从蒸汽机到工厂生产线, 工业革命的第一波浪潮从根本上重塑了人类文明. 今天, 我们正站在下一个时代定义转变的风口浪尖 – 物联网的兴起 (物联网). 然而, 让物联网革命真正落地, 需要可靠的连接结构 – 一个可以提供广泛的, 预计数十亿个传感器和端点的可靠覆盖. 这就是窄带物联网 (NB-IoT) 进入框架.
那么NB-IoT到底是什么, 该窄带蜂窝标准提供哪些独特功能? 它与现有的物联网连接选项有何关系? 让我们深入了解.
什么是窄带物联网?
窄带物联网 (NB-IoT) 是 3GPP 标准化的 LPWAN 协议，用于支持各种新型蜂窝连接物联网设备和服务.
它提供了针对物联网优化的专用无线路径. 顾名思义, 窄带物联网使用非常窄的带宽, 实现出色的扩展覆盖范围，同时最大限度地延长设备的电池寿命 – NB-IoT设备可以实现超过 10 电池寿命数年.
利用许可频段，例如 4G LTE 频段, NB-IoT 专门针对物联网连接进行优化. 通过重新调整现有蜂窝频段以供 NB-IoT 使用，而不需要新的频谱分配, 该技术可以被移动网络运营商快速部署.
具有出色的覆盖范围和极高的能源效率, NB-IoT 使各种新型物联网设备能够以最低的维护成本提供丰富的数据, 克服大规模采用物联网的两个关键障碍. 快速的全球部署已经开始, 尤其是在亚洲, 欧洲和北美.
窄带物联网架构及其工作原理
NB-IoT 标准化于 2016 由 3发布中的 GPP 13 用于在移动运营商拥有的许可频段内运行. NB-IoT 设备与网络之间的通信发生在指定的 200kHz 窄带内, 与标准蜂窝连接使用的宽带相比.
NB-IoT架构由终端设备组成 (传感器), 基站或接入点, 核心网络和应用服务器/平台. 当无法直接访问时，可以使用网关等可选组件来连接建筑物内或地下的节点.
NB-IoT 具有三种不同的部署模式，可最大程度地覆盖各种基础设施:
- 带内 – 利用普通 LTE 载波内的资源块
- 保护带 – 利用普通 LTE 载波内未使用的资源块
- 独立式 – 利用专用频谱中的独立载波
通过利用现有的蜂窝基础设施和频谱, NB-IoT提供高效的物联网解决方案，受到全球主要硬件和芯片组供应商的支持. 它可以与 2G 等其他蜂窝技术共存, 3G, 4G, LTE-M 和 5G 通过其灵活的部署模型.
NB-IoT 的优点和局限性是什么
窄带物联网带来了巨大的连接能力，但也存在一些技术限制. 了解 NB-IoT 的优点和当前缺点，可以正确设定期望并就 NB-IoT 何时最适合应用做出明智的决定.
窄带物联网的好处
- 低功耗– 超低功耗是通过小传输带宽和 PSM 和 eDRX 等非活动传输周期的省电特性来实现的. 这支持更长的电池寿命, 对于电源访问受限的远程设备至关重要.
- 增强的覆盖范围和范围– 使用窄带信号和数据包重传, NB-IoT实现室内和地下可靠连接. 市区范围可达~1公里, 乡村约10公里 – 非常适合远程设备.
- 海量连接– NB-IoT 基站可支持超过 50,000 通过有效调度传输和睡眠窗口来同时设备. 这种可扩展性支持大规模部署 – 对于跨基础设施的大规模物联网网络至关重要.
- 设备和部署成本低– 通过最大限度地降低设备复杂性，仅提供必要的连接, NB-IoT 硬件成本仅为 4G/5G 调制解调器的一小部分. 小数据计划的成本也更低. 无需网关并利用现有频段, 部署比构建专用 LPWAN 网络便宜得多.
窄带物联网的局限性
- 较低的数据传输– NB-IoT 的带宽和速度低于 LTE-M, 缺乏高数据传输能力. 无法支持需要大吞吐量的语音/视频应用.
- 更高的延迟– 4G和5G对比, NB-IoT 在传输和接收数据包之间存在更多延迟. 对于需要实时的用例来说，这并不是最佳选择, 低延迟通信.
- 设备移动性有限– 带宽低，上下行速率慢, NB-IoT 最适合固定或移动性极低的设备. 无法有效支持 4G-LTE 和 5G 等网络小区之间的快速切换.
- 全球覆盖范围较小– 全球许多地区的 NB-IoT 部署仍在加速. NB-IoT 网络的漫游协议比移动协议少，目前限制了全球无缝覆盖.
NB-IoT 安全吗？是否会被黑客攻击
NB-IoT 利用 3GPP 为 LTE 网络定义的经过验证的安全框架. 这包括设备和网络之间的相互身份验证, 通过会话密钥对数据进行无线加密, 并签署固件更新. 防篡改和异常检测等其他设备级策略进一步强化了安全性.
符合 3GPP 标准的另一个好处是 NB-IoT 支持当前跨蜂窝网络使用的安全协议以及未来添加的任何新功能.
虽然没有任何技术能够完全免受篡改或黑客攻击, NB-IoT 提供与当前移动网络相当的强大标准化安全措施，以防范一系列延伸至物联网边缘设备的网络威胁.
NB-IoT 的关键用例和应用
凭借其超长的电池寿命, 范围广泛, 小数据包传输, 和强大的安全保障 – NB-IoT 是连接传感器的理想技术, 监视器, 和跨基础设施系统的执行器，以实现:
智能抄表
实时远程读取气体, 用电用水无需人工检查. 洞察力可实现更好的节能和泄漏检测. NB-IoT 的低功耗和增强的范围甚至适合具有挑战性的位置.
智慧城市
空气/水质环境传感器, 声音监控, 垃圾桶溢出, 停车位跟踪, 基础设施监控, 以及根据环境条件和人流进行调整的智能照明.
环境监测
农田, 河流, 荒野, 可以监测受保护保护区的状况, 设备操作, 入侵等. 没有广泛的电力或通信基础设施.
智慧农业
廉价的湿度传感器, 设备监视器, 通过 NB-IoT 连接的土壤养分测试仪可提供更好的可见性以优化浇水, 肥料, 并追踪作物.
资产跟踪和管理
经济实惠的电池供电 NB-IoT 标签可监控车辆的位置和状况, 重型机械, 可退回的运输物品 (货盘, 容器), 和远程资产基础设施.
智能家居
传感器监控房间占用情况, 温度, 湿度, 噪声, 控制器调节 HVAC 时的光照水平, 灯光, 和设备自动根据条件和使用模式来提高舒适度, 安全和能源效率.
智能医疗
NB-IoT 的低功耗需求和广域连接非常适合通过治疗期间的远程监控来改善患者护理. 基于 NB-IoT 的跌倒定位系统可以在高危患者尝试自行站立或移动时尽早发出通知. 可以提醒护理人员及时帮助患者.
这些应用延伸到从交通运输到几乎所有行业, 能量, 教育, 零售, 其中包括. 几乎所有需要长期连接以进行低带宽数据传输的事物都可能适合 NB-IoT.
NB-IoT 与其他 LPWAN 的比较
虽然存在其他节能的物联网网络选项, NB-IoT 结合了多种优势，使其成为各种部署的领先竞争者. 在这里，我们将 NB-IoT 与其他三种广泛使用的低功耗广域网技术进行比较 – LTE-M, Sigfox 和 LoRaWAN:
NB-IoT 与 LTE-M
NB-IoT 和 LTE-M 都是 3GPP 针对物联网标准化的蜂窝 LPWAN 技术. 然而, LTE-M 支持 1.4MHz 的更高带宽，峰值数据速率高达 1Mbps. 与 NB-IoT 不同，LTE-M 还支持全面的移动性和语音支持. 但代价是，尽管进行了 PSM 和 eDRX 等优化，LTE-M 仍会消耗更多电量.
总体, LTE-M 适合需要更高带宽的延迟敏感型应用, 而 NB-IoT 非常适合发送少量非时间关键数据的静态或缓慢移动设备. LTE-M需要向专利持有者支付专利费, 但 NB-IoT 通过利用现有的蜂窝频谱来避免网关成本. 这些标准对于不同的物联网用例是互补的 – LTE-M 实现稳健通信，NB-IoT 实现超节能.
窄带物联网与 劳拉
主要区别在于 NB-IoT 在许可的蜂窝频谱中运行，例如 4G LTE, 而 LoRa 使用 ISM 频段中的未授权频谱. 这意味着 NB-IoT 受益于蜂窝网络的安全性和可靠性, 而 LoRa 提供了更大的灵活性，因为任何人都可以部署自己的 LoRa 网络.
NB-IoT 还比 LoRa 具有更低的延迟和更高的吞吐量. 然而, LoRa的范围更远, 更低的功耗, 并降低模块成本. LoRaWAN 优先考虑最小化功耗, 达到 15+ 电池寿命数年.
NB-IoT 与 Sigfox
Sigfox 是另一种竞争性 LPWAN 技术，它使用 ISM 无线电频段中的未经许可的频谱. 它使用超窄带调制来提供远距离通信，同时使用非常低的功率.
NB-IoT 和 Sigfox 之间的主要区别在于 NB-IoT 具有更大的带宽, 更高的数据速率, 与 Sigfox 相比，延迟更低. NB-IoT 可以提供高达 250 kbps，延迟小于10s. Sigfox 的最大吞吐量为 100bps，典型延迟为 1-30s. 数据传输也没有返回设备的返回通道.
然而, Sigfox 在简单性和全球覆盖方面具有一些优势. Sigfox 网络更易于部署，并且已经在全球范围内实现了广泛的覆盖. NB-IoT 覆盖范围取决于蜂窝 LTE 建设，因此可能更加有限.
| NB-IoT | LTE-M | 劳拉 | 西格福克斯 | |
| 标准化 | 3总计划 | 3总计划 | LoRa联盟 | 欧洲电信标准协会 |
| 带宽 | 200 千赫 | 1.4 兆赫 | 250 千赫 | 100 赫兹 |
| 频率 | 领有牌照 | 领有牌照 | 无证 | 无证 |
| 数据吞吐量 | ＜250kbps | ＜1Mbps | ＜10kbps | ＜100bps |
| 潜伏 | 中 | 低 | 中 | 中 |
| 移动管理 | ❌ | ✔ | ✔ | ✔ |
| 扩大覆盖范围 | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
| 能量消耗 | 中低 (高于LoRa) | 中 (高于NB-IoT) | 非常低 | 低 |
| 可能的专用网络 | 没有 | 没有 | 是 | 没有 |
| 模块成本 | $7-12 | $10-15 | $9-12 | $5-10 |
| 无线电费用 | $ | $$$ | $ | $ |
NB-IoT 常见问题解答
使用窄带物联网需要付费吗?
是 – 与智能手机类似，数据计划是从移动运营商处购买的. 然而, 考虑到数据包很小, 成本可以远低于 $1 每台设备每月. 运营商之间的费用根据设备数量和数据使用等因素而有所不同.
NB-IoT 是否注重能源效率?
绝对地 – 10+ 电池寿命可达到一年，允许完全由电池供电的端点. 结合增强的覆盖范围, 这使得以前不可能的应用成为可能.
窄带物联网传输的延迟率是多少?
大多数数据传输在 1-10 秒. 对于延迟敏感的需求 1 第二, LTE-M 可能更适合.
