關(guān)于NB-IoT，你需要了解的一切

從蒸汽機(jī)到工廠生產(chǎn)線，工業(yè)革命的第一波浪潮從根本上重塑了人類文明。今天，我們正站在下一個(gè)時(shí)代定義轉(zhuǎn)變的風(fēng)口浪尖——物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的興起。然而，為了真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)革命，需要一種可靠的連接結(jié)構(gòu)——一種能夠?yàn)轭A(yù)期的數(shù)十億個(gè)傳感器和端點(diǎn)提供廣泛、可靠的覆蓋范圍的結(jié)構(gòu)。這就是NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))發(fā)揮作用的地方。

那么NB-IoT到底是什么?這種 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)提供哪些獨(dú)特功能?它與現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)連接選項(xiàng)有何關(guān)系?讓我們深入了解一下。

什么是NB-IoT?

NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))是3GPP標(biāo)準(zhǔn)化的LPWAN協(xié)議，用于支持各種新型蜂窩連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和服務(wù)。

它提供了針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的專用無(wú)線路徑。顧名思義，NB-IoT使用非常窄的帶寬，可以實(shí)現(xiàn)出色的擴(kuò)展覆蓋范圍，同時(shí)最大限度地延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命，長(zhǎng)達(dá)10年。

NB-IoT利用4GLTE頻段等許可頻段，專門(mén)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)連接對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)重新調(diào)整現(xiàn)有蜂窩頻段以供NB-IoT使用，而不需要新的頻譜分配，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以快速部署該技術(shù)。

憑借出色的覆蓋范圍擴(kuò)展和極高的能源效率，NB-IoT使各種新型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠以最低的維護(hù)成本提供豐富的數(shù)據(jù)，克服了大規(guī)模采用物聯(lián)網(wǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵障礙?？焖俚娜虿渴鹨呀?jīng)開(kāi)始，特別是在亞洲、歐洲和北美。

NB-IoT架構(gòu)及其工作原理

2016年，3GPP在第13版中對(duì)NB-IoT進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，允許在移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商擁有的許可頻段內(nèi)運(yùn)行。NB-IoT設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的通信發(fā)生在指定的200kHz窄帶內(nèi)，而標(biāo)準(zhǔn)蜂窩連接使用的頻帶要寬得多。

NB-IoT架構(gòu)由終端設(shè)備(傳感器)、基站或接入點(diǎn)、核心網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)器/平臺(tái)組成。當(dāng)無(wú)法直接訪問(wèn)時(shí)，可以使用網(wǎng)關(guān)等可選組件來(lái)連接建筑物內(nèi)或地下的節(jié)點(diǎn)。

NB-IoT具有三種不同的部署模式，可最大限度地?cái)U(kuò)大各種基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋范圍：

• 帶內(nèi)–利用普通LTE載波內(nèi)的資源塊
• 保護(hù)頻帶–利用正常LTE載波內(nèi)未使用的資源塊
• 獨(dú)立——利用專用頻譜中的獨(dú)立載波

通過(guò)利用現(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施和頻譜，NB-IoT提供了受全球主要硬件和芯片組供應(yīng)商支持的高效物聯(lián)網(wǎng)解決方案。通過(guò)其靈活的部署模型，其可以與2G、3G、4G、LTE-M和5G等其他蜂窩技術(shù)共存。

NB-IoT的優(yōu)點(diǎn)和局限性

NB-IoT帶來(lái)了巨大的連接能力，但也存在一些技術(shù)限制。了解NB-IoT的優(yōu)點(diǎn)和當(dāng)前缺點(diǎn)，可以正確設(shè)定期望，并就NB-IoT何時(shí)最適合應(yīng)用做出明智的決定。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)

低功耗——通過(guò)較小的傳輸帶寬和PSM和eDRX等非活動(dòng)傳輸周期的省電功能實(shí)現(xiàn)超低功耗。這支持更長(zhǎng)的電池壽命，這對(duì)于電源訪問(wèn)有限的遠(yuǎn)程設(shè)備至關(guān)重要。

增強(qiáng)覆蓋范圍——NB-IoT使用窄帶信號(hào)和數(shù)據(jù)包重傳，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和地下的可靠連接。其范圍可達(dá)市區(qū)約1公里，鄉(xiāng)村約10公里，非常適合遠(yuǎn)程設(shè)備。

海量連接——通過(guò)有效調(diào)度傳輸和睡眠窗口，NB-IoT基站可以同時(shí)支持超過(guò)50,000個(gè)設(shè)備。這種可擴(kuò)展性支持大規(guī)模部署，對(duì)于跨基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

低設(shè)備和部署成本——通過(guò)將設(shè)備復(fù)雜性降至最低，僅提供必要的連接，NB-IoT硬件成本僅為4G/5G調(diào)制解調(diào)器的一小部分。小數(shù)據(jù)計(jì)劃的成本也更低。由于不需要網(wǎng)關(guān)并利用現(xiàn)有頻段，部署比構(gòu)建專用LPWAN網(wǎng)絡(luò)便宜得多。

NB-IoT的局限性

數(shù)據(jù)傳輸速度較低——NB-IoT的帶寬和速度低于LTE-M，缺乏高數(shù)據(jù)傳輸能力。其無(wú)法支持需要大吞吐量的語(yǔ)音/視頻應(yīng)用。

更高的延遲——與4G和5G相比，NB-IoT在傳輸和接收數(shù)據(jù)包之間存在更大的延遲。對(duì)于需要實(shí)時(shí)、低延遲通信的用例來(lái)說(shuō)，它并不是最佳選擇。

有限的設(shè)備移動(dòng)性——NB-IoT帶寬低，且上行/下行速率慢，最適合固定或移動(dòng)性極低的設(shè)備。無(wú)法有效支持4G-LTE和5G等網(wǎng)絡(luò)小區(qū)之間的快速切換。

全球覆蓋范圍較小——全球許多地區(qū)的NB-IoT部署仍在不斷增加。目前，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的漫游協(xié)議比移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的漫游協(xié)議少，限制了無(wú)縫的全球覆蓋。

NB-IoT安全嗎?是否會(huì)被黑客攻擊?

NB-IoT利用3GPP為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)定義的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的安全框架。這包括設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的相互身份驗(yàn)證、通過(guò)會(huì)話密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線加密，以及簽名的固件更新。其他設(shè)備級(jí)策略，如防篡改和異常檢測(cè)，進(jìn)一步加強(qiáng)了安全性。

符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)好處是，NB-IoT既支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用的當(dāng)前安全協(xié)議，也支持未來(lái)添加的任何新功能。

雖然沒(méi)有任何技術(shù)能夠完全免受篡改或黑客攻擊，但NB-IoT提供了與當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)?shù)膹?qiáng)大標(biāo)準(zhǔn)化安全措施，以防止延伸到物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備的一系列網(wǎng)絡(luò)威脅。

NB-IoT的關(guān)鍵用例和應(yīng)用

憑借其長(zhǎng)電池壽命、廣泛的范圍、小數(shù)據(jù)包傳輸和強(qiáng)大的安全性，NB-IoT是跨基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)連接傳感器、監(jiān)視器和執(zhí)行器的理想技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)：

智能電表

實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程讀取燃?xì)狻㈦娏?、水的使用情況，無(wú)需人工檢查。洞察實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能和泄漏檢測(cè)。NB-IoT的低功耗和增強(qiáng)的范圍甚至適合具有挑戰(zhàn)性的位置。

智慧城市

環(huán)境傳感器用于空氣/水質(zhì)、聲音監(jiān)控、垃圾箱溢出、停車位跟蹤、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控，以及根據(jù)環(huán)境條件和人流進(jìn)行調(diào)整的智能照明。

環(huán)境監(jiān)測(cè)

無(wú)需大量電力或通信基礎(chǔ)設(shè)施，即可監(jiān)控農(nóng)田、河流、荒野和保護(hù)區(qū)的狀況、設(shè)備操作、入侵等。

智慧農(nóng)業(yè)

通過(guò)NB-IoT連接的廉價(jià)濕度傳感器、設(shè)備監(jiān)視器、土壤養(yǎng)分測(cè)試儀可提供更好的可視性，以優(yōu)化澆水、施肥和跟蹤作物。

資產(chǎn)跟蹤和管理

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電池供電NB-IoT標(biāo)簽可監(jiān)控車輛、重型機(jī)械、可回收運(yùn)輸物品(托盤(pán)、集裝箱)和遠(yuǎn)程資產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施的位置和狀況。

智能家居

傳感器監(jiān)控房間占用情況、溫度、濕度、噪音、光照水平，而控制器則根據(jù)條件和使用模式自動(dòng)調(diào)節(jié)暖通空調(diào)、照明和電器，以提高舒適度、安全性和能源效率。

智慧醫(yī)療

NB-IoT的低功耗需求和廣域連接非常適合通過(guò)治療期間的遠(yuǎn)程監(jiān)控來(lái)改善患者護(hù)理。如果高危患者嘗試自行站立或移動(dòng)，基于NB-IoT的跌倒定位系統(tǒng)可以盡早發(fā)出通知?？梢蕴嵝炎o(hù)理人員及時(shí)幫助患者。

這些應(yīng)用幾乎擴(kuò)展到每個(gè)行業(yè)，從交通運(yùn)輸?shù)侥茉?、教育、零售，等等。幾乎任何需要長(zhǎng)期連接以進(jìn)行低帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)臇|西都可能適合NB-IoT。

NB-IoT與其他LPWAN的比較

盡管存在其他節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，但NB-IoT結(jié)合了多種優(yōu)勢(shì)，使其成為各種部署的領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)者。下面將NB-IoT與其他三種廣泛使用的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(LTE-M、Sigfox和LoRaWAN)進(jìn)行比較：

NB-IoT與LTE-M

NB-IoT和LTE-M都是3GPP針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的蜂窩LPWAN技術(shù)。然而，LTE-M支持1.4MHz的更高帶寬，峰值數(shù)據(jù)速率更快，高達(dá)1Mbps。與NB-IoT不同，LTE-M還支持全面的移動(dòng)性和語(yǔ)音支持。但代價(jià)是，盡管進(jìn)行了PSM和eDRX等優(yōu)化，LTE-M仍會(huì)消耗更多電量。

總體而言，LTE-M適合需要更高帶寬的延遲敏感型應(yīng)用，而NB-IoT非常適合發(fā)送少量非時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的靜態(tài)或慢速移動(dòng)設(shè)備。LTE-M需要向?qū)＠钟姓咧Ц秾＠褂觅M(fèi)，但NB-IoT通過(guò)利用現(xiàn)有的蜂窩頻譜來(lái)避免網(wǎng)關(guān)成本。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于不同的物聯(lián)網(wǎng)用例是互補(bǔ)的——LTE-M用于穩(wěn)定通信，NB-IoT用于超節(jié)能。

NB-IoT與LoRa

主要區(qū)別在于，NB-IoT在4GLTE等許可蜂窩頻譜中運(yùn)行，而LoRa使用ISM頻段中的非許可頻譜。這意味著NB-IoT受益于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，而LoRa則提供了更大的靈活性，因?yàn)槿魏稳硕伎梢圆渴鹱约旱腖oRa網(wǎng)絡(luò)。

與LoRa相比，NB-IoT還具有更低的延遲和更高的吞吐量。然而，LoRa具有更遠(yuǎn)的范圍、更低的功耗和更低的模塊成本。LoRaWAN優(yōu)先考慮最大限度地降低功耗，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)15年以上的電池壽命。

NB-IoT與Sigfox

Sigfox是另一種與之競(jìng)爭(zhēng)的LPWAN技術(shù)，它使用ISM無(wú)線電頻段中的未經(jīng)許可的頻譜。它使用超窄帶調(diào)制來(lái)提供遠(yuǎn)距離通信，同時(shí)使用很少的功率。

NB-IoT和Sigfox之間的主要區(qū)別在于，與Sigfox相比，NB-IoT具有更大的帶寬、更高的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲。NB-IoT可以提供高達(dá)250kbps的吞吐量，延遲小于10秒。Sigfox的最大吞吐量為100bps，典型延遲為1-30秒。數(shù)據(jù)傳輸也沒(méi)有返回設(shè)備的返回通道。

然而，Sigfox在簡(jiǎn)單性和全球覆蓋方面具有一些優(yōu)勢(shì)。Sigfox網(wǎng)絡(luò)更易于部署，并且已經(jīng)在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了廣泛的覆蓋。NB-IoT覆蓋范圍取決于蜂窩LTE建設(shè)，因此可能更加有限。

常見(jiàn)問(wèn)題解答

1.使用NB-IoT需要付費(fèi)嗎?

答：需要。數(shù)據(jù)套餐是從移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商處購(gòu)買的，類似于智能手機(jī)。然而，考慮到數(shù)據(jù)包很小，每臺(tái)設(shè)備每月的成本可能遠(yuǎn)低于1美元。運(yùn)營(yíng)商之間的費(fèi)用根據(jù)設(shè)備數(shù)量和數(shù)據(jù)使用等因素而有所不同。

2.NB-IoT是否注重能源效率?

答：是的。電池壽命可達(dá)到10年以上，允許完全由電池供電的端點(diǎn)。與增強(qiáng)的覆蓋范圍相結(jié)合，這使得以前不可能的應(yīng)用成為可能。

3.NB-IoT傳輸?shù)难舆t率是多少?

答：大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸在1-10秒內(nèi)完成。對(duì)于1秒以下的延遲敏感需求，LTE-M可能更適合。