發表於2024-11-22
內 容 簡 介
NB-IoT技術的誕生承載著全球電信運營商對物聯網生態體係的變革。NB-IoT技術具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接等特點,定位於運營商級、基於授權頻譜的低速率物聯網市場,可被廣泛應用在不同的物聯網垂直應用領域,並就此開啓智能連接的新時代。
NB-IoT産業已經是全球化趨勢,受到瞭全球物聯網産業鏈的普遍關注。本書的目的是讓讀者更好地理解NB-IoT技術,掌握NB-IoT全産業鏈體係架構,並清晰認識NB-IoT適用的物聯網垂直應用領域。
本書適閤NB-IoT産業鏈從業人員從全局角度掌握NB-IoT技術帶來的突破性革命,適閤高等院校物聯網工程專業作為教材使用,也適閤對物聯網感興趣的讀者參考閱讀。
前言
什麼是互聯網?什麼是物聯網?什麼又是窄帶物聯網?它們之間的區彆又是什麼?
當很多人問這些問題的時候,我覺得自己無法用簡短的話語描述清楚。機械性的描述,感覺太生硬,不容易理解,還不如讓對方去百度。在不斷的迴答和反思之後,我發現有一些錶達方式比較容易被接受。由此我萌生瞭一個念頭,讓讀者通過淺顯易懂的閱讀方式,從全局的視角來理解什麼是物聯網,並真正體會到NB-IoT(Narrow Band-Internet of Things,窄帶物聯網)技術對物聯網時代帶來的格局改變。
互聯網是從人性的角度齣發,貫穿著為人的服務。我們要分析歐美人和亞洲人的區彆,但幾乎不會分析北方人和南方人的區彆;我們要分析70後、80後、00後等不同年齡段的區彆,但幾乎不分析北京人和上海人的區彆。門戶、社交、遊戲、網購、包括智能手機等,都是從人性的角度齣發,為全球各地提供統一的應用和服務。
物聯網是從物體的角度齣發,具備典型的垂直行業特性,同時也具備天然的排他性。每一個物聯網垂直應用都具備非常鮮明的行業特性和地域特性,比如交通、醫療、安防、工業、環保、農業等,行業之間完全可以沒有交互;還有,在北京試點成功的物聯網應用,在彆的城市未必可以復製。這就是為什麼很多人說物聯網經過這幾年的發展,好像還沒有産生巨無霸的龍頭企業。
有些人說物聯網是政府的項目工程。說實在話,目前政府的各個委辦局離開瞭互聯網,都不知道該如何辦公瞭,再過幾年,各委辦局離開瞭物聯網,也將不知道如何辦公。在物聯網發展的初期階段,需要政府進行引導和布局行業的應用,這和智慧城市的管理一脈相承;但隨著整個行業的發展,政府項目的比重在逐步降低,市場化行為和企業為瞭自身管理需求的物聯網項目正在日益增長。
NB-IoT的全稱是Narrow Band-Internet of Things,是基於蜂窩網絡的窄帶物聯網技術,聚焦於低功耗廣域網,支持物聯網設備在廣域網的蜂窩數據連接,可直接部署於LTE網絡,可降低部署成本和實現平滑升級,是一種可在全球範圍內廣泛應用的新興技術,具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接等特點。
NB-IoT的誕生並非偶然,其寄托著電信行業對物聯網市場的憧憬。近10年來,由於傳統的2G/3G/4G網絡並不能滿足物聯網設備低功耗、低成本的要求,大部分物聯網設備在連接時主要使用WiFi、藍牙等免費技術,電信運營商很難從中獲利。截至2016年,全球物聯網終端超過40億颱,但接入運營商移動網絡的終端隻有2億左右,運營商在物聯網市場占比不足5%。
物聯網技術不僅能夠改善人們的生活,還能給行業帶來巨大的變革與創新,推動經濟的快速發展。隨著智能交通、智慧醫療、遠程抄錶、智能傢居、智能製造、可穿戴設備等物聯網終端的大規模應用,越來越多的工作和生活都需要通過智能終端來解決。對此,高密度的連接和降低終端成本的需求也變得越來越迫切,必須要有新的技術來滿足這樣的訴求。
現如今,全球無綫通信技術發展得如火如荼,從2G、3G到LTE技術,都圍繞著手機的功能,目的是解決以人為中心的移動通信需求,數據速率越來越高、通話質量越來越好、響應速度越來越快。但隨著物聯網應用的擴展和技術的突破,無綫通信技術的發展將趨嚮於兩極分化。
M2M設備長期以來采用的都是和手機通信基本一緻的通信製式,在沒有其他選擇的情況下,基於運營商的蜂窩網絡是M2M直接、投入少的連接方式。然而,手機通信和M2M通信的需求畢竟有很大不同。M2M設備為瞭適應垂直行業應用的不同特性,對功耗要求、數據速率、網絡覆蓋、成本價格等都會有所不同。
例如,在車聯網方麵,汽車終將是一個大型的移動通信終端,需要兼具安全、娛樂等多種功能,對數據傳輸速率、帶寬要求都比較高。與傳統手機相比,車聯網的一個重要訴求就是實時性,尤其是未來的無人駕駛時代,實時通信的響應速度將是決定性的因素。而對於遠程抄錶、智能停車、風力發電、鐵塔監控等需求,對數據的實時性及傳輸速率帶寬等方麵的要求則非常低。
在物聯網的各種垂直行業應用中,低功耗廣域網的占比非常大,高達60%以上。窄帶物聯網有望結束過去物聯網垂直行業應用碎片化的現象。進入4G時代以後,M2M與智能手機的通信協議逐漸分離,針對不同的應用場景,齣現瞭不同的無綫通信方式。業界正在探索適用於低功耗廣域網的物聯網無綫通信技術,包括NB-IoT、eMTC、LTE-Cat1、LoRa等技術。
對於M2M模塊廠傢,首先麵臨的難題就是和各種LTE的頻段及CAT的競爭。LTE雖然是全球統一的國際標準,具備非常多的優勢,也一直在實施版本演進以用來適應時代的變化。但是,LTE的頻段設計紛繁復雜,産品開發難度太大,終端成本的降價幅度並不理想。
目前,如果使用WiFi或藍牙技術支撐低功耗廣域網的行業應用,大多隻適用於室內環境,並且必須使用中繼器進行傳輸,功耗是大的瓶頸。對於大數據量傳輸的終端,如高清攝像頭,通常采用光縴通信。對於很多小數據量傳輸的終端,可以接入2G、3G、4G網絡,但難以滿足低功耗、低成本的訴求。
以智能傢居為例,應用場景可區分為兩種,一種是為消費者提供服務,另一種是為企業提供服務。WiFi技術更適閤於為消費者提供服務,廣域網更適閤於為企業提供服務。這是因為企業的訴求是大範圍的網絡覆蓋及連續的大數據搜集,而WiFi路由器通常不受企業控製,依賴消費者是否打開或關閉。
NB-IoT技術具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大聯接等特點,基於運營商的授權頻譜,可廣泛應用於不同的物聯網垂直行業應用領域。NB-IoT技術由LTE網絡架構演進,使用現有的授權頻譜,對信息的安全性和可靠性都進行瞭較大的提升,並且減少瞭許多不必要的乾擾問題。
從另外一個角度看,值得關注的是運營商網絡的生命周期。在M2M初期,沒人會想到GPRS有一天會消失,而到現在,每一代蜂窩網絡的生命周期都越來越短。NB-IoT的一個重要驅動力來源於2G、3G的退網,過去運營商的2G、3G網絡主要服務於語音,現如今語音業務轉嚮采用VoLTE技術,運營商傾嚮於重耕這些寶貴的頻譜資源,挖掘具備更大價值的數據通信和物聯網應用。
預計到2020年,M2M市場將會齣現500億的設備終端,除去藍牙、WiFi等無綫連接,基於蜂窩網的物聯網終端數量將達到200億。如果M2M設備全部占用與手機網絡相同的資源,跟著手機從2G、3G、4G嚮5G進行演變,那麼龐大的物聯網終端數量勢必會壓垮現有的蜂窩網絡。就算不斷地加大網絡建設投入,也應對不瞭如此快速的M2M市場增量。
3GPP在2015年9月確立NB-IoT為窄帶蜂窩物聯網的一標準,於2016年6月實施3GPP Rel-13
的凍結,速度之快令業內颳目相看。NB-IoT技術優勢主要體現在如下幾個方麵。
? 廣覆蓋:NB-IoT技術與GPRS或LTE相比,大鏈路預算提升瞭20dB,相當於提升瞭100倍,即使在地下車庫、地下室、地下管道等普通無綫網絡信號難以到達的地方也容易覆蓋到。
? 低功耗:NB-IoT技術可以讓設備一直在綫,但是通過減少不必要的信令、更長的尋呼周期及終端進入PSM狀態等機製來達到省電的目的,有些場景的電池供電可以高達10年之久。
? 低成本:低速率、低功耗、低帶寬可以帶來終端的低復雜度,便於終端輕鬆實現低成本。同時,NB-IoT基於蜂窩網絡,可直接部署於現有的LTE網絡,運營商部署成本也比較低。
? 大連接:NB-IoT基站的單扇區可支持超過5萬個用戶終端與核心網的連接,比現有2G、3G、4G移動網絡有50~100倍的用戶容量提升。
? 授權頻譜:NB-IoT可直接部署於LTE網絡,也可以利用2G、3G的頻譜重耕來部署,無論是數據安全和建網成本,還是在産業鏈和網絡覆蓋,相對於非授權頻譜都具有很強的優越性。
? 安全性:繼承4G網絡安全的能力,支持雙嚮鑒權和空口嚴格的加密機製,確保UE在發送接收數據時的空口安全性。
事實上,NB-IoT産業已經是全球化趨勢,受到瞭全球物聯網産業鏈的普遍關注,如下圖所示。
NB-IOT産業鏈
物聯網産業鏈的從業者眾多,但相對單純。離客戶較遠的包括電信運營商、通信設備商、芯片商、通信模組商、配套服務商等。他們和終客戶距離較遠,利潤率相對較低,但通過規模效應比較容易形成巨無霸産業。離客戶較近的是各種各樣的物聯網垂直應用服務商,廣泛活躍在遠程抄錶、智慧城市、
資産管理、智慧物流、電梯物聯網、智能交通、消防物聯網、環保物聯網、地下空間、智能建築、工業物聯網、農業物聯網、可穿戴設備等領域。他們對終客戶貼身服務,利潤率相對較高,但受物聯網典型的排他性因素影響,較難形成巨無霸企業。
中國市場是全球物聯網從業者的大市場,將會是第個實現大規模覆蓋的國傢。中國擁有一批物聯網垂直應用的領軍企業,上下遊産業鏈閤作趨勢強烈。
本書爭取利用淺顯易懂的方式進行科學的闡述,讓讀者不至於感到枯燥無味,從事標準製定的人員可以瞭解物聯網行業需求什麼,從事應用開發的人員可以瞭解NB-IoT技術的優勢和發展脈絡,從事平颱開發的人員可以清楚需要提煉的共性模塊,管理人員可以清楚行業格局的大勢所趨,學生可以深入掌握貼近市場的需求。本書的結構如下。
第1篇:物聯網概述,用淺顯易懂的方式來介紹什麼是物聯網,什麼是低功耗廣域網。
第2篇:NB-IoT概述及其關鍵技術,用於瞭解NB-IoT的發展曆程和關鍵技術特點。
第3篇:NB-IoT標準體係,用於掌握NB-IoT物理層、層2、層3的國際標準體係架構。
第4篇:NB-IoT網絡部署和産品設計,用於掌握NB-IoT的網絡體係架構、産品設計等。
第5篇:NB-IoT産品測試,用於掌握NB-IoT網絡測試、終端測試、認證測試等內容。
第6篇:NB-IoT版本演進,用於瞭解NB-IoT Rel-13標準體係及後續的版本演進目標。
第7篇:NB-IoT應用領域,用於掌握適閤NB-IoT技術應用的物聯網垂直應用領域特點。
本書由中國NB-IOT産業聯盟組織編寫。該聯盟旨在促進産業鏈健康、快速、可持續發展,打造端到端的全産業鏈生態環境,擴大移動運營商網絡在物聯網領域創新和應用,鼓勵運營商和設備商閤作建立NB-IoT開放實驗室,為創新及應用提供開發和測試環境,加速技術創新和市場化。
在本書的編著過程中,著者非常榮幸地采訪瞭物聯網領域的很多專傢,包括3GPP NB-IoT標準提案人、教授、學者、企業傢、工程師,以及熱衷參與中國NB-IoT産業聯盟活動的眾多積極分子。在此,感謝各位同仁對本書的大力支持。
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