)中心第一時(shí)間接收處理。初步通過(guò)基站故障核查、參數(shù)核查、現(xiàn)場(chǎng)排查、終端調(diào)研、信令跟蹤等手段進(jìn)行處理。

5.2 排查優(yōu)化流程

（1）后臺(tái)網(wǎng)管排查故障區(qū)域基站參數(shù)配置，告警情況，一切正常，基站近期無(wú)故障，無(wú)告警；后臺(tái)網(wǎng)管提取近期NB 指標(biāo)，指標(biāo)良好，后溝通廠家人員參數(shù)核查，全網(wǎng)對(duì)比無(wú)差異，故參數(shù)設(shè)置合理。由于后臺(tái)無(wú)法確認(rèn)終端使用情況等問(wèn)題，廠家陪同網(wǎng)優(yōu)中心人員前往現(xiàn)場(chǎng)核查。

（2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試正常，排查終端，終端在養(yǎng)殖場(chǎng)奶牛脖子上懸掛，主要作用為監(jiān)測(cè)奶牛是否正常，是否在走動(dòng)，其終端主要激活、監(jiān)測(cè)方式為搖一搖記錄。同時(shí)用戶提供故障終端確實(shí)處于休眠狀態(tài)，無(wú)法正常記錄。終端也無(wú)手動(dòng)重啟開(kāi)關(guān)，后決定采取故障終端樣本帶回核查處理。

（3）設(shè)備帶回后，后臺(tái)核查時(shí)發(fā)現(xiàn)該終端已上線。初步分析為設(shè)備自行恢復(fù)。具體恢復(fù)原因通過(guò)信令跟蹤等手段發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備帶回時(shí)，發(fā)生位置更新，網(wǎng)絡(luò)重選，從而自行從休眠中啟動(dòng)恢復(fù)。

（4）由于帶回3臺(tái)設(shè)備均自行恢復(fù)，后決定溝通用戶首先用搖一搖啟動(dòng)終端，受終端靈敏度不同，部分終端晃動(dòng)幅度較大時(shí)自行恢復(fù)啟動(dòng)，部分無(wú)法恢復(fù)。網(wǎng)優(yōu)人員決定，由省公司強(qiáng)制將該終端設(shè)備批量下線，從而強(qiáng)制終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，小區(qū)選擇，修改后終端陸續(xù)恢復(fù)。

（5）初步判定為終端搖一搖靈敏度太低導(dǎo)致，強(qiáng)制下線后通過(guò)終端廠家網(wǎng)管核查故障恢復(fù)。雖然本次通過(guò)強(qiáng)制下線，強(qiáng)制終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，小區(qū)選擇，修改后終端陸續(xù)恢復(fù)，但是本次優(yōu)化案例可以驗(yàn)證由于終端低功耗、低時(shí)延而導(dǎo)致終端靈敏度自身偏低，需調(diào)高靈敏度來(lái)適應(yīng)不同場(chǎng)景需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、各類智能終端設(shè)備普及應(yīng)用，已經(jīng)融入日常生活，諸如各類智能技術(shù)小程序小應(yīng)用已經(jīng)是人民生活中必不可少的一部分。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，大大降低了各行業(yè)人力資源的投入，減少投入降本增效，已逐步融入了各行各業(yè)。隨著“萬(wàn)物互聯(lián)”“互聯(lián)互通”的大形勢(shì)下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)相對(duì)通信行業(yè)是新的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，也是新的發(fā)展機(jī)遇，隨著市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其具備的商業(yè)價(jià)值也很大。同時(shí)NB-IoT 憑借著自己獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，會(huì)大大降低成本，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)需求。未來(lái)，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域快速發(fā)展的過(guò)程中，搶占市場(chǎng)、拓展業(yè)務(wù)，并將物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)掌握在自己的手中，將對(duì)我國(guó)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)發(fā)展起到至關(guān)重要，也會(huì)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)可觀的價(jià)值收益。