NB-IoT技术的应用和详细说明

NB-IoT（窄带低功耗物联网）NB‑IoT适用于传统通讯技术难以穿透的场所、长期需要少量数据进行传输的设备。
NB-IoT 是一种新的窄带蜂窝通信LPWAN技术，也称窄带物联网，专业术语名称LTE Cat NB1，是一种可以在任何地方以虚拟方式运行的低功耗广域网技术。它可以将设备简单而又高效地连接到覆盖的移动网络上，安全可靠地处理少量偶发的双向数据。2015年9月份，全球通信业对共同形成一个低功耗、广域覆盖(LPWAN)的物联网标准达成共识， NB-IoT标准应运而生。而2016年，随着NB-IoT完成测试，正式进入商用阶段，业界对于它的关注度和讨论也是逐渐升温。今天我们就详细聊一聊关于NB-IoT那点事儿。
1、NB-IoT典型应用场景



智能水电气热计量
NB‑IoT非常适合通过常规小型数据传输来监测气表和水表。网络覆盖是智能计量测量发布动态部署中的一大关键问题。仪表很容易出现在难以触及的位置，如地下室、地下深处或偏远的农村地区。NB‑IoT具有良好的覆盖性和渗透率，可以用来化解来解决这个问题。智能水电气热计量通过蜂窝网络远程采集电力，水，热量和燃气表数据，从而节省人力。由于广阔的应用市场所带来的推动，许多世界优秀的运营商对该场景非常感兴趣。智能计量将有助于减少手动抄表所产生的成本。
电力抄表
电力抄表的场景分为用户侧通信和配网通信系统。电力负荷监控系统频段采用230MHz+1.8GHz的TD-LTE专网。
用户电表的远程抄表采用过很多技术，包括GPRS、3G、LTE、PLC、Zigbee、433MHz等等，抄表频率的目标是15分钟一次采集和上传，每天96个点，以便实现电网的在线监测控制。中国等居住集中的地方主要是采用集中式抄表，主要有电力光纤集抄和GPRS集抄(占比超过50%)，欧美等居住分散的地方主要采用独立抄表。由于电力抄表供电不是问题，数据量相对较大，目前尚未体会到电力抄表利用NB-IoT的迫切需求
自来水抄
预计2016 年全球智能水表安装数将上升到3250万只，占全部水表的比例将超过30%。目前，中国智能水表安装比例仅为15%，预计从2016年起年均复合增长率超过30%。水表的增量市场大多采用M-Bus总线通信。水表的存量市场是无线水表的机会。无线水表的施工简单，因功耗、信号覆盖和电池寿命的问题，迫切需要NB-IoT技术来解决现实的问题。
燃气抄表
燃气表对安全性要求较高，需要测试时间1-2年。现阶段，燃气表计开始大量使用GPRS通信，一周抄一次，一年资费约6元人民币。目前，自动抄表成本高于人工成本，但燃气面临阶梯定价的问题。因功耗、信号覆盖和电池寿命的问题，迫切需要NB-IoT技术来解决现实的问题，但前提是解决安全性测试问题。

 

智能自行车
对于共享单车公司，至关重要的是能够监控自行车的位置，特别是一旦自行车被偷，这样的功能就更加至关重要。自行车租赁公司将M2M SIM卡嵌入到自行车中，这样自行车租赁公司就可以方便的找到自行车。 M2M SIM在隐蔽的嵌入到自行车中。如果自行车不返回租赁公司，则可以定位自行车进行寻找。警方通过SIM卡可以方便快捷地找到被盗的自行车，由于自行车被盗的数量降低，自行车的租赁成本可以大幅度减少。
人口跟踪
独居在家的老人或者小孩是弱势群体，往往需要能够及时得到帮助。借助智能穿戴设备，可以对孩子和老年人的实时跟踪，可以确保他们的安全和健康。用户可以在在智能手机或其他设备上接收有关其状态的实时检测。同样，该跟踪的方法也可以用在宠物跟踪跟上，避免用户经常面临关于丢失或被盗宠物的问题。
智能物流 
目前集装箱或物流车上安装了大量传感器，以保证能够实时地跟踪货物的位置和状态。当货物位置或者状态发生了变化，能够及时通知或者向管理人员告警，以便他们实时获取状态，并能够提供信息供下一步工作参考。高值物品跟踪通常采用M2M+GNSS的模式，主要用于集装箱锁、钱箱、疫苗箱等领域。为了保证1~3个月的工作时间，需要很大的电池供电。NB-IoT技术可解决低功耗问题，但需要建立在网络覆盖到位，并且全球漫游接入。
资产跟踪
资产跟踪主要通过监听资产上模块的位置信息广播完成。资产通常使用GPS技术跟踪。这种服务适合在大型工业资产和运输管理行业中使用，通过在资产中的跟踪模块，依靠信息采集的传感器，可以收集和管理与资产的当前地理位置等相关数据。资产跟踪有助于资产所有者跟踪资产并对突发事件做出及时的反应
智慧工农业
IOT产业主要提供低功率广域应用，有助于提高一般企业和工业效率，农业产业是一个利润微薄的行业，在这样利润微薄行业的持续生存要优化包括农业和畜牧业在内的一般农业生产方式。例如：开发传感器以确保牛的喂养有较为合理的营养搭配，在提高产量的同事，减少牛饲料的浪费。在饲料喂养设备中安装传感器，通过传感器的测量数据，可以快速识别，评估和校正牛饲料的变化
农业物联网通常采用M2M、Zigbee、433MHz、WiFi、有线等方式，主要问题集中在网络覆盖、供电和成本方面。

NB-IoT技术和传感器结合，全密封外壳，低成本、散布在田野、水下、山林，只要网络覆盖到位，可辅助农业生产上升一个大台阶。对于城郊和一些覆盖到位的区域， NB-IoT可大大提升水产养殖、大棚、花卉等高附加值的农业生产流通领域。

通常智能家庭应用部署在诸如Z-Wave，Zigbee的短距离技术上，但是这些通信技术需要家庭网关。如果设备嵌入有NB-IOT芯片组，将会有惊人的收益。例如，通过大数据分析的改进，管理变得更有效率。 IOT设备主要包括LPWA应用程序，旨在通过在本地区域中发现的传感器和设备为用户提供智能。
智能电梯
电梯的控制箱大多是在楼顶，通过接入CAN总线来获取数据。有采用GPRS单独通信的模式，也有采用Zigbee+GPRS的组网模式。因电梯的独立性和高值特性， NB-IoT的网络覆盖优势，可方便管理固定资产。
智能制造
目前很多大型厂区的无线信号覆盖很差，有线通信方式实施困难或成本太高，要实现智能制造的目标，必须保证关键设备和仪器仪表等进行物联网通信。NB-IoT的网络覆盖能力，配合厂区的光纤网络、宽带网络等，打造一套简单行之有效的全网覆盖能力，这是实现智能制造的基础。
智能消防

 

目前，水务公司为了让消防栓的浪费率从30%降低到10%，在消防栓的大栓盖增加GPRS通信功能，便于对消防栓的偷漏水进行平台化管理。因功耗、信号覆盖和电池寿命的问题，迫切需要NB-IoT技术来解决现实的问题。
智能家居
智能家居的不温不火主要是因为家庭网络覆盖问题，必须通过网关，加上品牌因素、客服因素、工程因素等导致尚未火爆便进入偃旗息鼓阶段。NB-IoT技术可摆脱家庭网关的依赖，独立终端加上城市网络覆盖到位，会衍生出较好的智能家居产业。比较适合白色家电厂家对自身产品的全生命周期管理。

可穿戴设备
过去几年中，可穿戴设备围绕健康，健身等应用已成为大众的焦点，并逐渐成为一个可创造巨大盈利的行业。根据思科估计，到2018年将有177M可穿戴连接设备。在2015年，估计其市场价值为2.5亿美元，并将在2022年上升到16亿美元。Berg Insight发布的报告还估计，全球连接的可穿戴设备在2014年为1900万，到2019年这一数字将达到1.682亿，年增长率为74.8％。JawBone，GoPro和耐克已经在这个行业开始进军。而像苹果，索尼和三星这样的智能手机巨头则更多地与智能手表相关联。
独立可穿戴设备迫切需要NB-IoT技术，尤其是长期的慢病监测、老人小孩和宠物的跟踪管理，因其不依赖智能手机，可以几年不用充电，可以不丢失数据，可以做到易抛型，可以解决目前依赖WiFi、蓝牙通信手段的多种弊端。
智能建筑
智能建筑的能耗分项计量、环境监测、大型固定资产管理等，比较适合NB-IoT技术。各种表计、空调、灯光、报警、温湿度、环境参数、地下空间、管道管廊等等， NB-IoT可简化现有体系的复杂度。
报警和事件检测器
安全一直是人类生活的一个非常重要的方面，人们总是希望保证家庭安全。警报和事件检测将有助于将检测到的入侵快速通知到用户。该系统不仅能提供智能保护，防止入侵，还能为检测到的事件提供智能判断，如家庭温度或烟雾突然增加可能导致火灾爆发等。报警和事件检测将利用室内部署的设备传感器，不断地与网络进行通信，这样的使用场景非常合适使用NB-IoT这样的低带宽低功耗的应用场景。家用报警探测器通常采用9V电池供电，多数属于本地报警。联网式报警很难普及的因素是供电以及安装位置。NB-IoT技术可保证设备超过5年的工作时间，并可提醒传感器失效或者电池缺电，为家庭、社区、出租户等提供安全放心的便捷手段。
智能垃圾桶
城市中的垃圾桶并不是按需求分布的，而且垃圾收集车是按照固定的路线完成垃圾收集的，这并不是最佳的收集顺序。智能垃圾桶可以向环卫管理中心发送信号，当**可以满载并且需要服务时，会将这个信息发送给垃圾车，并规划最佳的收集路线。收集的历史数据可以为整个城市提供优化的垃圾桶分布建议，并优化垃圾车收集路线。
垃圾桶具有数量多、分布广、环境差、分类实施难等特点。浙江在试点智能垃圾桶的应用，新加坡和欧洲一些城市采用NB-IoT技术部署垃圾桶。大多数的出发点是监测垃圾桶的满箱，辅助指导垃圾车的行驶路线，以节省司机数量和车辆油耗。
目前来看，国外部分国家因为路线较长、人力较贵等因素，通过NB-IoT来实现垃圾桶的自动化管理。但国内较难实施。 智能停车场 停车是一个具有挑战性的问题，特别是在城市地区，30％的交通拥堵是由司机为了找到一个停车位而造成。智能停车为司机提供实时停车信息，司机可以通过应用软件找到最合适的停车位，并可以提供到该停车位的导航，在导航的途中，还可以通过应用进行预约，提高停车效率。
场库停车已经有很多技术手段的落地应用，各有特色，目前的难题是通信网络覆盖问题。 占道停车方便了车主停车，但不利于道路通行，超大城市的占道停车位置呈现减少的趋势。占道停车通常是采用人工收费、POS机收费、地磁车检器辅助收费等方式。NB-IoT技术用于车检器，可以几年不用更换电池、网络覆盖到位、节省人工成本、减少道路拥堵、培养良好的停车习惯等。
智能路灯
智慧路灯属于市政工程，供电不是问题，主要是资费。目前主要是路段管理。也有单灯管理，采用PLC+GPRS方式通信，因网关固定位置，对信号覆盖要求高。综合性的智慧路灯，因需要WiFi覆盖，采用LTE通信。 NB-IoT的网络覆盖优势加上资费的优势，可渗透到单灯管理的系统中。
个人设备
IOT个人在很大程度上特征在于为用户的信息交换目的创建个人区域网络的LPWA应用程序。

2、NB-IoT应用的部署成本

NB-IoT垂直应用领域的部署成本包含硬件成本、网络成本、安装成本、服务成本。若想实现应用领域的规模化，必须降低部署成本。
3、应用NB-IoT的优势
NB-IoT技术可满足对低功耗、长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务，更适合静态业务、对时延低敏感、非连续移动、实时传输数据的业务场景。
自主异常报告业务类型：如烟雾报警探测器、设备工作异常等，上行极小数据量(十字节量级)，周期多以年、月为单位。 自主周期报告业务类型：如公共事业的远程抄表、环境监测等，上行较小数据量(百字节量级)，周期多以天、小时为单位。
远程控制指令业务类型：如设备远程开启/关闭、设备触发发送上行报告，下行极小数据量(十字节量级)，周期多以天、小时为单位。 软件远程更新业务类型：如软件补丁/更新，上行下行较大数据量需求(千字节量级)，周期多以天、小时为单位。
4、NB-IoT的芯片厂家
华为海思、Qualcomm、Intel、RDA、简约纳、MTK、TI、SEQUANS、MARVELL、NODRIC、中兴微等。
NB-IoT芯片商主要来自GSM/LTE Modem公司，也有类似WiFi/BT的MCU公司。未来，更多的NB-IoT芯片厂商会介入，预计在2017年Q3进入价格竞争状态。 
5、NB-IoT的产品需要哪些认证?
需要各个国家规定的入网许可证。SIM卡与IMEI号码需要绑定。
6、中国的NB-IoT产业落地已经处于世界先列
未来三年全球M2M物联网连接数高速增长，中国物联网连接数将保持全球第一，极大促进国内物联网上层应用蓬勃发展。截止到2015年年底，中国的物联网M2M连接数已经达到了7400万，占到全球物联网M2M连接数的23%，全球第一，远超美国和欧洲国家。中国人口基数大，对智能制造、智慧物流、智能交通等方面的需求不断增加，未来中国物联网上层应用需求也将持续蓬勃发展，创造巨大的商业价值。
7、中国的NB-IoT产业能否摆脱国外体系的依赖性?
未来LTE从高速和低速两个方向上向5G演进，满足物联网应用的多样化需求，促进行业上层应用蓬勃发展。NB-IoT在物联网低速、低成本领域提供通信支持，满足不同细分市场的需求。
在无人驾驶、VR、远程手术等复杂应用方面对传输带宽要求高、传输数据量极大并且要求超低时延的应用场景，对网络技术提出了新需求，只有到5G规模化部署才能实现这些物联网复杂应用场景。
物联网产业的发展趋向于扁平化，中国的技术和市场将和全球产业链趋于同步，最终实现万物互联。
8、NB-IoT和其它低功耗广域网的技术及成本

9、NB-IoT标准是否会支持TDD LTE

目前，FDD LTE系统支持NB-IoT技术，目前TDD LTE系统不支持NB-IoT技术。
NB-IoT的物理层设计大部分沿用LTE系统技术，如上行采用SC-FDMA，下行采用OFDM。高层协议设计沿用LTE协议，针对其小数据包、低功耗和大连接特性进行功能增强。核心网部分基于S1接口连接，支持独立部署和升级部署两种方式。
10、NB-IoT支持基站定位
R13不支持基站定位，但运营商网络可以做私有方案，比如基于小区ID的定位，不会影响终端，只需要网络增加定位服务器以及与基站的联系即可。
R14计划做定位增强，支持E-CID、UTDOA或者OTDOA，运营商希望的定位精度目标是在50米以内。
如果从终端复杂度角度考虑，UTDOA更好，因为对终端几乎没有影响，并且在覆盖增强情况下(地下室164dB)，UTDOA(上行)功耗更低;如果大部分场景不需要覆盖增强，从网络容量角度来看，OTDOA(下行)会更好。
11、NB-IoT的部署方式
NB-IoT支持3种不同部署方式，分别是独立部署、保护带部署、带内部署。
独立部署：可以利用单独的频带，适合用于GSM频段的重耕。
保护带部署：可以利用LTE系统中边缘无用频带。
带内部署：可以利用LTE载波中间的任何资源块。
12、NB-IoT采用何种调制解调技术
下行采用OFDMA，子载波间隔15kHz。上行采用SC-FDMA，Single-tone：3.75kHz/15kHz，Multi-tone：15kHz。仅需支持半双工，具有单独的同步信号。终端支持对Single-tone和Multi-tone能力的指示。MAC/RLC/PDCP/RRC层处理基于已有的LTE流程和协议，物理层进行相关优化。
13、NB-IoT基站的连接态用户数和激活用户数
NB-IoT比2G/3G/4G有50~100倍的上行容量提升，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。200KHz频率下面，根据仿真测试数据，单个基站小区可支持5万个NB-IoT终端接入。
14、NB-IoT基站的覆盖范围
NB-IoT比LTE和GPRS基站提升了20dB的增益，期望能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方。根据仿真测试数据，在独立部署模式下，NB-IoT覆盖能力可达164dB，带内部署和保护带部署还有待仿真测试。
15、NB-IoT上下行传输速率
NB-IoT射频带宽为200kHz。下行速率：大于160kbps，小于250kbps。上行速率：大于160kbps，小于250kbps(Multi-tone)/200kbps(Single-tone)。
16、NB-IoT是否支持重传机制
NB-IoT为实现覆盖增强采用了重传(可达200次)和低阶调制等机制。
17、NB-IoT是否支持语音
NB-IoT在没有覆盖增强的情况下，支持的语音是Push to Talk。在20dB覆盖增强的场景，只能支持类似Voice Mail。NB-IoT不支持VoLTE，其对时延要求太高，高层协议栈需要QoS保障，会增加成本。
18、NB-IoT芯片为什么功耗低
设备消耗的能量与数据量或速率有关，单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。
NB-IoT引入了eDRX省电技术和PSM省电模式，进一步降低了功耗，延长了电池使用时间。NB-IoT可以让设备时时在线，但是通过减少不必要的信令和在PSM状态时不接受寻呼信息来达到省电目的。在PSM模式下，终端仍旧注册在网，但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。eDRX省电技术进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。
19、NB-IoT休眠唤醒模式是否影响电池寿命
目前NB-IoT给出的工作时间是基于仿真数据提供，未考虑电池本身因素和环境因素，比如电池的自放电和老化问题、高低温环境影响等。实际使用时需根据现实情况综合评估电池供电时间。NB-IoT采用休眠唤醒的省电方案，电池在睡眠期间被唤醒时会收到瞬时的强电流，这将极大影响电池寿命。
抄表类的应用通常采用锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池配合超级电容。消费类电子和其他应用通常采用聚合物锂电池来供电。
20、NB-IoT的芯片成本及资费

 

运营商资费：一种是按流量计费，一种是按消息计费，趋势将低于GPRS费用
芯片价格：低于2G主芯片，合理期望价$1
模块价格：低于GPRS模块价格，合理期望价$2
终端价格：依据实际功能定价
维护成本：远低于现有网络维护成本
补贴政策：前期运营商将提供较大的运营补贴
低速率、低功耗、低带宽带来的是低成本优势。
低速率：意味着不需要大缓存，所以可以缓存小、DSP配置低;
低功耗：意味着RF设计要求低，小的PA就能实现;
低带宽：意味着不需要复杂的均衡算法……
这些因素使得NB-IoT芯片可以做得很小，因此成本就会降低。以某家芯片为例，NB-IoT芯片集成了BB、AP、Flash和电池管理，并预留传感器集成功能。其中AP包含三个ARM-M0内核，每个M0内核分别负责应用、安全、通信功能，这样在方便进行功能管理的同时降低成本和功耗。
21、NB-IoT对设备移动速率的范围
NB-IoT是为适用于移动性支持不强的应用场景(如智能抄表、智能停车等)，同时简化终端的复杂度、降低终端功耗。NB-IoT不支持连接态的移动性管理，包括相关测量、测量报告、切换等。
22、NB-IoT的网络架构组成

建设基于NB-IoT技术的物联网垂直行业应用将于更加简单，分工更加明晰。

23、国内外运营商对NB-IoT的频段划分
全球大多数运营商使用900MHz频段来部署NB-IoT，有些运营商部署在800MHz频段。
中国联通的NB-IoT部署在900MHz、1800MHz频段，目前只有900MHz 可以试验。中国移动为了建设NB-IoT物联网，将会获得FDD牌照，并且允许重耕现有的900MHz、1800MHz频段。中国电信的NB-IoT部800MHz频段，频率只有5MHz