技術前沿：窄帶物聯網(NB-IoT)

隨著物聯網（IoT）預計到2025年將達到750億臺設備，我們將需要無線網絡來支持它們。但如果你希望部署自己的物聯網設備，你最好的網絡選擇是什么？

先了解一下什么是LTE-Cat.1、LTE-M和NB-IoT

什么是LTE-Cat.1

LTE（Long-Term Evolution）是一種4G無線移動通信技術，提供了高速數據傳輸和低延遲的網絡連接。LTE網絡可以通過不同的UE（User Equipment）類別來滿足不同的應用需求，其中包括LTE Cat.1、LTE Cat.2、LTE Cat.3和LTE Cat.4等不同級別的UE設備。

LTE-Cat.1 是 4G 通信 LTE 網絡下用戶終端類別的一個標準，上行峰值速率 5 Mbps，下行峰值速率 10 Mbps，定位于面向 IoT 應用市場的一個類別。

什么是LTE-M

LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演進的物聯網技術，基于蜂窩網絡進行部署，支持上下行最大1Mbps的峰值速率，屬于物聯網中速率，其用戶設備通過支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可以直接接入現有的LTE網絡。

LTE-M 最關鍵能力在于支持移動性并可以定位，成本只有Cat1芯片的25%，相比于GPRS速率要高四倍。

LTE-M 具有以下四大優勢：

速率高，LTE-M支持上下行最大1Mbps的峰值速率，遠遠超過GPRS、 ZigBee等物聯技術的速率，可以支撐更豐富的物聯應用，如低速視頻、語音等；

移動性，LTE-M支持連接態的移動性，物聯網用戶可以無縫切換保障用戶體驗；

可定位，基于TDD的LTE-M可以利用基站側的PRS測量，在無須新增GPS芯片的情況下就可進行位置定位，低成本的定位技術更有利于LTE-M在物流跟蹤、貨物跟蹤等場景的普及：

支持語音，LTE-M從LTE協議演進而來，可以支持 VOLTE語音，未來可被廣泛應用到可穿戴設備中。

什么是窄帶物聯網NB-IoT？

窄帶物聯網NB-IoT (Narrowband Internet of Things)（也稱為NB-IoT或LTE-M2）是一種LPWAN技術，不在許可的LTE結構中運行。相反，它的工作方式有三種：

1）獨立組網

2）在以前用于GSM（全球移動通信系統）的未使用的200kHz頻帶中

3）在LTE基站上，將資源塊分配給NBIoT操作或在其保護頻帶中。

華為，愛立信，高通和沃達豐等電信巨頭已將這一標準與3GPP結合在一起。華為，愛立信和高通對NB-IoT感興趣，因為它具有許多優勢。

窄帶物聯網是指使用較小的頻段傳輸數據，并且不需要高速數據傳輸的通信技術。它可以將大量低速數據從遠程設備傳輸到云端，并具有超長續航時間和更廣泛的覆蓋范圍。

在NB-IoT中，數據傳輸速率較慢，但功耗非常低。這使得設備可以長時間運行，并且不需要頻繁更換電池。此外，NB-IoT還具有更廣泛的覆蓋范圍和更好的穿透能力，在地下室、隧道或其他深度建筑物內都可以提供可靠的連接。

那么，NB-IoT有哪些應用場景呢?

由于其低功耗、廣泛的覆蓋范圍和穿透能力，NB-IoT被廣泛應用于智能家居、物聯網設備、智慧城市、工業自動化等領域。

NB-IOT基站與普通基站的區別

隨著物聯網技術的快速發展，NB-IoT(Narrowband Internet of Things)已經成為了一種廣泛應用于物聯網領域的通信技術。相比于傳統的移動通信方式，NB-IoT在低功耗、長續航、廣覆蓋等方面具有明顯優勢。而NB-IoT基站與普通基站之間也存在著一些差異。

1. 技術標準不同

NB-IoT是由3GPP(第三代合作伙伴計劃)組織制定的一項物聯網標準。它是在LTE(Long Term Evolution)技術標準下開發出來的，專門用于連接大量低功耗設備和傳感器，并提供長距離、廣覆蓋和高可靠性的通信服務。而普通基站則是依據GSM(Global System for Mobile Communications)或CDMA(Code Division Multiple Access)等移動通信技術標準設計和建造的。

2. 覆蓋范圍不同

由于物聯網設備數量龐大且分布范圍廣泛，因此NB-IoT需要具有更廣闊、更穩定、更可靠的覆蓋范圍。而普通基站則主要服務于人類通信需求，其覆蓋范圍相對較小，一般只能覆蓋城市或者城市周邊地區。

3. 功耗和帶寬不同

NB-IoT設備在傳輸數據時需要消耗更少的電量，因此NB-IoT基站的功耗也要比普通基站低。此外，由于NB-IoT主要用于傳輸少量數據，因此其帶寬要比普通基站小得多。

4. 部署方式不同

普通基站一般采用集中式部署方式，即所有設備都連接到同一個基站上。而NB-IoT基站則采用分布式部署方式，即一個區域內可能會有多個小型基站組成一個網絡，每個小型基站只服務于該區域內的一部分設備。

5. 信道資源分配不同

普通基站主要為人類通信服務，因此在信道資源分配上會考慮到人類通信質量和用戶數量等因素。而NB-IoT則需要更為靈活的信道資源分配方案，在保證設備正常運行的前提下盡可能地節約能源。

所以盡管NB-IoT和普通移動通信技術都是基于無線電波傳輸的，但是它們之間存在著很多差異。NB-IoT的出現，為物聯網應用提供了更為可靠、更為高效的通信方式。隨著技術不斷發展，NB-IoT將會在物聯網領域扮演越來越重要的角色。

窄帶物聯網技術與LTE技術的關系

隨著物聯網技術的快速發展，越來越多的設備通過互聯網連接在一起，形成了一個龐大的網絡。為了滿足不同場景下設備對于網絡的不同需求，人們開發出了不同的物聯網技術，其中最流行的是窄帶物聯網(NB-IoT)和LTE技術。這兩種技術雖然有著不同的應用場景和特點，但是它們之間也存在一些相互聯系的地方。

由于物聯網設備數量龐大且分布范圍廣泛，因此NB-IoT需要具有更廣闊、更穩定、更可靠的覆蓋范圍。而普通基站則主要服務于人類通信需求，其覆蓋范圍相對較小，一般只能覆蓋城市或者城市周邊地區。

窄帶物聯網技術是一種專門用于連接物聯網設備的無線通信技術。它可以實現低功耗、廣覆蓋、低成本、高可靠性的物聯網連接。相較于傳統的蜂窩網絡，窄帶物聯網技術具有更低的功耗和更廣的覆蓋范圍，因此它被廣泛應用在物聯網領域。窄帶物聯網技術有三種不同的標準：NB-IoT、eMTC和EC-GSM-IoT，其中NB-IoT是最為流行的一種。

LTE技術是一種高速無線通信技術，它可以提供高速數據傳輸和高質量的語音通信服務。相較于3G技術，LTE技術具有更高的傳輸速率和更低的延遲。因此，它被廣泛應用在移動通信領域。目前，LTE技術已經發展到了第四代(4G)和第五代(5G)。

雖然窄帶物聯網技術和LTE技術在應用場景和特點上有所不同，但是它們之間也存在著一些相互聯系的地方。首先，窄帶物聯網技術是建立在LTE技術的基礎上的。它使用LTE的核心網和基站設備，通過軟件升級的方式來實現物聯網連接。因此，窄帶物聯網技術可以與LTE技術無縫銜接，實現更加高效和便捷的物聯網連接。

其次，窄帶物聯網技術和LTE技術也可以相互協作，實現更加智能化的物聯網應用。例如，在智能家居領域，窄帶物聯網技術可以連接各種智能設備，如智能燈泡、智能門鎖等，而LTE技術則可以提供高速的網絡連接，實現智能家居設備之間的互聯互通。

最后，窄帶物聯網技術和LTE技術也可以相互補充，實現更加全面的物聯網覆蓋。窄帶物聯網技術可以實現低功耗、廣覆蓋的物聯網連接，而LTE技術則可以提供高速、高質量的數據傳輸服務。因此，在一些特殊的物聯網場景中，窄帶物聯網技術和LTE技術可以相互補充，實現更加全面的物聯網覆蓋。

窄帶物聯網技術與LTE技術的應用

窄帶物聯網技術和LTE技術在不同的領域中都有著廣泛的應用。

1）智能家居

在智能家居領域，窄帶物聯網技術可以連接各種智能設備，如智能燈泡、智能門鎖等，實現設備之間的互聯互通。而LTE技術則可以提供高速的網絡連接，為智能家居設備提供更加便捷的遠程控制服務。

2）智能交通

在智能交通領域，窄帶物聯網技術可以實現車輛與車輛之間、車輛與路邊設施之間的互聯互通，實現智能交通管理和車輛安全監控。而LTE技術則可以為車輛提供高速的網絡連接，為車輛駕駛提供更加便捷的導航和信息服務。

3）智能制造

在智能制造領域，窄帶物聯網技術可以實現設備之間的互聯互通，實現智能制造設備的遠程監控和控制。而LTE技術則可以為智能制造設備提供高速的網絡連接，實現設備之間的數據交互和協同工作。

因此，窄帶物聯網技術和LTE技術是兩種不同的無線通信技術，它們在應用場景和特點上有所不同，但是它們之間也存在著相互聯系的地方。窄帶物聯網技術是建立在LTE技術的基礎上的，它可以與LTE技術無縫銜接，實現更加高效和便捷的物聯網連接。在不同的物聯網領域中，窄帶物聯網技術和LTE技術都有著廣泛的應用，它們可以相互協作、相互補充，實現更加智能化、全面化的物聯網覆蓋。

商業利益

1）功率效率

有效地為物聯網設備供電至關重要。想想看：誰愿意每六個月更換200億臺設備的電池？雖然幾乎所有的物聯網技術都是為了在不工作的情況下節省電力而開發的，但它們確實在調制解調器運行和處理信號時消耗能量。

2）節省成本

波形更簡單的技術，比如NBIoT，將消耗更少的功率。200kHzNB物聯網前端和數字化已降低了模數（A/D）和數模（D/A）轉換、緩沖和信道估計的復雜性。省電=節省成本。另外，NB-IoT芯片制造起來更簡單，因此也更便宜。

3）可靠性

在獲得許可的頻譜上推出NB-IoT意味著提高了用戶的可靠性，并保證了托管服務質量（QoS）所需的有保證的資源分配。

4）更廣泛的部署

與LTE-M1相比，NB-IoT具有更低的比特率和更好的鏈路預算。此外，根據華為的EmmanuelCoehloAlves在物聯網中心的一篇文章，NB-IoT不需要網關來提供連接。

他說，NB-IoT可以直接將傳感器連接到基站，而不是創建另一個需要管理和操作的設備。這將提高靈活性，同時降低成本。

5）全球范圍

雖然美國的重量級公司已經在LTE網絡上投資了數十億美元，但即使試點和網絡部署如火如荼，全球仍有許多地區的LTE數量較少。在美國以外，還有更大的GSM部署，可以在這些部署上找到可用于NB-IoT的未使用頻段。NB-IoT可以幫助IoT創新者在全球新市場找到負擔得起的切入點。

即使在美國，Sprint或T-Mobile等較小的運營商也可能在現有的GSM頻譜上部署NB-IoT，以擴展連接，而無需Verizon或AT&T的LTE投資。

NB-IoT應用

NB-IoT應用程序可以跨越許多服務類別。這些包括：

1）智能計量（電，氣和水）

2）設施管理服務

3）住宅和商業物業的防盜報警和火警

4）連接的個人電器可測量健康參數

5）追蹤人，動物或物體

6）智能城市基礎設施，例如路燈或垃圾箱

7）連接的工業設備，例如焊接機或空氣壓縮機。

NB-IOT采用哪幾種數據傳輸方案

NB-IoT是一種低功耗廣域物聯網通信技術，其優點在于低成本、低功耗、覆蓋范圍廣等方面。在實際應用中，NB-IoT采用了多種數據傳輸方案來滿足用戶需求。

1）、非接入層數據傳輸

非接入層數據傳輸是指在物理層和MAC層之外的數據傳輸方式。這種方式可以通過IP網絡連接到云端或其他網絡，實現數據的遠程訪問和處理。此外，非接入層數據傳輸還可以通過短信和郵件等方式進行數據傳遞。

2）、IP層數據傳輸

IP層數據傳輸是指將NB-IoT設備連接到互聯網，并使用TCP/IP協議進行通信。這種方式可以通過云端平臺進行實時監控和管理，并且可以與其他系統集成，從而實現更高效的數據管理和處理。

3）、消息隊列傳輸

消息隊列傳輸是一種異步通信機制，它將消息發送到隊列中，并由消費者從隊列中獲取消息進行處理。這種方式可以有效地減輕服務器負載，并提高系統的可靠性和擴展性。

4）、直接連接

直接連接是指將NB-IoT設備直接連接到服務器或計算機上，以便進行實時監控和管理。這種方式具有低延遲和高可靠性的優點，但需要消耗更多的能量和資源。

總之，NB-IoT采用多種數據傳輸方案，可以根據實際需求進行選擇。

窄帶物聯網通信系統的發展趨勢

隨著物聯網技術的不斷發展，窄帶物聯網通信系統也在不斷演進，有以下幾個發展趨勢：

1）多模通信：窄帶物聯網通信系統將與其他通信技術相結合，實現多模通信，提高通信的可靠性和覆蓋范圍。

2）安全性增強：窄帶物聯網通信系統將加強對數據的加密和身份驗證，提高通信的安全性，保護用戶隱私。

3）智能化應用：窄帶物聯網通信系統將與人工智能技術相結合，實現智能化的應用，提供更加個性化的服務。

4）邊緣計算：窄帶物聯網通信系統將采用邊緣計算技術，實現數據的快速處理和實時響應，提高通信的效率。

潛在障礙

對于大多數運營商轉向LTE支持而言，部署可能是一個問題。隨著NB-IoT部署，開發操作軟件的初始成本也可能會增加。此外，在現有GSM頻譜很少的情況下，調制解調器的前端和天線可能變得更加復雜。最后，ISP巨頭可能會提高許可費。

但是，由于200-kHzGSM頻譜利用率低下，許多人都希望使其成為迄今為止最好的低功耗廣域網。因此，難怪Gartner將NB-IoT視為LPWAN領域的關鍵部分，蜂窩物聯網的未來更加光明。

NB-IoT物聯網通訊組網基礎

NB-IoT（NarrowBandInternetofThings）是IoT領域基于蜂窩的窄帶物聯網的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，是一種低功耗廣域網（LPWAN）。NB-IoT只需要180kHz的頻段，可直接部署于GSM網絡.UMTS網絡或LTE網絡中。特點是覆蓋廣、速率低、成本低、連接數量多、功耗低等。由于NB-IoT使用的授權License頻段.因此可以采取帶內、保護帶或獨立載波這三種部署方式。

1.NB-IoT技術特點

1）多鏈接

在同一基站的情況下,NB-IoT能提供50?100倍的2G/3G/4G的接入數。一個扇區能夠支持10萬個連接，支持延時不敏感業務、設備成本低、設備功耗低等優勢。如目前運營商給家庭中每個路由器僅開放8-16個接入口，一個家庭中通常有多筆記本、手機、聯網電器等，未來實現全屋智能、安裝有上百種傳感器的智能設備都聯網就需要新的技術方案，NB-IoT多連接可以輕松解決未來智慧家庭中大量設備聯網需求。

2）廣覆蓋

NB-IoT比LTE提升20dB增益的室內覆蓋能力，相當于提升了100倍覆蓋區域能力。如可以滿足農村的廣覆蓋、地下車庫、廠區、井蓋等深度覆蓋需求。如井蓋監測,GPRS的方式需要伸出一根天線，來往車輛極易損壞，采用NB-IoT可以輕松解決這個問題。

3）低功耗

物聯網得以廣泛應用的一項重要指標是低功耗，尤其是一些如安置于高山荒野偏遠地區等場合中的各類傳感監測設備，經常更換電池或充電是不現實的，不更換電池的情況下工作幾年是最基本的需求。NB-IoT聚焦小數據量、小速率的應用，因此NB-IoT設備功耗小，設備續航時間可達到幾年。

4)低成本

NB-IoT利用運營商已有的網絡無須重新建網，射頻和天線基本上都是復用，如運營商現有頻帶中空出一部分2G頻段，就可以直接進行LTE和NB-IoT的同時部署。NB-IoT模組目前看仍然有點昂貴，另外物聯網的很多場景無須更換NB-IoT,僅需近場通信或者通過有線方式便可完成。

NB-IoT±行采用SC-FDMA,下行采用OFDMA,支持半雙工，具有單獨的同步信號。其設備消耗的能量與數據量或速率有關，單位時間內發出數據包的大小決定了功耗的大小。NB-IoT可以讓設備時時在線，通過減少不必要的信令達到省電目的。

2.NB-IoT的網絡結構

1)核心網

蜂窩物聯網(CIoT)在EPS(EvolvedPacketSystem)演進分組系統定義了兩種優化方案：CIoTEPS用戶面功能優化(User Plane CIoTEP Soptimisation)；CIoTEPS控制面功能優化(Contro lPlane CIoTEP Soptimisation),旨在將物聯網數據發送給應用，如圖3-17所75。

圖3-17NB-IoT核心網結構

圖3-17中，CIoTEPS控制面功能優化方案用實線表示,CIoTEPS用戶面功能優化方案用虛線表示。對于CIoTEPS控制面功能優化，上行數據從eNB(CIoTRAN)傳送至MME,可以通過SGW傳送到PGW再傳送到應用服務器，或者通過SCEF(ServiceCapabilityExposureFunction)連接到應用服務器(CIoTServices)，后者僅支持非IP數據傳送。下行數據傳送路徑也有對應的兩條。此方案數據包直接用信令去發送，不需建立數據鏈接，因此適合非頻發的小數據包傳送。SCEF是用于在控制面上傳送非IP數據包，專為NB-IoT設計引入的，同時也為鑒權等網絡服務提供了一個抽象的接口。對于CIoTEPS用戶面功能優化，物聯網數據傳送方式和傳統數據流量一樣，在無線承載鏈路上發送數據，由SGW傳送到PGW再到應用服務器。這種方案在建立連接時會產生額外的開銷，但數據包序列傳送更快，也支持IP數據和非IP數據傳送。

2)接入網

如圖3-18所示,NB-IoT的接入網構架與LTE—樣。

eNB通過S1接口連接到MME/S-GW，接口上傳送的是NB-IoT數據和消息。NB-IoT沒有定義切換，但在兩個eNB之間依然有X2接口，X2接口使能UE在進入空閑狀態后，快速啟動resume流程，接入到其他eNB。

3.工作頻段

全球大多數運營商部署NB-IoT使用的是900MHzg頻段，也有些運營商用的是在800MHz頻段內。如表3-5所示，中國聯通的NB-IoT部署在900MHz、1800MHz頻段。中國移動為建設NB-IoT物聯網，將會獲得FDD牌照，并允許重耕現有的900MHz、1800MHz這兩個頻段。中國電信的NB-IoT部署在800MHz頻段，頻寬只有15MHz。

表3-5 NB-IoT部署頻段

運營商	上行頻率/MHz	下行頻率/MHz	頻寬/MHz
中國聯通	900?915	945?960	6
	1745?1765	1840?1860	20
中國移動	890?900	934?.944	10
	1725?1735	1820?1830	10
中國電信	825?840	870?885	15
中廣移動	700	一	一

4.部署方式

NB-IoT占用180kHz帶寬，與在LTE幀結構中一個資源塊的帶寬相同。如圖3-19所示，有三種部署方式。

1)獨立部署(Standaloneoperation)

適用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200kHz,正好為NB-IoT開辟出兩邊還有10kHz的保護間隔180kHz帶寬的空間。

2)保護帶部署(Guardbandoperation)

利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180kHz帶寬的資源塊。

3)帶內部署(In-bandoperation)

利用LTE載波中間的任何資源塊。

NB-IoT適合運營商部署，為物聯網時代帶來大數量連接、低功耗、廣覆蓋的網絡解決方案。在2016年中國聯通在7個城市（北京、上海、福州、長沙、廣州、深圳、銀川）啟動基于900MHz.1800MHz的NB-IoT外場規模組網試驗，以及6個以上業務應用示范。2018年開始全面推進國家范圍內的NB-IoT商用部署。中國移動于2017年開啟NB-IoT商用化進程。中國電信于2017年部署NB-IoT網絡。

在物聯網網絡傳輸層的安全防護機制方面也有一系列的解決方案和措施。

首先針對非法截收以及非法訪問的攻擊，可以采取數據加密的方式解決。在物聯網中一般采用信息變換規則將明文信息轉換成密文信息的方式進行數據加密，即使攻擊者非法獲得數據信息，不了解信息變換規則，這些數據也會變得毫無意義，達不到攻擊目的。

針對假冒用戶身份的攻擊可以通過鑒別的方法解決，通過某種方式使使用者證實自己確是用戶自身，來避免冒充和非法訪問的安全隱患。鑒別的方法有很多，常的是消息鑒別，消息鑒別主要是驗證消息的來源是否真實，可以有效防止非法冒充；另外，消息鑒別也檢驗數據的完整性，有效地抵制消息被修改、插入、刪除等攻擊行為。數字簽名也是一種鑒別方法，采用數據交換協議，達到解決偽造、冒充、篡改等問題的目的。

防火墻是最常見的應用型安全技術，它通過監測網絡之間的信息交互和訪問行為來判定網絡是否受到攻擊，一旦發現疑似攻擊行為，防火墻就會禁止其訪問行為，并向用戶發送警告。防火墻通過監測進出網絡的數據.對網絡進行了有效、安全的管理。

非法訪問是一種非常常見的攻擊類型，訪問控制機制是一種確保各種數據不被非法訪問的安全防護措施，常用的訪問機制是基于角色的訪問控制機制，這種訪問機制一旦被使用，可訪問的資源十分有限。基于屬性的訪問控制機制是由主體、資源、環境等屬性共同協商生成的訪問決策，訪問者發送的訪問請求需要訪問決策來決定是否同意訪問，是基于屬性的訪問機制。這種訪問機制對較少的屬性來說，加密解密效率極高，但密文長度隨著屬性的增多而加長，其加密解密的效率也降低。

審核編輯：湯梓紅