窄带物联网（NB-IoT）技术开发及应用研究
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[摘 要]全球社会经济的快速发展、城乡一體化战略的加快实施，带动能源与交通管理、防灾与环境监控、教育与医疗优化等方面的变革需求，因此，亟需通过以物联网、云计算、大数据为代表的新一代信息技术实现智慧城市的建设。NB-IoT技术的发展，物联网不同领域的应用如雨后春笋般迅速崛起，本文基于不同物联网业务对数据传输能力和实时性差异化要求的基础上，分析了NB-IoT国内外技术与产品的发展现状、垂直行业应用及发展的技术难点。
[关键词]NB-IoT;行业应用;技术难点
[中图分类号]F275 [文献标识码]A
NB-IoT作为飞速发展的物联网低速率传输核心技术，低频段、低功耗、低成本、高覆盖、高网络容量特点突出，单个NB-IoT基站较传统2G、蓝牙、WiFi等基站可多提供50-100倍的接入终端，一个扇区可以支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构，单节电池寿命可以连接物联网设备十年以上，为智慧城市的普及发展、物联网接入设备的远程监控提供有力的技术支撑，减少人力设备更换维护成本，解决了基于传统通信技术的设备能耗问题。
1 国内外NB-IoT技术与产品发展现状分析
1.1 国外NB-IoT技术与产品发展现状
目前，全球以德国电信、西班牙、意大利、比利时、韩国、日本等为代表的21家运营商已经深化推进NB-IoT的商用部署。德国电信基于NB-IoT的商用部署基础上，着力进一步开发NB-IoT生态系统，建设了NB-IoT原型中心，细化了NB-IoT接入以及物体云两种收入运营模式，并加速在欧洲市场的快速扩张和布局。韩国移动运营商KT斥资1500亿元投资NB-IoT网络建设。英国跨国电信龙头Vodafone已在西班牙主要城市开始利用NB-IoT技术布建通讯范围可覆盖整座城市的物联网商用网络，成功实现商用测试，并在智慧电表的应用、瓦斯表、水表、防灾烟雾与火灾警报器和地下停车监控等方面实现商用。高通、Nordic、Altair、Intel、SEQUANS、MARVELL等芯片厂商均已经完成NB-I0T芯片的研发，大部分已经成功通过测试并进行全面量产，其中，高通的MDM9206芯片可支持全球所有频段。
1.2 国内NB-IoT技术和产品发展现状
我国深度参与全球NB-IoT的标准制定工作，加速带动我国NB-IoT的发展并奠定了我国在全球NB-IoT技术引领的重要地位。通过运营商和芯片厂商合力共同推进，全国NB-IoT的部署和建设工作加速推进，与现有网络基站复用以降低部署成本、实现平滑升级，基本已经实现全覆盖。在NB-IoT技术部署方面，中国联通早在2016年就开始在北京、上海、广州、深圳、福州、长沙、银川等7个城市启动基于900MHz、1800MHz的NB-IoT外场规模组网试验及6个以上应用示范;中国电信启动NB-IoT企业标准，并在广东、江苏、浙江、上海、福建、四川和河南7省12个城市开展大规模外场测试;中国移动的子公司中移物联网公司针对NB-IoT的业务，提供了智能连接、智能模组、智能硬件、开放平台、解决方案五大业务，其中四川移动与摩拜单车、华为达成着力搭建NB-IoT物联网技术的共享单车平台。华为与中国移动、阿联酋电信、LG Uplus、上海联通、意大利电信和沃达在全球成立了六个NB-IoT开放实验室，专注于NB-IoT的联合创新、产业发展、集成验证。在芯片方面，华为、锐迪科、中兴微电子的NB-IoT的芯片均已经完成设计并量产。在行业应用方面，中兴联合中国电信，在河北雄安新区部署了智慧停车、智慧井盖、智慧路灯等NB-IoT端到端解决方案;信通院联合中移、华为、浪潮等知名企业，在鹰潭部署了基于NB-IoT技术的智慧停车、智能烟感报警、智能抄表等应用;福建三大运营商合力，部署了智能水表等应用。
2 NB-IoT垂直行业应用需求分析
基于NB-IoT技术广覆盖、连接多、低成本、低功耗的特性，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，由于对于移动性支持能力较差，较适合静态业务场景，对时延低敏感或非连续移动、实时传输数据的业务场景，并适合在以下几项业务类型提供技术支持：一是以年、月、周、天、小时为单位，上行数据极小数据量需求的自主异常报告和自主周期报告业务类型，如烟雾报警探测器、智能公用事业测量报告、智能农业、智能环境等;二是以天、小时为单位，下行极小数据量需求的网络指令业务类型，如开启/关闭、设备触发发送上行报告、请求抄表等;三是以周、天、小时为单位，上行下行较大数据量需求的软件更新业务类型，如软件补丁/更新等。实现NB-IoT芯片、模组、系统、平台等关键技术的攻关和不断优化，是增强NB-IoT行业应用的适用性的必要条件。
2.1 智能水表需求分析
智能水表可实现集中抄读、远程抄读和实时抄读，可针对表具的运行状况精准计量、实行水质与水压异常报警监控、提供智能收费等管理和服务，便于水务公司的数据分析、用水管理、降低供水企业的产销差，解决了机械水表人工抄读效率低、抄录数据误差大、自来水公司长期垫资运营等状况，NB-IoT智慧水表的应用，解决用户组网问题与终端水表的最后一公里问题，全面实现水表端与云平台处理端的有效融合，有效提升监控效率、降低电池更换与维护等管理成本，智能水表的广泛应用将成为行业发展的必然趋势。目前普通机械水表单价约50元，智能水表合8年的通信流量费约300元，电池寿命2年。NB-IoT技术的商用化，基于模块价格、流量价格的优势，预计单价为200元，电池寿命10-15年，较传统智能水表成本优势明显。
2.2 智慧照明需求分析
NB-IoT智慧照明是以NB-IoT新一代通信技术为支撑，实现整个城市一张网，对城市道路每盏灯实现全面的感知、智能的控制、广泛的交互和深度的融合，具有根据车流量/人流量自动调节亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗、远程抄表等功能，电能节约率可达30%～60%，有效节省维护成本。据估计，未来三年全球智慧路灯市场规模将超过60亿美元，其中中国受益城镇化及智慧城市等政策红利，预计市场规模将超过100亿元。 2.3 智慧农业需求分析
NB-IoT技术的深入应用，可以把农业生产的相关环节与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，大量、实时、精确地采集温度、湿度、光照、土壤酸碱度等环境信息，并将数据进行汇集分析，帮助生产有针对性地开展农业生产，并为今后农产品的电子商务、质量安全追溯、配方施肥等建设奠定基础，加快智慧农业的转型升级。据预测，到2020年，智慧农业需求为150亿元。
2.4 智慧物流需求分析
NB-IoT传感器在货运、商品上的应用，能够基于物流管控平台获取的物流车辆、货物、人员、节点、路线等数据，快速提供智慧物流相关业务，协助物流从业公司或人员、货主、收货人、政府监管部门及社会公众，解决物流行业“车、人、货、节点、路线”五位一体的实物流和信息流高效管理問题。NB-IoT技术的应用，使智慧物流产生了物流跟踪物流网云的新业态构成了全新的基于物联网的连接人、物流中的货物、过程以及数据体系，让物流跟踪真正走入质量追溯全过程。近年来，物流数据、物流云、物流技术服务的市场规模超过了2000亿元，预计到2020年，中国智慧物流服务的市场规模将超过5000亿元。
3 NB-IoT行业应用及技术难点分析
一是多模、多频段、微型化NB-IoT芯片设计;二是恶劣的环境下超长续航安全供电终端解决方案研究;三是NB-IoT测试系统的研究和平台的搭建;四是NB-I0T技术行业应用平台的搭建和应用模式的普及推广;五是运营商携号转网（eSIM）和软SIM的应用方案研究。
4 结语
NB-IoT的普及化应用，能够解决物联网功耗等关键问题，助推以物联网为基础实现设备与设备之间的有效互联，将能够有力推动城市规划、建设、管理和服务新理念、新模式的变革，也是加强区域发展的核心竞争力的必要手段。
[参考文献]
[1] 王钢飞，康琳.窄带物联网技术及应用[J].广东通信技术，2018（05）.
[2] 童桦.窄带物联网（NB-I0T）商业应用探索[J].信息通信，2017（03）.
[3] 曹煦.窄带物联网商用元年三大运营商争先布局[J].中国经济周刊，2017（19）.
[收稿日期]2018-12-07
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