NB-IoT 的“前世今生”

作者：个推B2D研发工程师 海晏

根据《爱立信2018移动报告》（Ericsson Mobility Report,June 2018）的预测，蜂窝物联网设备连接数将在2023年达到35亿，年增长率达到30%。

图片来源：《爱立信2018移动报告》（Ericsson Mobility Report,June 2018）

报告中还强调了中国IoT产业的迅猛发展对上述数据产生的巨大影响：

文字节选于《爱立信2018移动报告》（Ericsson Mobility Report,June 2018）

IoT(Internet of Things，即所谓的物联网)可能早已为大家耳熟，无论是能打电话、看视频的智能手表，还是只有信用卡大小的树莓派，其实都是IoT设备。而在诸多的IoT技术之中，NB-IoT无疑是目前国内最受关注的一个，前有三大运营商积极建设基站、狂砸补贴，后有ofo、摩拜创新研发NB-IoT智能锁。

一、NB-IoT是何方神圣

NB-IoT全称是NarrowBand IoT，也称窄带物联网，是由3GPP组织开发的为大范围蜂窝网与设备服务的低功耗广域网络（LPWAN）广播技术，其规范在3GPP Release 13中完全定型，并在Rel-14中做了部分增强（Rel-13 主要是对LTE的改进，并制定了一些物联网规范）。

其实在NB-IoT之前已经有了其他IoT技术的存在，曾几何时，我们也使用2/3G网络连接物联网设备，虽然现在看来2/3G网络频谱效率、吞吐率等不高，但是对于数据量极小（相对PC、智能手机以及可以打电话、看视频的智能手表来说）的物联网设备来说已经足够了。

随着时间的推移，人们对物联网设备的需求与落后的技术之间的矛盾越来越大：一方面考虑到IoT设备的数量，大量使用GPRS模块成本偏高；另一方面低电池容量的IoT设备也与GPRS的相对复杂的通信协议天生难以相容。此外，考虑到GPRS即将被“退群”，人民群众对新的物联网通信解决方案的需求也日渐高涨。

二、通信大厂之间的技术角逐

窥见这一技术空白的各通信大厂自然明争暗斗，各种标准不断被推出。2014年5月华为、Vodafone提出了NB M2M技术，而后又进化成NB-CIoT，2015年7月，Nokia、Ericsson、Intel提出了NB-LTE技术，随后3GPP在上述两者之上着手制定标准，并在2016年7月确定标准（在上文提及的Release13中），至此NB-IoT正式诞生。

出生于4G时代的NB-IoT复用了一系列LTE的设计，并与GSM、GPRS、LTE等技术良好兼容，它上下行共同使用180 kHz 的最小系统带宽，因此GSM运营商可以重耕GSM频段，将某一个GSM载波频段用于NB-IoT（带宽200 kHz，可以放一个NB-IoT总带宽加两个10 kHz的保护带），而LTE运营商则可以划分一个PRB（Physical Resource Blocks）给NB-IoT（具体部署方式有stand-alone、in-band、guard-band三种）。

NB-IoT与LTE的关系，该图来自《A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)》

为了降低NB-IoT模块的成本与能耗，NB-IoT在复用的同时也对LTE物理信道、UE （User Equipment，终端）处理流程、模块结构做了许多精简，减轻了设备制造复杂度，在降低成本的同时也减少了能耗。此外，NB-IoT的PSM（powersaving mode）和eDRX（echanced Discontinuous Reception）模式也是降低能耗的“秘密武器”，在PSM模式下，设备进入休眠状态不进行通信活动，该模式一般适用于通信频率低的设备；而在eDRX模式下，UE可以更快地进入接收模式，而不需要从休眠模式转换到激活模式，相比DRX模式接受间隔更长，在较高频率通信的设备上可以减少信令，更加省电。

为了增强覆盖率，NB-IoT增加重传减低数据速率，引入单个子载波NPUSCH（Narrowband Physical Uplink SharedChannel，窄带物理上行链路共享信道）传输和π/2-BPSK调制来维持接近0dB PAPR（Peak to Average Power Ratio，峰值平均比例）来减小PA（power amplifier，功率放大器）功率回退造成对覆盖的影响，一般来说，NB-IoT的MCL（maximumcoupling loss，最大耦合损耗）比LTE （Rel-12）高20db。

当然，上述这些也意味着NB-IoT的传输速率不高。但是正是基于这种通信模型，NB-IoT才得以在低成本的情况下，做到单个小区仅使用一个PRB支持上万台设备，而且NB-IoT本就不是为高频高实时需求的设备设计的，它的主要用途正是在低功耗、低成本、高覆盖、低移动性的设备上（关于低移动性这一点上，Rel-13中不支持漫游，Rel-14对移动性进行了增强，目前已经有厂商在进行漫游试验了，期待NB-IoT未来在这方面有所发展）。

三、NB-IoT发展的“内忧”和“外患”

虽然有各通信大厂的背书，但是NB-IoT在国内的发展却并不是一路绿灯。一方面，模组成本没有下降到预期的水平，智慧农业、智慧城市等对NB-IoT兴趣不足，使得模组出货量达不到预期，没有形成规模效应；另一方面，由于NB-IoT技术刚刚兴起，其相关的基础设施、产业链尚未完善，缺乏专业人才支持，也使得其制造成本难以快速压缩。

此外，作为一种蜂窝网络技术，NB-IoT的发展无疑需要运营商的支持。在国内三大运营商之中，中国电信无疑是表现最好的选手，目前中国电信在国内NB-IoT基站已达40万，已经实现“城乡全覆盖”，并且还有对外开放的Wing中国电信物联网开放平台，帮助开发者管理终端。相比之下，虽然中国联通声音较小，但也在去年5月宣布完成了30万个NB-IoT基站升级工作，并与阿里、腾讯、百度等三十多家战略合作伙伴成立了中国联通物联网产业联盟。与前两者相比，中国移动的位置则略显尴尬。由于中国移动之前并没有LTE FDD牌照，这意味着它要么在已分配的GSM频段上部署NB-IoT，要么等待NB-IoT支持TDD，要么等待FDD-LTE的牌照，不管从时间还是从成本上来说，中国移动都不占优势。不过好消息是，中国移动在去年4月份终于获得了FDD-LTE牌照，接下来将会大力发展建设物联网，努力追上其他运营商的步伐，同时对外开放OneNET——中国移动物联网开放平台。

虽然三大运营商的动作如此迅速，但是考虑到部分NB-IoT终端的工作环境，目前的NB-IoT网络覆盖率仍然不够。相对较低基站的数量与覆盖率也迫使终端必须抬高发射功率，导致超长电池寿命大打折扣。

运营商的角力对于消费者和厂家来说是一件好事，既能降低资费，又能多一些选择，提升消费体验，但是对于开发者来说绝非如此了：多个管理平台意味着必须考虑多种设备多种SDK的情况，有时候同一种设备同一种协议上层的API却不相同。当发生这种情况时，开发人员需要耗费更多的精力和时间。

除了需要面对“内忧”，NB-IoT 的“外患”也不少。当姗姗来迟的NB-IoT到来之时，LoRa和Sigfox技术已经攻占了大片城池：目前，有一百多个国家被LoRa网络覆盖，其中法国电信Orange已经宣布实现全法覆盖LoRa。而我国的北京、上海、广州、深圳、南京、苏州、杭州等地也有LoRa网络的覆盖，其中北京市六环以内已经实现了全覆盖，京杭大运河江苏段也实现全段覆盖；Sigfox在欧美地区同样兵强马壮，其在法国的覆盖率已达92%，在美国也已经覆盖一百多个城市。除此之外，NB-IoT也并不是物联网的唯一选择，有时候甚至不是最好的选择。比如能打电话、看视频的智能手表就更适用于使用LTE Cat M1 甚至 LTE Cat 1，而信用卡大小的的树莓派也未必会上NB-IoT，而更可能选择LoRa（毕竟企业自主组网更geek，还无需担忧网络覆盖与资费的问题）。

四、NB-IoT技术未来大有作为

那么刚出襁褓的NB-IoT该如何应对呢？其实不同的技术有不同的适用场景，比如NB-IoT简直就是为水表、电表行业量身打造的。通过NB-IoT模组，设备仅需在每天汇报数据时唤醒并与基站进行通信，其他大部分时间几乎没有电能消耗，在这种场景中，NB-IoT可以在保证电池寿命的前提下，妥善完成监控电量、水量的任务。切换到烟雾传感器、火警报警器等类似的场景，NB-IoT的优势也十分明显，而对于水文、空气监控来说，NB-IoT模组可以大部分时间休眠，当需要进行较实时的汇报与反馈时，eDRX与DRX模式的作用就显现了，工作在此模式时可以即时反馈变化情况，当不需要实时监控时，又可以切换回PSM，省电工作两不误。

除了上面的这些场景，智慧停车、智能门锁、路灯故障监控、二轮车标识定位、农牧业监控、资产管理等领域，NB-IoT也是大有作为。工信部也在去年发布了关于推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知，要求加快推进移动物联网部署，构建NB-IoT网络基础设施。目前各种IoT技术百花齐放，在市场与政策的双重扶持下，NB-IoT未来的发展前景一片光明。

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参考文献：

[1]Y.-P.Eric Wang, Xingqin Lin, Ansuman Adhikary, Asbjörn Grövlen, Yutao Sui, YufeiBlankenship, Johan Bergman, and Hazhir S. Razaghi，Ericsson Research, Ericsson AB,”A Primer on3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)”

[2]Ericsson,”EricssonMobility Report”,June 2016.

[3]A. Adhikary, X. Lin and Y.-P. E. Wang, “Performanceevaluation of NB-IoT coverage,” Submitted to IEEE Veh. Technol. Conf.(VTC),September 2016, Montréal, Canada.

[4]TR 36.888 v12.0.0, “Study on provision of low-costmachine-type communications (MTC) user equipments (UEs) based on LTE,”Jun.2013.

[5]Ericsson, “New WI proposal for L1/L2 eMTC and NB-IoT enhancements,” RP-160878, 3GPP TSG RAN Meeting #72, June2016.

[6]Vodafone, Huawei, and HiSilicon, “NB-IoT enhancementsWork Itemproposal,” RP-160813, 3GPP TSG RAN Meeting #72, June 2016.