NB-IoT 的「前世此生」

做者：個推B2D研發工程師 海晏

根據《愛立信2018移動報告》（Ericsson Mobility Report,June 2018）的預測，蜂窩物聯網設備鏈接數將在2023年達到35億，年增加率達到30%。

圖片來源：《愛立信2018移動報告》（Ericsson Mobility Report,June 2018）

報告中還強調了中國IoT產業的迅猛發展對上述數據產生的巨大影響： 文字節選於《愛立信2018移動報告》（Ericsson Mobility Report,June 2018）

IoT(Internet of Things，即所謂的物聯網)可能早已爲你們耳熟，不管是能打電話、看視頻的智能手錶，仍是隻有信用卡大小的樹莓派，其實都是IoT設備。而在諸多的IoT技術之中，NB-IoT無疑是目前國內最受關注的一個，前有三大運營商積極建設基站、狂砸補貼，後有ofo、摩拜創新研發NB-IoT智能鎖。

NB-IoT是何方神聖？

NB-IoT全稱是NarrowBand IoT，也稱窄帶物聯網，是由3GPP組織開發的爲大範圍蜂窩網與設備服務的低功耗廣域網絡（LPWAN）廣播技術，其規範在3GPP Release 13中徹底定型，並在Rel-14中作了部分加強（Rel-13 主要是對LTE的改進，並制定了一些物聯網規範）。

其實在NB-IoT以前已經有了其餘IoT技術的存在，曾幾什麼時候，咱們也使用2/3G網絡鏈接物聯網設備，雖然如今看來2/3G網絡頻譜效率、吞吐率等不高，可是對於數據量極小（相對PC、智能手機以及能夠打電話、看視頻的智能手錶來講）的物聯網設備來講已經足夠了。

隨着時間的推移，人們對物聯網設備的需求與落後的技術之間的矛盾愈來愈大：一方面考慮到IoT設備的數量，大量使用GPRS模塊成本偏高；另外一方面低電池容量的IoT設備也與GPRS的相對複雜的通訊協議天生難以相容。此外，考慮到GPRS即將被「退羣」，人民羣衆對新的物聯網通訊解決方案的需求也日漸高漲。

通訊大廠之間的技術角逐

窺見這一技術空白的各通訊大廠天然明爭暗鬥，各類標準不斷被推出。2014年5月華爲、Vodafone提出了NB M2M技術，然後又進化成NB-CIoT，2015年7月，Nokia、Ericsson、Intel提出了NB-LTE技術，隨後3GPP在上述二者之上着手製定標準，並在2016年7月肯定標準（在上文說起的Release13中），至此NB-IoT正式誕生。

出生於4G時代的NB-IoT複用了一系列LTE的設計，並與GSM、GPRS、LTE等技術良好兼容，它上下行共同使用180 kHz 的最小系統帶寬，所以GSM運營商能夠重耕GSM頻段，將某一個GSM載波頻段用於NB-IoT（帶寬200 kHz，能夠放一個NB-IoT總帶寬加兩個10 kHz的保護帶），而LTE運營商則能夠劃分一個PRB（Physical Resource Blocks）給NB-IoT（具體部署方式有stand-alone、in-band、guard-band三種）。 NB-IoT與LTE的關係，該圖來自《A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)》

爲了下降NB-IoT模塊的成本與能耗，NB-IoT在複用的同時也對LTE物理信道、UE （User Equipment，終端）處理流程、模塊結構作了許多精簡，減輕了設備製造複雜度，在下降成本的同時也減小了能耗。此外，NB-IoT的PSM（powersaving mode）和eDRX（echanced Discontinuous Reception）模式也是下降能耗的「祕密武器」，在PSM模式下，設備進入休眠狀態不進行通訊活動，該模式通常適用於通訊頻率低的設備；而在eDRX模式下，UE能夠更快地進入接收模式，而不須要從休眠模式轉換到激活模式，相比DRX模式接受間隔更長，在較高頻率通訊的設備上能夠減小信令，更加省電。

爲了加強覆蓋率，NB-IoT增長重傳減低數據速率，引入單個子載波NPUSCH（Narrowband Physical Uplink SharedChannel，窄帶物理上行鏈路共享信道）傳輸和π/2-BPSK調製來維持接近0dB PAPR（Peak to Average Power Ratio，峯值平均比例）來減少PA（power amplifier，功率放大器）功率回退形成對覆蓋的影響，通常來講，NB-IoT的MCL（maximumcoupling loss，最大耦合損耗）比LTE （Rel-12）高20db。

固然，上述這些也意味着NB-IoT的傳輸速率不高。可是正是基於這種通訊模型，NB-IoT才得以在低成本的狀況下，作到單個小區僅使用一個PRB支持上萬臺設備，並且NB-IoT本就不是爲高頻高實時需求的設備設計的，它的主要用途正是在低功耗、低成本、高覆蓋、低移動性的設備上（關於低移動性這一點上，Rel-13中不支持漫遊，Rel-14對移動性進行了加強，目前已經有廠商在進行漫遊試驗了，期待NB-IoT將來在這方面有所發展）。

NB-IoT發展的「內憂」和「外患」

雖然有各通訊大廠的背書，可是NB-IoT在國內的發展卻並非一路綠燈。一方面，模組成本沒有降低到預期的水平，智慧農業、智慧城市等對NB-IoT興趣不足，使得模組出貨量達不到預期，沒有造成規模效應；另外一方面，因爲NB-IoT技術剛剛興起，其相關的基礎設施、產業鏈還沒有完善，缺少專業人才支持，也使得其制形成本難以快速壓縮。

此外，做爲一種蜂窩網絡技術，NB-IoT的發展無疑須要運營商的支持。在國內三大運營商之中，中國電信無疑是表現最好的選手，目前中國電信在國內NB-IoT基站已達40萬，已經實現「城鄉全覆蓋」，而且還有對外開放的Wing中國電信物聯網開放平臺，幫助開發者管理終端。相比之下，雖然中國聯通聲音較小，但也在去年5月宣佈完成了30萬個NB-IoT基站升級工做，並與阿里、騰訊、百度等三十多家戰略合做夥伴成立了中國聯通物聯網產業聯盟。與前二者相比，中國移動的位置則略顯尷尬。因爲中國移動以前並無LTE FDD牌照，這意味着它要麼在已分配的GSM頻段上部署NB-IoT，要麼等待NB-IoT支持TDD，要麼等待FDD-LTE的牌照，無論從時間仍是從成本上來講，中國移動都不佔優點。不過好消息是，中國移動在去年4月份終於得到了FDD-LTE牌照，接下來將會大力發展建設物聯網，努力追上其餘運營商的步伐，同時對外開放OneNET——中國移動物聯網開放平臺。

雖然三大運營商的動做如此迅速，可是考慮到部分NB-IoT終端的工做環境，目前的NB-IoT網絡覆蓋率仍然不夠。相對較低基站的數量與覆蓋率也迫使終端必須擡高發射功率，致使超長電池壽命大打折扣。

運營商的角力對於消費者和廠家來講是一件好事，既能下降資費，又能多一些選擇，提高消費體驗，可是對於開發者來講絕非如此了：多個管理平臺意味着必須考慮多種設備多種SDK的狀況，有時候同一種設備同一種協議上層的API卻不相同。當發生這種狀況時，開發人員須要耗費更多的精力和時間。

除了須要面對「內憂」，NB-IoT 的「外患」也很多。當姍姍來遲的NB-IoT到來之時，LoRa和Sigfox技術已經攻佔了大片城池：目前，有一百多個國家被LoRa網絡覆蓋，其中法國電信Orange已經宣佈實現全法覆蓋LoRa。而我國的北京、上海、廣州、深圳、南京、蘇州、杭州等地也有LoRa網絡的覆蓋，其中北京市六環之內已經實現了全覆蓋，京杭大運河江蘇段也實現全段覆蓋；Sigfox在歐美地區一樣兵強馬壯，其在法國的覆蓋率已達92%，在美國也已經覆蓋一百多個城市。除此以外，NB-IoT也並非物聯網的惟一選擇，有時候甚至不是最好的選擇。好比能打電話、看視頻的智能手錶就更適用於使用LTE Cat M1 甚至 LTE Cat 1，而信用卡大小的的樹莓派也未必會上NB-IoT，而更可能選擇LoRa（畢竟企業自主組網更geek，還無需擔心網絡覆蓋與資費的問題）。

NB-IoT技術將來大有做爲

那麼剛出襁褓的NB-IoT該如何應對呢？其實不一樣的技術有不一樣的適用場景，好比NB-IoT簡直就是爲水錶、電錶行業量身打造的。經過NB-IoT模組，設備僅需在天天彙報數據時喚醒並與基站進行通訊，其餘大部分時間幾乎沒有電能消耗，在這種場景中，NB-IoT能夠在保證電池壽命的前提下，妥善完成監控電量、水量的任務。切換到煙霧傳感器、火警報警器等相似的場景，NB-IoT的優點也十分明顯，而對於水文、空氣監控來講，NB-IoT模組能夠大部分時間休眠，當須要進行較實時的彙報與反饋時，eDRX與DRX模式的做用就顯現了，工做在此模式時能夠即時反饋變化狀況，當不須要實時監控時，又能夠切換回PSM，省電工做兩不誤。

除了上面的這些場景，智慧停車、智能門鎖、路燈故障監控、二輪車標識定位、農牧業監控、資產管理等領域，NB-IoT也是大有做爲。工信部也在去年發佈了關於推動移動物聯網（NB-IoT）建設發展的通知，要求加快推動移動物聯網部署，構建NB-IoT網絡基礎設施。目前各類IoT技術百花齊放，在市場與政策的雙重扶持下，NB-IoT將來的發展前景一片光明。

參考文獻：

[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.