從蒸汽機到工廠生產線, 工業革命的第一波浪潮從根本上重塑了人類文明. 今天, 我們正站在下一個時代定義轉變的風口浪尖 – 物聯網的興起 (物聯網). 然而, 讓物聯網革命真正落地, 需要可靠的連接結構 – 一個可以提供廣泛的, 預計數十億個感測器和端點的可靠覆蓋. 這就是窄頻物聯網 (窄帶物聯網) 進入框架.
那麼NB-IoT到底是什麼, 此窄帶蜂窩標準提供哪些獨特功能? 它與現有的物聯網連接選項有何關係? 讓我們深入了解.
什麼是窄頻物聯網?
窄帶物聯網 (窄帶物聯網) 是一個 低功耗廣域網 3GPP 標準化協議，支援各種新型蜂窩連接物聯網設備和服務.
它提供了針對物聯網最佳化的專用無線路徑. 顧名思義, 窄頻物聯網使用非常窄的頻寬, 實現出色的擴展覆蓋範圍，同時最大限度地延長設備的電池壽命 – NB-IoT設備可以實現超過 10 電池壽命數年.
使用許可頻段，例如 4G LTE 頻段, NB-IoT 專門針對物聯網連接進行最佳化. 透過重新調整現有蜂窩頻段以供 NB-IoT 使用，而不需要新的頻譜分配, 該技術可以被行動網路營運商快速部署.
具有出色的覆蓋範圍和極高的能源效率, NB-IoT 使各種新型物聯網設備能夠以最低的維護成本提供豐富的數據, 克服大規模採用物聯網的兩個關鍵障礙. 快速的全球部署已經開始, 尤其是在亞洲, 歐洲和北美.
窄頻物聯網架構及其運作原理
NB-IoT 標準化於 2016 由 3發布中的 GPP 13 用於在行動電信商擁有的授權頻段內運行. NB-IoT 設備與網路之間的通訊發生在指定的 200kHz 窄頻內, 與標準蜂窩連接使用的寬頻相比.
NB-IoT架構由終端設備組成 (傳感器), 基地台或存取點, 核心網路和應用伺服器/平台. 當無法直接存取時，可以使用網關等可選組件來連接建築物內或地下的節點.
NB-IoT 有三種不同的部署模式，可最大程度地涵蓋各種基礎架構:
- 帶內 – 利用普通 LTE 載波內的資源區塊
- 保護帶 – 利用普通 LTE 載波內未使用的資源區塊
- 獨立式 – 利用專用頻譜中的獨立載波
透過利用現有的蜂窩基礎設施和頻譜, NB-IoT提供高效的物聯網解決方案，並受到全球主要硬體和晶片組供應商的支持. 它可以與 2G 等其他蜂窩技術共存, 3G, 4G, LTE-M 和 5G 透過其靈活的部署模型.
NB-IoT 的優點和限制是什麼
窄頻物聯網帶來了巨大的連結能力，但也存在一些技術限制. 了解 NB-IoT 的優點和當前缺點，可以正確設定期望並就 NB-IoT 何時最適合應用做出明智的決定.
窄頻物聯網的好處
- 低功耗– 超低功耗是透過小傳輸頻寬和 PSM 和 eDRX 等非活動傳輸週期的省電特性來實現的. 這支援更長的電池壽命, 對於電源存取受限的遠端設備至關重要.
- 增強的覆蓋範圍和範圍– 使用窄頻訊號和資料包重傳, NB-IoT實現室內和地下可靠連接. 市區範圍可達~1公里, 鄉村約10公里 – 非常適合遠端設備.
- 海量連接– NB-IoT 基地台可支援超過 50,000 透過有效調度傳輸和睡眠視窗來同時設備. 這種可擴展性支援大規模部署 – 對於跨基礎設施的大規模物聯網網路至關重要.
- 設備和部署成本低– 透過最大限度地降低設備複雜性，僅提供必要的連接, NB-IoT 硬體成本僅為 4G/5G 數據機的一小部分. 小數據計劃的成本也更低. 無需網關並利用現有頻段, 部署比建置專用 LPWAN 網路便宜得多.
窄頻物聯網的局限性
- 較低的數據傳輸– NB-IoT 的頻寬和速度低於 LTE-M, 缺乏高數據傳輸能力. 無法支援需要大吞吐量的語音/視訊應用.
- 更高的延遲– 4G和5G對比, NB-IoT 在傳輸和接收資料包之間存在更多延遲. 對於需要即時的用例來說，這並不是最佳選擇, 低延遲通信.
- 設備移動性有限– 頻寬低，上下行速率慢, NB-IoT 最適合固定或移動性極低的設備. 無法有效支援 4G-LTE 和 5G 等網路小區之間的快速切換.
- 全球覆蓋範圍較小– 全球許多地區的 NB-IoT 部署仍在加速. NB-IoT 網路的漫遊協定比行動協定少，目前限制了全球無縫覆蓋.
NB-IoT 安全嗎？會不會被駭客攻擊
NB-IoT 利用 3GPP 為 LTE 網路定義的經過驗證的安全框架. 這包括設備和網路之間的相互身份驗證, 透過會話金鑰對資料進行無線加密, 並簽署韌體更新. 防篡改和異常檢測等其他設備級策略進一步強化了安全性.
符合 3GPP 標準的另一個好處是 NB-IoT 支援目前跨蜂窩網路使用的安全協議以及未來添加的任何新功能.
雖然沒有任何技術能夠完全免受篡改或駭客攻擊, NB-IoT 提供與目前行動網路相當的強大標準化安全措施，以防範一系列延伸至物聯網邊緣設備的網路威脅.
NB-IoT 的關鍵用例和應用
憑藉其超長的電池壽命, 範圍廣泛, 小型資料包傳輸, 和強大的安全保障 – NB-IoT 是連接感測器的理想技術, 監視器, 和跨基礎設施系統的執行器，以實現:
智能抄表
即時遠端讀取氣體, 用電用水無需人工檢查. 洞察力可實現更好的節能和洩漏檢測. NB-IoT 的低功耗和增強的範圍甚至適合具有挑戰性的位置.
智慧城市
空氣/水質環境感測器, 聲音監控, 垃圾桶溢出, 停車位追蹤, 基礎設施監控, 以及根據環境條件和人流進行調整的智慧照明.
環境監測
農地, 河, 荒野, 可以監測受保護保護區的狀況, 設備操作, 入侵等. 沒有廣泛的電力或通訊基礎設施.
智慧農業
廉價的濕度感測器, 裝置監視器, 透過 NB-IoT 連接的土壤養分測試儀可提供更好的可見度以優化澆水, 肥料, 並追蹤作物.
資產追蹤和管理
經濟實惠的電池供電 NB-IoT 標籤可監控車輛的位置和狀況, 重型機械, 可退回的運輸物品 (托盤, 容器), 和遠端資產基礎設施.
智能家居
感應器監控房間佔用狀況, 溫度, 濕度, 噪音, 控制器調節 HVAC 時的光照水平, 燈光, 和設備自動根據條件和使用模式來提高舒適度, 安全和能源效率.
智慧醫療
NB-IoT 的低功耗需求和廣域連接非常適合透過治療期間的遠端監控來改善患者護理. 基於 NB-IoT 的跌倒定位系統可以在高風險患者嘗試自行站立或移動時儘早發出通知. 可以提醒護理人員及時幫助患者.
這些應用延伸到從交通運輸到幾乎所有行業, 能量, 教育, 零售, 其中包括. 幾乎所有需要長期連接以進行低頻寬資料傳輸的事物都可能適合 NB-IoT.
NB-IoT 與其他 LPWAN 的比較
雖然有其他節能的物聯網網路選項, NB-IoT 結合了多種優勢，使其成為各種部署的領先競爭者. 在這裡，我們將 NB-IoT 與其他三種廣泛使用的低功耗廣域網路技術進行比較 – LTE-M, Sigfox 和 LoRaWAN:
NB-IoT 與 LTE-M
NB-IoT 和 LTE-M 都是 3GPP 針對物聯網標準化的蜂巢式 LPWAN 技術. 然而, LTE-M 支援 1.4MHz 的更高頻寬，峰值資料速率高達 1Mbps. 與 NB-IoT 不同，LTE-M 還支援全面的行動性和語音支援. 但代價是，儘管進行了 PSM 和 eDRX 等優化，LTE-M 仍會消耗更多電量.
全面的, LTE-M 適合需要更高頻寬的延遲敏感型應用, 而 NB-IoT 非常適合發送少量非時間關鍵資料的靜態或緩慢移動設備. LTE-M需向專利持有者支付專利費, 但 NB-IoT 透過利用現有的蜂窩頻譜來避免網關成本. 這些標準對於不同的物聯網用例是互補的 – LTE-M 實現穩健通信，NB-IoT 實現超節能.
窄帶物聯網與 洛拉
主要區別在於 NB-IoT 在許可的蜂窩頻譜中運行，例如 4G LTE, 而 LoRa 使用 ISM 頻段中的未授權頻譜. 這意味著 NB-IoT 受益於蜂窩網路的安全性和可靠性, 而 LoRa 提供了更大的靈活性，因為任何人都可以部署自己的 LoRa 網絡.
NB-IoT 也比 LoRa 具有更低的延遲和更高的吞吐量. 然而, LoRa的範圍更遠, 低功耗, 並降低模組成本. LoRaWAN 優先考慮最小化功耗, 達到 15+ 電池壽命數年.
NB-IoT 與 Sigfox
Sigfox 是另一種競爭性 LPWAN 技術，它使用 ISM 無線電頻段中的未經許可的頻譜. 它使用超窄帶調製來提供遠距離通信，同時使用非常低的功率.
NB-IoT 和 Sigfox 之間的主要區別在於 NB-IoT 具有更大的頻寬, 更高的數據速率, 與 Sigfox 相比，延遲較低. NB-IoT 可以提供鋼彈 250 kbps，延遲小於10s. Sigfox 的最大吞吐量為 100bps，典型延遲為 1-30s. 資料傳輸也沒有返回設備的返回通道.
然而, Sigfox 在簡單性和全球覆蓋範圍方面具有一些優勢. Sigfox 網路更易於部署，並且已經在全球範圍內實現了廣泛的覆蓋. NB-IoT 覆蓋範圍取決於蜂窩 LTE 建設，因此可能更加有限.
| 窄帶物聯網 | LTE-M | 洛拉 | 西格福克斯 | |
| 標準化 | 3總計劃 | 3總計劃 | LoRa聯盟 | 歐洲電信標準協會 |
| 頻寬 | 200 千赫 | 1.4 兆赫 | 250 千赫 | 100 赫茲 |
| 頻率 | 領有牌照 | 領有牌照 | 無證 | 無證 |
| 數據吞吐量 | ＜250kbps | ＜1Mbps | ＜10kbps | ＜100bps |
| 潛伏 | 中等的 | 低的 | 中等的 | 中等的 |
| 行動管理 | ❌ | ✔ | ✔ | ✔ |
| 擴大覆蓋範圍 | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| 能量消耗 | 中低 (高於LoRa) | 中等的 (高於NB-IoT) | 非常低 | 低的 |
| 可能的專用網絡 | 不 | 不 | 是的 | 不 |
| 模組成本 | $7-12 | $10-15 | $9-12 | $5-10 |
| 無線電費用 | $ | $$$ | $ | $ |
NB-IoT 常見問題解答
使用窄頻物聯網需要付費嗎?
是的 – 與智慧型手機類似，數據計劃是從行動營運商購買的. 然而, 考慮到資料包很小, 成本可以遠低於 $1 每台設備每月. 營運商之間的費用會根據設備數量和數據使用等因素而有所不同.
NB-IoT 是否注重能源效率?
絕對地 – 10+ 電池壽命可達一年，允許完全由電池供電的端點. 結合增強的覆蓋範圍, 這使得以前不可能的應用成為可能.
窄頻物聯網傳輸的延遲率是多少?
大多數資料傳輸在 1-10 秒. 對於延遲敏感的需求 1 第二, LTE-M 可能更適合.
