NB-IoT穩步發展　低功耗物聯網應用遍地開花

伴隨著蜂巢式物聯網技術的掘起，窄頻物聯網(NB-IoT)近年可謂風頭無兩，該技術具備巨量連接、深度覆蓋、超低功耗、低成本以及高安全性的優勢，因此尤其適用於各類分布廣、數量大的公共基礎設施。自2016年6月NB-IoT協議正式凍結以來，業界終於擁有了首個物聯網專用協議，兩年來NB-IoT除了得到全球主流運營商的青睞，也贏得了各地政府的支持，以期能夠帶動新經濟發展。

NB-IoT生態產業開始蓬勃發展，也將從區域化部署邁向全球部署。截至2018年12月，全球約有60家運營商已經宣布商用NB-IoT，這其中除了中國、歐洲等NB-IoT的鐵桿粉絲，也包括此前對增強型機器類型通訊(eMTC)情有獨鐘的Verizon、AT&T等北美運營商。這一變化趨勢也反映出，隨著更多低功耗物聯網應用需求的爆發，NB-IoT所呈現的技術優勢正得到越來越多運營商的認可。

眾所皆知，通訊訊號的傳輸距離與發射功耗呈正比，所以長期以來低功耗與長距離是一對矛盾體。對於分布於城市各個角落的大量基礎設施與電動車、水表等設備來說，要想藉由傳統的手機通訊網路來實現連接和智慧化運營，將受限於網路容量、功耗，且並不具備成本效益，而以NB-IoT、eMTC為代表的低功耗廣域網路(LPWAN)技術正是為這類低速應用量身打造，根據物聯網對通訊技術的特定需求來發揮其優勢，因而成為產業焦點技術。

NB-IoT實現低功耗/長距離應用

NB-IoT還採用了省電模式(Power Saving Mode, PSM)和擴展型非連續接收(extended DRX, eDRX)兩大延長電池壽命的核心技術，可藉由讓模組進入深度睡眠或減少接收設備的不必要啟動來降低功耗。根據估算，這兩項技術有潛力讓電池壽命達到10年以上，對於水表、路燈、煙霧感應器以及井蓋等需連續服務十餘年的基礎設施來說，這樣超低功耗的性能至關重要。

過去兩年，NB-IoT在成為當紅話題的同時，也激發了各產業的創新熱情，帶動新興物聯網應用湧現。例如，華為、中國電信、銀川奧特以及移遠(Quectel)攜手推出了牛聯網應用，基於移遠NB-IoT模組開發了即戴即用的乳牛專用訊息採集終端，可以對乳牛健康、生理周期、活動狀態、位置訊息等進行監控，幫助乳牛場繁育員準確判斷乳牛發情期。這個應用案例既能確實提高乳牛場的經濟效益，也能改進牛奶品質，使用簡便，酪農無須自建網路，因此廣受產業歡迎與關注。

在NB-IoT技術的加持下，類似的智慧應用還有很多，各類設備通過聯網來提升訊息化、智慧化，幫助產業尋找新的成長點。在中國，包括政府、產業領導廠商、模組廠商以及終端廠商對NB-IoT寄予厚望，都在極力推動這項技術的發展。在2018年華為全聯接大會上，華為公布了5個目前能實現百萬級連接的NB-IoT應用，即水務、燃氣、電瓶車、煙感以及家電。此外，像智慧路燈、智慧垃圾箱、可穿戴設備、水質監控、智慧停車、智慧井蓋等典型應用也已全面開花，掀起規模商用的浪潮。而移遠NB-IoT模組已成功內嵌在500餘個終端應用中，覆蓋50多個垂直產業，包括公共事業、工業農業、個人生活、畜牧監控等領域。

然而，NB-IoT應用範圍雖廣，卻並非萬能的技術。由於在移動性、數據傳輸速率等技術性能上受到限制，它更適合應用在無需移動的領域，如水表、燃氣表、路燈、井蓋等基礎設施，而對於對移動性、定位、速率有一定要求的場景，則表現得差強人意，這也是在NB-IoT、eMTC兩項技術誕生之初，產業針對孰優孰劣進行爭論的主要原因。其實，對於應用場景極其碎片化的物聯網產業來說，並沒有哪一種技術能夠完全滿足所有垂直行業的需求，在通訊產業流傳著一句話：「沒有最好的技術，只有最適合的技術。」

R14增強NB-IoT技術

為了滿足更多的應用場景和市場需求，3GPP在R14規範中對NB-IoT進行了一系列增強技術並於2017年6月完成了核心規範。相比R13，R14增加了定位和群播功能，提供更高的數據速率，在非錨點載波上進行尋呼和隨機接入，增強連接態的移動性，支援更低UE功率等級。具體如下：

1. 定位功能：定位服務是物聯網諸多業務的基礎需求，基於位置訊息可以衍生出很多加值服務。NB-IoT強化並導入了OTDOA和E-CID定位技術。終端可以向網路上報其支援的定位技術，包括基於OTDOA、A-GNSS、E-CID、WLAN和藍牙等的定位技術，網路側根據終端的能力和當下的無線環境，選擇合適的定位技術。可以更好地支援資產追蹤、物流運輸、寵物追蹤、可穿戴設備等需要持續追蹤位置的應用場景。

2. 多播功能：為了更有效地支援訊息群發、軟體升級等功能，NB-IoT增強引入了多播技術。多播技術基於LTE的SC-PTM，終端透過SC-MTCH接收群發的業務數據。

3. 數據速率提升：R14中引入了新的能力等級UE Category NB2，Cat NB2 UE支援的最大傳輸塊上下行都提高到2,536bits，一個非錨點載波的上下行峰值速率可提高到140/125kbps。

4. 非錨點載波增強：為了獲得更好的負載均衡，R14中增加了在非錨點載波上進行尋呼和隨機接入的功能。這樣網路可以更好地支援大連接，減少隨機接入衝突概率。

5. 移動性增強：R14中NB-IoT控制面CIoT EPS優化方案引入了RRC連接重建和S1 eNB Relocation Indication流程。

6. 更低UE功率等級：R14在原有23/20dBm功率等級的基礎上，引入了14dBm的UE功率等級。這樣可以滿足一些無需極端覆蓋條件，但是需要小容量電池的應用場景。

NB-IoT網路的建設並非一朝一夕就能完成的，目前全球有許多地區尚未覆蓋NB-IoT網路，現有的2G成熟網路雖面臨未來逐步退網，但根據全球各市場網路演進趨勢來看，2G在中國、歐洲、印度等地仍將繼續服務數年。而為了最大限度利用現有資源並平滑過渡到新技術，市面上許多廠商仍推出多模模組，例如，移遠在2019年世界行動通訊大會(MWC)巴塞隆納展會上發布了支援NB-IoT和2G的新型多模模組，可以在兩種網路制式之間自由切換，滿足NB-IoT網路建設尚不成熟地區的需求。此外，市面上也有業者推出NB-IoT+GNSS二合一模組，滿足物流追蹤、電動車監控等有戶外定位需求的場景，使得市場形成單模多模並存的格局。

從最初的熱炒到如今已有超過1000萬終端投入實際使用，物聯網在中國已成為海外營運商及合作夥伴的行業標竿。未來隨著營運商網路的進一步優化部署、終端成本的持續降低，相信NB-IoT將在萬物互聯的時代發揮更重要的角色。

(本文作者任職於移遠通信)

首圖來源：西門子