基于NB-IOT特点发展方向浅析

作者：河海大学 周子博

【摘要】近年来，随着NB-IOT设备研发与试点部署，物联设备急剧增多，窄带物联网发展迅速，本文首先介绍NB-IOT特点及其分析、协议架构的具体情况、NB-IOT与社会、医疗、环境、安全、法律在应用过程中遇到或可能遇到的问题探讨，最后就NB-IOT可持续发展做出介绍以及分享笔者对应用前景的展望与挑战。
【关键词】NB-IOT性能分析，智慧城市，智慧医疗，综合监控，安全
Abstract: Narrow band IOT is the first step to enter a fully connected era right now. Cellular networks are now serving 90% of the world’s population, it is estimated that the number of CIOT will reach 3 billion by 2020. It is high time to extend the cellular connection to everything to enable huge potential of IOT applications. NB-IOT is making such a strategy to a business reality. As the most desired technology in the IOT industry, NB-IOT boasts better security, deeper coverage, longer battery life and higher QOS(Quality of Service).
0.引言
窄带物联网是进入全面互联时代的第一步。蜂窝网络目前为全球90%的人口提供服务，预计到2020年，全球移动通信网络的数量将达到30亿。现在是时候将蜂窝网络扩展到所有领域，以实现物联网应用的巨大潜力。物联网正在把这样的战略变成商业现实。作为物联网行业最受欢迎的技术，物联网具有更好的安全性、更广的覆盖范围、更长的电池寿命和更高的服务质量(QoS)。

1.技术前沿简介：
1.1什么是NB-IOT（窄带物联网）
NB-IOT的全称是Narrow band internet of things。主要是指传输带宽在200KHZ和180KHZ的单一窄频（通常其网络带宽小于4M称为窄带），由3GPP制定的LPWAN无线电标准，NB-IOT可实现在2G、3G网络兼容和共站部署[1]。
1.2窄带物联网（NB-IOT）的技术特点
在5G刚刚开始发展的时代，物联网这个词汇也随之深入我们的生活，相比传统的GPRS技术，窄带物联网即NB-IOT成为了瞬时传输需求较小的应用提供了更好的选择。那么窄带物联网的特点是相比传统技术，有着更广的覆盖范围、更低的物料、安装及使用成本，更低的功耗以及更多用户的同时接入——大连接。
对于“广覆盖”特点而言：功率谱密度的增强使其适用于上行信号，时域重复对上下行信号均适用。例如：在一些地下室或者建筑构造复杂的区域，传统的网络可能在这些区域信号差，不能保证可靠的数据传输，NB-IOT就很好的解决了这个问题。
对于“低功耗”的特点而言，其设计思路聚焦于低速率、小数据、对时延不敏感的设备。这其中主要应用的有两种模式：PSM以及eDRX增强型非连续接受；对于前者而言，PSM模式更省电，这是由于其在不工作时即99%的时间内处于休眠状态；对于后者eDRX模式，其相比前者有更好的实时传输性，这是由于它有着更长时间的寻呼监听。这两种设备都是通过提升读休眠时间占比来减低长时间使用过程中的平均功率损耗。
对于“低成本”的特点而言：主要是采用单天线及半双工的方式，由于简化了电源管理和协议栈，故基带的复杂度相对较低，导致了上行峰均比低，功放率比较高。
而采用NB-IOT技术，可以在现有单元区域内用户量增加50—100倍，这是通过功率谱密度的提升、基站的优化、核心网的优化以及减少空口信令的开销所达到的，这即是NB-IOT的“大连接”特点。
1.3NB-IOT的体系结构
窄带物联网主要是由NB-IOT终端、无线接口协议栈、NB-IOT基站、IOT核心网IOT平台以及垂直行业应用服务器组成。
1.3.1NB-IOT终端
通过空口连接到基站。NB-IOT终端具有速度快、体积小、功耗低、适应恶略环境能力高的特点。因为NB-IOT终端的这些特点，使得它成为传输信息需求量低、体积相对较小的物联网设备的最佳选项，例如共享单车的工作状态及电子锁的改变，即由NB-IOT终端接收信号所决定。
1.3.2NB-IOT的无线接口协议栈
主要承担空口接入处理，小区管理等相关功能，通过S1-lite接口IOT核心网进行连接，将非接入数据转发给高层网元处理。
主要由控制面模式（必选项）和用户面模式（可选项）组成，即CP与UP。其中，CP模式是NB-IOT特有模式，CP只通过信令无线承载SRB传递数据，这将使传输效率大大提高。UP模式更适合传输大数据包。CP模式由NAS协议子层和PRC协议子层组成，且RRC_IDIE可以进行校区重选，但另一种工作方式PRC_Connected不能进行小区切换。
面向数据链路层的协议栈主要由MAC子层，RLC子层和PDCP子层构成。MAC子层：主要是将数据包提供给上层，完成数据传输和无线资源分配的任务。
RLC子层：主要是为数据提供分段服务与重传业务支持。
PDCP子层：发送、接收PDCP分组数据，实现IP包头的压缩和解压缩以及数 据和信令的加密
面向物理层主要由NPBCH(广播信道),NPDCCH（下行控制信道）,NPDSCH（下行共享信道）,NPUSCH（上行共享信道）,NPRACH（随机接入信道）组成
1.3.3NB-IOT核心网、平台、应用服务器
IOT核心网主要是承担同终端非接入子层的交互能力，并转发IOT业务相关的数据到物联网平台集中处理。这里需要指明的是，不仅可以与窄带（Narrow Band）独立组网，也可以与LTE（Long Term Evolution）共用核心网。
IOT平台：汇聚从各种接入网获得的IOT数据，并根据数据类型的不同转发到相应的业务服务器对相关数据 进行计算处理。
应用服务器：是IoT数据的最终汇聚点，根据客户与市场的不同需求进行数据处理等操作。

2.技术与社会的关系：
2.1NB-IOT与社会的关系
2.1.1智慧城市概述
通过窄带物联网的应用，可以极大地加快建造智慧城市的进程[2]。智慧城市是通过多种传感器感产生的数据与用户在网站浏览记录、搜索记录偏好，城市各个时段各个仪器或基建设备使用等大数据分析，从而更加高效的管理城市路灯照明系统、交通系统，电表水表信息记录等方方面面的城市基础设施；这可以大量节约我们城市的电力、人工等系统所消耗的资源。
就目前而言，我国的智慧城市建设，相对还处于初步的建设阶段，还未能全面、精准的管理及落实。自“十三五”以来，为提升市政管理效率，优化管理城市过程中所使用的工具，在城市面临危机加快响应速度，各级别政府在资金及政策上都注入了大量资源来建设物联城市。
物联城市在智能运输、智能建筑、数字化医疗、遥感监测、环境保护、消防、军事、煤炭、公共安全、工业自动化、移动pos、供应链、石化、气象、农业、电力、林业、水务、金融等方面都有诸多应用。具体的应用方式方向读者可以参考下图：

2.1.2智慧城市的应用实例
本节主要举例基于NB—IOT的智能照明系统与智能家居系统。2018年，在我国的山东省潍坊市，政府出资部署了智慧城市——智慧照明系统。该系统主要采用窄带物联网技术，远程控制照明系统的随时间及需求不同的亮度变化。在没有车辆与行人经过的非核心路段，将降低照明路灯的亮度；在有需求时，再提高亮度。同时结合供电系统与太阳能系统，减少对城市供电量的需求，同时这样的路灯也可以在相对恶略的环境条件下工作。
其次是智能家居系统，例如可根据业主的需求，方便业主在远程操控窗帘的打开或关闭，除此之外还有诸多智能家居可以通过NBIOT网络远程控制。再者，现市面上广泛使用的共享单车，绝大多数通过NBIOT服务，以实现更精准的定位于电子锁的开启关闭。
2.2 NB-IOT与健康的关系——基于NBIOT的智能医疗与穿戴设备
NB-IOT关于健康的服务主要应用于智慧医疗与智能穿戴设备上。现阶段，从病人发病抵达医院到完成各项检查、准备手术器械，术前诊断的过程中，此时间往往为抢救急诊病人的最佳抢救时间，为了缩短这一系列动作的时间，通过物联网医疗，可根据医嘱更快速的准备检查器械，后可通过检查数据的数据库查询，为医生快捷准备氧气导流设备、体征监测设备、呼吸机等关键抢救过程中所需设备；同时，可为每个相关医生配备快捷寻呼设备，以确保医生在更短的时间内完成疑难重病的术前会诊工作，减少错过的病患黄金手术时间。
除智慧医疗外，平时的体征监测可以通过更多智能穿戴设备来监控。一旦身体机能出现突变，可根据智能穿戴设备提供的数据，快速给予病患预警；同时，常日的心率、血压等常规检测也可以为我们提供更多的健康建议，监测我们睡眠时质量，以此使我们的身体长时间处于健康状态。
2.3NB-IOT与安全的关系
2.3.1基于NB-IOT的无线消防监测系统
对于城市日益的经济增长，离不开的是大量电器的使用，随着部分电器的老化，抑或部分在非合法吸烟场所的吸烟、化工场所等高危区域都有可能造成火灾，为了在火势不迅猛的初期，对火势有高效快速的管控，一个快速消防监测系统就成为了不可或缺的城市应急必备系统。那么基于NB-IOT的无线消防监测，可以更精准、快速的为消防员或者是经过消防安全训练的人员可以更好的通过此无线消防监测系统为避免造成更大的经济损失或人员伤亡而在前期为火势等其他紧急情况的恶势蔓延提供较大的抑制缓解。而NB-IOT设备的信号稳定，体积小，大连接都可以在我们日后的建筑中得以更大密度的部署，以此提高我们对于消防危险的预防能力。
2.3.2基于NB-IOT的远程门禁系统
城市中，由于人员流动的不稳定性，往往造成我们对于家庭财务、公司数据中心等安全要求较高区域的更大比例的资源投入，那么，杭州晟元数据安全技术股份有限公司的人员即为此设计了一种基于NB-IOT的远程可视门禁系统：“包括电子猫眼组件、智能锁组件、电源管理模块，电子猫眼组件、智能锁组件与电源管理模块连接，远程可视门禁系统还包括用于与用户远程交互通讯的NBIOT通讯模块，NBIOT通讯模块与电源管理模块连接;本实用新型采用NBIOT通讯模块作为主要的远距离通讯手段，并且将电子猫眼组件和智能锁组件、NBIOT通讯模块有机结合，整个产品在功能和续航能力上有巨大的提升;采用各个模块各自管理逻辑功能，则可以提高系统的灵活度，控制系统的维护、修理成本[4]。"
2.4NB-IOT与法律的关系
2.4.1我国在政策上对于NBIOT的态度
我国在《上海市推进信息化与工业化深度融合“十三五”发展规划》中提到十三五以网络互联为基础，通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析，实现智能控制、运营优化和生产组织方式变革，打造互联网和新一代信息技术与工业系统全方位深度融合所形成的产业和应用生态[4]。
夯实两化融合基础设施体系。推进传感器、过程控制芯片等的研发及应用，加快制造执行系统与产品全生命周期管理等工业软件的产业化。统筹全市工业互联网基础设施建设规划与布局，加快构建低时延、高可靠、广覆盖的工业互联网基础设施体系，推动NBIoT（窄带蜂窝物联网）的技术规范和标准化工作，开展骨干物联专网及运营平台建设，分类分级开展专网应用[5]。
由此可见，我国是施行一线城市先试点，在获得良好反响后全国推广的政策，从政策上来说我国对于NBIOT的发展起支持态度。
2.4.2关于NBIOT在具体应用中可能触及到的法律问题
在NBIOT的发展应用中，笔者认为极有可能会涉及触碰到伦理、法律相关问题。若因NBIOT的工作失误，对环境或人造成不可逆的损伤，此问题在法律上应该如何判定。笔者认为在发展的过程中，法律关于物联网设备工作失误所导致的问题判定将会逐渐完善，若因算法而导致的问题，由NBIOT设备终端开发公司负责；若因用户的不当使用、恶意使用所造成的法律问题，由NBIOT设备使用者（或所有者）承担相应的法律责任。
2.5 NB-IOT与文化的关系
笔者认为在NBIOT的具体应用中，例如在更多共享设备中配合NBIOT终端的使用过程中，就是宣扬了中国新四大发明—共享概念的宣传。除此之外，配合窄带物联网在国家应急广播控制中的使用，也加强了国家在公共服务系统应急处置中的预警、管控能力[6]。
3.技术与环境的关系：
关于NB-IOT技术与环境的问题，主要有以下两个角度：在使用NB-IOT设备后对环境监测及保护的能力是否有所增加以及NB-IOT设备本身的能量使用及损耗。
3.1.NB-IOT技术与环境
基于NB-IOT设备对环境的监测，分为两个方面：一是对于城市环境的监测，二是对于自然环境的监测。
3.1.1城市环境
对于城市环境而言，PM2.5值、城市中风力的大小、降雨降雪等数据量的测算可以为我们设计更好的工厂生产能力、风力发电、太阳能设备的安装位置、城市下水系统的按需设计都提供了更多的数据，从而使我们的城市基础建设的利用效率提高，且抗压能力增强提供了设计基础。
3.2.2 自然环境
对于自然环境的监测，工厂污水的排污对于地区江河等流域的污染情况如何降到最低甚至不影响，NB-IOT设备提供的数据，都可以帮助我们维护我们的“绿水青山”。除水质量监测以外，对于野生动物的数量测算，海域中可渔时期给予更精准的数据，这将为人类无限制的征用自然资源给予警示，也可帮助我们更合理健康长远的发展。
3.2 NB-IOT与社会可持续发展
首先NB-IOT设备本身就是功耗非常低的物联网设备终端，因其体积、功耗小的技术特点，所以才会大范围的推广及使用，故NB-IOT本身不会造成太高的能耗，相比传统设备已经是对资源占用较小的存在。
我们知道，越来越多的前沿互联网公司，将其云计算数据中心采用山谷自然降温或海底自然降温的方式，以减少在为数据中心降低散热降温所需的能耗。那么物联网的核心平台是不是也可以采用此方式。笔者认为，利用太阳能及环境能力加以散热，减少总能耗中散热占比，在长远来看，可以为地球减少更多的非必要煤炭资源使用，并将更高比例的能量用于数据处理与转发。

4.技术前沿的认识
笔者认为，5G时代的到来，将引发物联网及其迅猛的发展，与大数据、云计算的通力协作，解决更多从资源采集到分解利用到最后的社会服务问题。
例如，笔者认为在农业领域，将窄带物联网部署于密度更高的非肥沃土壤，从土质监测，到每种农作物所需的养料、水分更精确的供给，从而达到更大的亩产能力。同时需要考虑到：对于经营第一产业的农民，是否因其经济能力，开发更高电池寿命，更低终端成本，更强的极端天气、恶略环境的适应能力的NB-IOT设备终端及数据处理服务费用。
4月15日是我国国家安全日，在笔者看来，安全问题是我们接下来的阶段需要非常重视的问题，那么结合窄带物联网（NB-IOT）技术，在国土安全、军事安全、文化安全、生态安全、网络安全、资源安全、生物安全等方面开发更高级别的危机防控。
例如，在开采煤炭资源的过程中，即可通过NB-IOT技术产生对瓦斯浓度、通风能力及灾后的定位能力提升一个等级。不仅保护资源安全，也为开采人员提供更加全方位的安全保障。当然，除此之外，还有诸多其他社会基础服务、个性化定制服务的项目启动，在此不一一赘述……
方兴未艾，往往旧事物经济系统会阻碍新经济科技系统的发展，在此过程中，我们要拥有学者心态，面对未知事物与恐惧，我们理性的思考问题，解决问题，一定可以将物联设备引入千家万户，达到真正的物联时代。

参考文献
[1] 王春霞.窄带物联网发展浅析[J].智富时代，2019,6:116.
[2] 汪 楚.基于NBIoT的智慧城市应用系统研究[J].通讯世界,2019,26(7):7-8.
[3] 李 龙,方 涛,胡亚楠,刘 涛. NB IoT在无线消防监测终端中的应用研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2019,9:50-54.
[4] 苗 欣,夏舒畅.一种基于NBIOT的远程可视门禁系统[P].中国专利: CN201721309988.5, 2018-05-08.
[5] 上海市政府.上海市推进信息化与工业化深度融合“十三五”发展规划[EB/OL]. d-drcnet-com-cn..hhu.edu.cn:8118/eDRCNet.Common.Web/DocDetail.aspx?chnid=1007&leafid=13&docid=5392855&uid=07&version=integrated
[6] 刘泽龙. NB-IOT在数字应急广播控制中的应用[J].电脑知识与技术,2018,14(21):246-248.

收稿日期：2020-4-26
作者简介：周子博（1998-），男，本科生，就读于河海大学物联网工程学院。