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。

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。

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）。

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）。

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。

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.