NB-IoT技術解析：如何實現低功耗、低成本與廣覆蓋？

發布時間：2024-12-03作者來源：薩科微瀏覽：2522

B-IoT技術正以其獨特的優勢，為物聯網設備連接帶來前所未有的變革。無論是智能城市、智能制造，還是消費電子，NB-IoT都在其中扮演著關鍵角色。跟隨文章，和我們一起深入了解它的工作原理、技術特點以及它如何塑造我們的智能生活。

什么是NB-IoT

NB-IoT（Narrowband Internet of Things），即窄帶物聯網，是一種基于蜂窩網絡的低功耗廣域網（LPWAN）技術，專門為大規模物聯網（IoT）設備設計。NB-IoT通過優化無線網絡覆蓋、延長電池壽命、降低設備復雜度及成本，來實現大規模、低速率的物聯網設備連接。其主要應用場景包括智能表計量、智能城市、資產追蹤、環境監測等。與傳統互聯網的通信場景不同，物聯網的通信場景偏重于低功耗廣覆蓋，數據偶發數據量較小的網絡場景LPWA（Low-Power Wide-Area）。

這在無線通信領域里歸為低功耗廣域網的范疇，NB-IoT是其中使用最廣泛的技術之一。它基于蜂窩網絡，部署在運營商的授權頻段，只消耗大約180KHz的帶寬。它可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，為物聯網終端設備提供了良好的公共網絡接入，做到了低部署成本并實現設備平滑升級。

NB-IoT的基本應用架構如圖中所示。其數據交互的過程為：NB-IoT終端產品（模組/芯片）將數據發送至NB-IoT網絡，NB-IoT網絡再將數據傳至IoT平臺，IoT平臺再將數據轉發到業務平臺進行處理。

NB-IoT的特點是覆蓋廣，具備海量連接能力，同時做到了低功耗。它相比于傳統GSM可以提供10倍的覆蓋面積。一個基站可以覆蓋10km的范圍，而且它具備比LTE和GPRS高20dB的增益，能覆蓋到地下車庫等信號微弱的地方。這是因為它的信號在更窄的帶寬中發送，相同功率下具有更高的功率譜密度PSD(Power Spectrum Density)，所以增益更大，并且由于引入了eDRX省電技術和PSM省電模式，進一步降低了功耗。

為了和現有的移動網絡兼容，NB-IoT主要基于LTE技術并做了相應修改。它可以做到和LTE并行部署，在下行鏈路互不影響。并且它精簡了通信信道，減小了實現的復雜性。在頻譜利用方面它有三種方式：

獨立部署：在GSM空閑頻譜中部署。
帶內部署：使用了在現有LTE頻段的資源塊，不影響LTE數據傳輸。
保護帶部署：是利用了LTE頻譜的保護帶，實現了頻譜資源的[敏感詞]化。

為了做到增強覆蓋，NB-IoT提升了上行功率譜密度。相比于LTE，它的信息在更窄的LTE帶寬中發送，那么相同發射功率下的功率譜密度增大，降低了接收方的解調要求。在NB-IoT的上行信道上，同樣也支持無線信道上的數據重傳。重傳就是使用多個數據幀傳送同一個信息塊。NB-IoT[敏感詞]可支持下行2048次重傳，上行128次重傳。這樣的方式可以增加信號覆蓋的范圍，但數據重傳勢必將導致時延的增加，從而影響信息傳遞的實時性。

為了做到更省電， NB-IoT僅支持 FDD 半雙工模式，意味著不必同時處理發送和接收，其達到的效果，比起全雙工成本更低廉，更省電。低速率和低帶寬本身意味著芯片處理復雜度降低。

下表是低功耗廣域網的幾個技術對比，可以看到 NB-IoT工作在授權頻譜下，具備窄帶寬，低數據吞吐量，允許[敏感詞]時延達到了10秒。考慮到NB終端的應用場景一般對時延不敏感，比如智能水表，燃氣表等，所以這種特性更有助于節省功耗。

主流NB-IoT模塊

這是ublox推出的SARA-R422系列模塊。它同時提供 LTE-M、NB-IoT 和 EGPRS 信號通信，可以將LTE通信和全球衛星定位系統相結合，隨時隨地獲取精準定位信息。u-blox 定位云服務 CloudLocate 可減少電能消耗，延長物聯?應?的使?壽命。同時它具備工業級的輸出功率, 達到了23 dBm。它可以使用MQTT Anywhere 和 MQTT Flex ，一套用于物聯網的輕量級消息傳遞協議，實現高性價比、高功率的端到端物聯網通信。由于具備長壽命、低維護、成本敏感、低功耗的特點，它非常適合智能計量設備，如天然氣/水/電表、智能照明，包括路燈照明、大樓自動化、遠程信息處理、資產跟蹤、遠程監控、以及各種的消費穿戴裝置。