NB-IoT技術(shù)解析：如何實現(xiàn)低功耗、低成本與廣覆蓋？

發(fā)布時間：2024-12-03作者來源：薩科微瀏覽：2321

B-IoT技術(shù)正以其獨特的優(yōu)勢，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接帶來前所未有的變革。無論是智能城市、智能制造，還是消費電子，NB-IoT都在其中扮演著關(guān)鍵角色。跟隨文章，和我們一起深入了解它的工作原理、技術(shù)特點以及它如何塑造我們的智能生活。

什么是NB-IoT

NB-IoT（Narrowband Internet of Things），即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)，專門為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備設(shè)計。NB-IoT通過優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋、延長電池壽命、降低設(shè)備復(fù)雜度及成本，來實現(xiàn)大規(guī)模、低速率的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接。其主要應(yīng)用場景包括智能表計量、智能城市、資產(chǎn)追蹤、環(huán)境監(jiān)測等。與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的通信場景不同，物聯(lián)網(wǎng)的通信場景偏重于低功耗廣覆蓋，數(shù)據(jù)偶發(fā)數(shù)據(jù)量較小的網(wǎng)絡(luò)場景LPWA（Low-Power Wide-Area）。

這在無線通信領(lǐng)域里歸為低功耗廣域網(wǎng)的范疇，NB-IoT是其中使用最廣泛的技術(shù)之一。它基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，部署在運營商的授權(quán)頻段，只消耗大約180KHz的帶寬。它可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，為物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備提供了良好的公共網(wǎng)絡(luò)接入，做到了低部署成本并實現(xiàn)設(shè)備平滑升級。

NB-IoT的基本應(yīng)用架構(gòu)如圖中所示。其數(shù)據(jù)交互的過程為：NB-IoT終端產(chǎn)品（模組/芯片）將數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)再將數(shù)據(jù)傳至IoT平臺，IoT平臺再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到業(yè)務(wù)平臺進(jìn)行處理。

NB-IoT的特點是覆蓋廣，具備海量連接能力，同時做到了低功耗。它相比于傳統(tǒng)GSM可以提供10倍的覆蓋面積。一個基站可以覆蓋10km的范圍，而且它具備比LTE和GPRS高20dB的增益，能覆蓋到地下車庫等信號微弱的地方。這是因為它的信號在更窄的帶寬中發(fā)送，相同功率下具有更高的功率譜密度PSD(Power Spectrum Density)，所以增益更大，并且由于引入了eDRX省電技術(shù)和PSM省電模式，進(jìn)一步降低了功耗。

為了和現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)兼容，NB-IoT主要基于LTE技術(shù)并做了相應(yīng)修改。它可以做到和LTE并行部署，在下行鏈路互不影響。并且它精簡了通信信道，減小了實現(xiàn)的復(fù)雜性。在頻譜利用方面它有三種方式：

獨立部署：在GSM空閑頻譜中部署。
帶內(nèi)部署：使用了在現(xiàn)有LTE頻段的資源塊，不影響LTE數(shù)據(jù)傳輸。
保護(hù)帶部署：是利用了LTE頻譜的保護(hù)帶，實現(xiàn)了頻譜資源的[敏感詞]化。

為了做到增強覆蓋，NB-IoT提升了上行功率譜密度。相比于LTE，它的信息在更窄的LTE帶寬中發(fā)送，那么相同發(fā)射功率下的功率譜密度增大，降低了接收方的解調(diào)要求。在NB-IoT的上行信道上，同樣也支持無線信道上的數(shù)據(jù)重傳。重傳就是使用多個數(shù)據(jù)幀傳送同一個信息塊。NB-IoT[敏感詞]可支持下行2048次重傳，上行128次重傳。這樣的方式可以增加信號覆蓋的范圍，但數(shù)據(jù)重傳勢必將導(dǎo)致時延的增加，從而影響信息傳遞的實時性。

為了做到更省電， NB-IoT僅支持 FDD 半雙工模式，意味著不必同時處理發(fā)送和接收，其達(dá)到的效果，比起全雙工成本更低廉，更省電。低速率和低帶寬本身意味著芯片處理復(fù)雜度降低。

下表是低功耗廣域網(wǎng)的幾個技術(shù)對比，可以看到 NB-IoT工作在授權(quán)頻譜下，具備窄帶寬，低數(shù)據(jù)吞吐量，允許[敏感詞]時延達(dá)到了10秒。考慮到NB終端的應(yīng)用場景一般對時延不敏感，比如智能水表，燃?xì)獗淼龋赃@種特性更有助于節(jié)省功耗。

主流NB-IoT模塊

這是ublox推出的SARA-R422系列模塊。它同時提供 LTE-M、NB-IoT 和 EGPRS 信號通信，可以將LTE通信和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)相結(jié)合，隨時隨地獲取精準(zhǔn)定位信息。u-blox 定位云服務(wù) CloudLocate 可減少電能消耗，延長物聯(lián)?應(yīng)?的使?壽命。同時它具備工業(yè)級的輸出功率, 達(dá)到了23 dBm。它可以使用MQTT Anywhere 和 MQTT Flex ，一套用于物聯(lián)網(wǎng)的輕量級消息傳遞協(xié)議，實現(xiàn)高性價比、高功率的端到端物聯(lián)網(wǎng)通信。由于具備長壽命、低維護(hù)、成本敏感、低功耗的特點，它非常適合智能計量設(shè)備，如天然氣/水/電表、智能照明，包括路燈照明、大樓自動化、遠(yuǎn)程信息處理、資產(chǎn)跟蹤、遠(yuǎn)程監(jiān)控、以及各種的消費穿戴裝置。