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NB-IoT是什么 从概念到技术应用深度解析

时间：2018-06-26来源：本站原创

  NB-IoT究竟是什么？

  物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：一类是Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术;另一类是LPWAN(low-powerWide-AreaNetwork，低功耗广域网)，即广域网通信技术。LPWA又可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。

  NB-IoT是指窄带物联网(NarrowBand-InternetofThings)技术。NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市�。且恢挚稍谌蚍段诠惴河τ玫男滦思际�。NB-IOT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。

  NB-IoT是新兴的物联网技术，因为低功耗、连接稳定、成本低、架构优化出色等特点而备受关注，华为作为国内研发NB-IoT技术的领军企业，也颇受科技界关注。

  NB-IOT开发流程

  NB-IoT芯片模组开发流程图示如下：


  NB-IOT增强技术

  为了满足更多的应用场景和市场需求，3GPP在Re-14中对NB-IoT进行了一系列增强技术并于2017年6月完成了核心规范。

  增强技术增加了定位和多播功能，提供更高的数据速率，在非锚点载波上进行寻呼和随机接入，增强连接态的移动性，支持更低UE功率等级。

  具体如下：

  1、定位功能

  定位服务是物联网诸多业务的基础需求，基于位置信息可以衍生出很多增值服务。NB-IoT增强引入了OTDOA和E-CID定位技术。终端可以向网络上报其支持的定位技术，包括基于OTDOA、A-GNSS、E-CID、WLAN和蓝牙等的定位技术，网络侧根据终端的能力和当下的无线环境，选择合适的定位技术。


  2、多播功能

  为了更有效地支持消息群发、软件升级等功能，NB-IoT增强引入了多播技术。多播技术基于LTE的SC-PTM，终端通过SC-MTCH接收群发的业务数据。

  3、数据速率提升

  Rel-14中引入了新的能力等级UECategoryNB2，CatNB2UE支持的最大传输块上下行都提高到2536比特，一个非锚点载波的上下行峰值速率可提高到140/125kbps。

  4、非锚点载波增强

  为了获得更好的负载均衡，Rel-14中增加了在非锚点载波上进行寻呼和随机接入的功能。这样网络可以更好地支持大连接，减少随机接入冲突概率。

  5、移动性增强

  Rel-14中NB-IoT控制面CIoTEPS优化方案引入了RRC连接重建和S1eNBRelocaTIonIndicaTIon流程。RRC连接重建时，原基站可以通过S1eNBRelocaTIonIndicaTIon流程把没有下发的NAS数据还给MME，MME再通过新基站下发给UE。用户面CIoTEPS优化方案在无线链路失败时，使用LTE原有切换流程中的数据前转功能。

  6、更低UE功率等级

  Rel-14在原有23/20dBm功率等级的基础上，引入了14dBm的UE功率等级。这样可以满足一些无需极端覆盖条件，但是需要小容量电池的应用场景。

  注：本节资料源于中国信息通信研究院CAI。

  NB-IOT产业链



  以基础设施层中的硬件为例：

  芯片处理企业有：

  1、英特尔

  简介：英特尔公司(IntelCorporation，NASDAQ：INTC、港交所：4335)，是世界上最大的半导体公司，也是第一家推出x86架构处理器的公司，总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。

  2、高通

  简介：高通(Qualcomm)是一家美国的无线电通信技术研发公司，成立于1985年7月，在以技术创新推动无线通讯向前发展方面扮演着重要的角色，以在CDMA技术方面处于领先地位而闻名，而LTE技术已成为世界上发展最快的无线技术。

  3、东芝

  简介：东芝(Toshiba)，是日本最大的半导体制造商，也是第二大综合电机制造商，隶属于三井集团。公司创立于1875年7月，原名东京芝浦电气株式会社，1939年由东京电气株式会社和芝浦制作所合并而成，业务领域包括数码产品、电子元器件、社会基础设备、家电等。

  4、TI

  简介：德州仪器(TexasInstruments)，简称TI，是全球领先的半导体公司，为现实世界的信号处理提供创新的数字信号处理(DSP)及模拟器件技术。除半导体业务外，还提供包括传感与控制、教育产品和数字光源处理解决方案。TI总部位于美国得克萨斯州的达拉斯，并在25多个国家设有制造、设计或销售机构。

  5、Atmel

  简介：Atmel公司为全球性的业界领先企业，致力于设计和制造各类微控制器、电容式触摸解决方案、先进逻辑、混合信号、非易失性存储器和射频(RF)元件。凭借业界最广泛的知识产权(IP)技术组合之一，Atmel为电子行业提供针对工业、消费、安全、通信、计算和汽车市场的全面的系统解决方案。

  6、ARM

  简介：ARM公司是苹果、Acorn、VLSI、Technology等公司的合资企业。ARM(AdvancedRISCMachines)是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

  7、英伟达

  简介：NVIDIA(全称为NVIDIACorporation，NASDAQ：NVDA，官方中文名称英伟达)，创立于1993年1月，是一家以设计智核芯片组为主的无晶圆(Fabless)IC半导体公司。Nvidia是全球图形技术和数字媒体处理器行业领导厂商，NVIDIA的总部设在美国加利福尼亚州的圣克拉拉市。

  8、LG集团

  简介：韩国LG集团于1947年成立于韩国首尔，是领导世界产业发展的国际性企业集团，事业领域覆盖化学能源、电子电器、通讯与服务等领域。LG是乐喜金星的翻译LuckyGoldstars的首字母合称，同时亦涵盖了企业领域的各种不同品牌形象。

  9、西门子

  简介：德国西门子股份公司是全球电子电气工程领域的领先企业，创立于1847年，主要业务集中在工业、能源、医疗、基础设施与城市四大业务领域。

  10、恩智浦

  简介：恩智浦半导体(NXPSemiconductors)是全球前十大半导体公司，创立于2006年，先前由飞利浦于50多年前所创立，公司总部位于荷兰Eindhoven。2016年北京时间10月27日，被高通以约470亿美元的企业价值收购。

  11、芯科科技

  简介：SiliconLabs是由NavSooch、DaveWelland和JeffScott在1996年于美国德州奥斯汀(Austin,Texas)成立，专门开发世界级的混合信号器件。今天，公司已成为营运、销售和设计活动遍及世界各地资本额约5亿美元的上市跨国公司，并且在各种混合信号产品领域居于领先地位。

  12、InedaSystems

  简介：InedaSystems成立于2011年，是一家为智能手表等可穿戴设备设计低能耗芯片的技术公司。

  13、Movidius

  简介：Movidius成立于2006年，创始人是爱尔兰人肖恩·米切尔(SeanMitchell)和大卫·莫洛尼(DavidMoloney)。总部位于硅谷，在罗马尼亚、爱尔兰设有分支机构，是一家计算机视觉创业公司，2016年已被英特尔收购。

  传感器企业有：

  1、恩智浦

  简介：恩智浦半导体(NXPSemiconductors)是全球前十大半导体公司，创立于2006年，先前由飞利浦于50多年前所创立，公司总部位于荷兰Eindhoven。2016年北京时间10月27日，被高通以约470亿美元的企业价值收购。

  2、Atmel

  简介：Atmel公司为全球性的业界领先企业，致力于设计和制造各类微控制器、电容式触摸解决方案、先进逻辑、混合信号、非易失性存储器和射频(RF)元件。凭借业界最广泛的知识产权(IP)技术组合之一，Atmel为电子行业提供针对工业、消费、安全、通信、计算和汽车市场的全面的系统解决方案。

  3、TI

  简介：德州仪器(TexasInstruments)，简称TI，是全球领先的半导体公司，为现实世界的信号处理提供创新的数字信号处理(DSP)及模拟器件技术。除半导体业务外，还提供包括传感与控制、教育产品和数字光源处理解决方案。TI总部位于美国得克萨斯州的达拉斯，并在25多个国家设有制造、设计或销售机构。

  4、NationalInstruments公司

  简介：NI是一家美国的仪器公司。在进行测试、控制和嵌入式设计应用的过程中，全球工程师和科学家设计、原型、发布系统的方式因NI而改变。NI开放的图形化编程软件和�？榛布磕臧镏�25,000多家公司的客户简化开发、提高效率，并极大地缩短了上市时间。

  5、libelium

  简介：Libelium是西班牙知名物联网科技公司,座落于西班牙工业城市萨拉戈萨市。公司成立于2006年，经过十年的稳步发展已成为集科技研发，生产，销售于一体的专业物联网科技公司，并在国际上享有盛名。

  6、psikick

  简介：Psikick公司位于夏洛茨维尔，是一家致力于电池芯片研发的公司，其团队一直在研究名为亚阈值处理(subthresholdprocessing)的技术。经过多年的试验，Psikick团队得以设计出这样一种片上系统(SoC)，它拥有与市面上或实验室中同类片上系统相同或更强大的功能，但能耗却只有前者的百分之一甚或千分之一。

  7、Qualtre

  简介：Qualtré?成立于2008年，是全球领先的固态、硅MEMS运动传感器开发商，解决方案应用于各种市�。üひ担贫押推档�。Qualtré已经开发了下一代多轴体声波运动传感器(BAW)MEMS陀螺仪技术。

  8、美新

  简介：美新半导体有限公司是一家从事制造、研发和销售微电子机械集成(MEMS，IC)科技芯片的半电子机械集成(MEMS，IC)科技芯片的半导体企业导体企业。美新公司是全球首家将微机械系统(MEMS)和混合信号处理电路集成于单一芯片的惯性传感器公司。

  9、Valencell

  简介：Valencell是位于美国北卡莱罗纳州的一家心率传感器公司，是高性能生物识别数据传感器技术创新领导者，公司并不直接面向消费者销售产品，而是授权其PerformTek心率传感技术给各种类型的穿戴设备公司。

  10、petasense

  简介：Petasense是一家位于美国硅谷的工业物联网公司。

  11、xerafy

  简介：xerafy是全球领先的工业RFID金属标签供应商。

  12、mcube

  简介：mcube是一家MEMS运动传感器的供应商。

  13、moog

  简介：穆格MOOG公司是全球设计，制造和精密运动控制产品和系统集成商。穆格的高性能系统的控制军用和商用飞机，卫星和航天器，运载火箭，导弹，工业机械，风能，海洋应用和医疗设备。

  14、ThingMagic

  简介：ThingMagic是全球知名的RFID设备制造商，成立于2000年，总部设在美国波士顿，5名公司创始人全部来自麻省理工学院。作为全球领先的超高频设备制造商，ThingMagic专注于读写器、传感器和嵌入式系统技术的研发和生产。

  15、SkyeTek

  简介：SkyeTek公司，这是一家位于美国科罗拉多州提供嵌入式和独立的超高频RFID解决方案的OEM设备供应商。

  充电设备企业有：


  配件企业有：


  NB-IOT典型应用

  NB-IoT在畜牧业中的应用


  畜牧业主要分为圈养和放养，中国的北部和西部边疆为主要放牧区，放养的优势在于牲畜肉质品质高、降低饲料成本等，但是随之而来的是在牲畜管理上的诸多不便。

  人工放牧是最原始和最直接的办法，但是人工放牧会有一些弊端：

  人工放养需要专人放养，浪费人力

  人工放养有安全隐患，有被野生动物袭击的危险

  人工放养不善于系统性管理

  NB-IoT技术的诞生，完美解决一系列困扰：


  NB-IoT能容纳通讯基站用户容量是GPRS的10倍，

  NB-IoT拥有超低功耗，正常通信和待机电流是mA和uA级别，�？榇奔淇沙ご锸辏映錾皆赘疃嘉扌韪坏绯兀跎俟と斯ぷ髁�。

  NB-IoT拥有更强、更广的信号覆盖，真正实现偏远地区数据正常传输。

  NB-IoT技术真正突破GPRS技术的瓶颈，此技术的应运而生，真正的实现了畜牧养殖者之所想，在庞大的畜牧业必定大放异彩。

  NB-IoT在远程抄表中的应用

  水气表和mk体育的生活息息相关，每家每户都会使用，最原始的方法是，人工上门抄表统计数据. 随着社会的发展，人工抄表衍生出各种弊端：效率低、人工成本高、记录数据易出错、业主对陌生人有戒备心理会无法进门、维护管理困难等。

  而NB-IoT技术的远程抄表则解决了这一问题;

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  NB-IoT远程抄表在继承了GPRS远程抄表功能的同时还拥有海量容量，相同基站通讯用户容量是GPRS远程抄表的10倍。

  更低功耗，在相同的使用环境条件下NB-IoT终端�？榈拇奔淇沙ご锸暌陨�

  新技术信号覆盖更强(可覆盖到室内与地下室)

  更低的�？槌杀荆て诘牡ジ隽幽？椴怀�1美元，以后还会更低.综上所诉，NB-IoT技术是新时代发展的产物，解决很多之前局限性的问题，未来的物联行业必将属于nb-iot，实现人人互联，万物互联。

  NB-IoT在井盖监控中的应用


  井盖被盗或者破坏不仅会直接造成公共财产的损失，而且还可能会对附近的行人和车辆造成不可挽回的人身伤害和经济损失。

  如何排除这些安全隐患成为当务之急，使用NB-IoT对井盖进行定位监测管理，可以及时掌握井盖的状态信息，并在井盖移动或者被破坏时利用NB-IoT网络向服务器发出警报通知管理人员，从而最大程度避的免伤害与损失。

  使用NB-IoT技术进行井盖监测的优势

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  不再需要人工巡查，数据全部自动传输到平台上，节省了大量人力资源。

  NB-IoT能容纳通讯基站用户容量是GPRS的10倍，可满足井盖数量庞大的需求。

  NB-IoT拥有超低功耗，正常通信和待机电流是mA和uA级别，�？榇奔淇沙ご锸辏蟪潭鹊募蚧司羌嗖庠诤笃诘奈�。

  NB-IoT拥有更强、更广的信号可覆盖至室内和地下室，真正在井盖监测中实现全面覆盖。

  NB-IoT技术突破GPRS技术的瓶颈，将来必定在无线通信行业中大放异彩。

  NB-IoT在智能家居中的应用(智能锁)


  为了提升安全性则需要，智能锁拥有内置电池，采集各项基本数据，将数据传输到服务器，采集到异常数据自动向用户发出警报。

  由于在智能锁安装后不易拆卸，所以要求智能锁电池使用寿命长;门的位置处于封闭的楼道中，则需要更强的信号覆盖以确保网络数据实时传输;智能家居终端数量多，必须保证足够的连接数量;最重要的是在加入以上功能后，还能保证设备成本控制在可接受范围下。

  使用NB-IoT技术应用于智能家居系统


  NB-IoT拥有低功耗的特点，仅使用两节AA电池可待机十年，大大减少后期维护成本，

  超强信号覆盖，可覆盖室内和地下室，保证了信号稳定性。

  海量的连接，满足智能家居多个终端同时连接。

  低成本，单个NB-IoT芯片价格低于1美金。

  NB-IoT用于路灯监控


  NB-IoT路灯智能管理系统监控中心是整个路灯监控系统操作、维护、处理、统计、分析和监管的中心。

  监控中心集中数据管理和监控，实现目标锁定、快速查找等操作，支持中心监控分级管理，可设立多个分控中心，网络可分区分片管理，组建大型路灯控制系统; 自定义控制策略，分时间段控制道路两侧路灯全亮、全关、隔杆亮灯，系统能够根据当地情况灵活调整时间控制路灯，全亮、全关、隔杆亮灯;

  采用NB-IoT无线网络，实现远程分布式远程控制;

  路灯故障检测功能，主动上报故障路灯位置; 通信容量大，

  不会担心路灯过多过于密集导致个体无法通讯的情况。

  NB-IoT在消防系统中的应用(烟感器)


  烟雾传感器是消防系统的哨兵，可实时检测烟雾，传感器检测到烟雾浓度超标，会发送信息到后台服务器，并启动警铃，

  广播喇叭等相关设备，服务器会自动推送信息到相关人员及部门，实现消防安全智能化。

  在实际应用中按照消防要求，烟感器的安装分布密集，不方便走线并且成本大。

  使用NB-IoT无线烟感器可避免走线困难的问题,大大节约了安装成本;

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  NB-IoT拥有海量的连接数，同时接入的烟感器可高达到十万个以上，可满足海量的烟感器同时接入;

  NB-IoT拥有超低功耗，在待机状态下可工作十年，极大程度的降低了安装后的维护成本;

  NB-IoT拥有超强信号覆盖，可覆盖至室内和地下室;

  NB-IoT超低成本，芯片估价格低至1美金。

  NB-IoT应用于资产定位追踪系统


  随着信息化和各种智能终端设备的深入发展，人员及资产定位的需求将持续升温。位置服务领域的应用也呈现出碎片化的特点，如：智慧园区的资产盘点，医疗废弃物跟踪处理，宠物的定位...


  如今市面上跟踪器在广域通信技术绝大部分基于GSM，功耗是个大问题。大芯片面积，高成本，相当低的覆盖等，这种技术恰巧和定位跟踪器需求相悖。而GSM的技术相当落后造成定位跟踪器的产品体验较差，而部分国家GSM已经退网或正在面临退网，从而造成这类产品和技术延续的短缺。

  NB-IoT技术的诞生以及其生来就有低功耗和深度覆盖属性正好弥补了传统通信技术的诸多不足，这对于定位资产追踪无论是在室内隐秘地段还是室外的区域的物件都可以产生连接。NB-IoT技术，其低功耗，广覆盖，低成本，小尺寸等特点使得其将成为资产追踪领域不可或缺的通信方式。

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