物聯網LPWA通訊技術(1)：NB-IOT通訊特點及主要場景應用

01 什麼是NB-IoT？

要明白什麼是NB-IOT，我們首先要了解什麼是低功耗廣域網，它的英文全稱為Low Power Wide Area Network（簡寫：LPWAN) ，即低功耗廣域網路，是區別於我們日常所熟知的3-4-5G遠距離通訊網路；它是一種遠距離低功耗的無線通訊網路技術，主要包含NB-IOT、LoRa、Sigfox、eMTC四種，其中NB-IOT、LoRa近年來備受市場的關注和追捧尤其是NB-IOT。

我們都知道物聯網是萬物互聯，隨著我們第6版網際網路協議（IPv6）的誕生，支援2^128個網路地址，就意味著地球上每平方英寸可分配4.3×10^20網路地址，而這為每一個物聯裝置尤其是感測器都能分配一個網路地址掃除了障礙。

未來每一個裝置都能夠基於自己的網路地址實現“上網”、與其他裝置“交流”，我們日常接觸的3-4-5G，主要是用於人與人之間的網路通訊；而LPWAN存在的意義我們可以理解為，為裝置之間的通訊打好通訊網路基礎，而且這種通訊技術具有網路覆蓋範圍廣、終端功耗低等特點比較適合大規模的物聯網應用部署。

說完LPWAN，開始來介紹其中的主角，NB-IOT。

NB-IOT全稱之為Narrow Band-Internet of Things，窄帶物聯網；基於蜂窩網路，可直接部署於GSM網路、UMTS網路或LTE網路，部署成本低；它的傳輸距離可達十幾公里，每個網路單元可以支援接入50，000個裝置終端。

速度方面，NB-IoT的頻射網路頻寬為200kHz。傳輸速率一般在160kbps-250kbps之間；又由於NB-IOT通訊結構及裝置本身的資料接收及上報模式的設定等因素，NB-IOT通訊常會具有10s內的傳輸延時。

02 NB-IoT組網通訊及工作方式？

NB-IoT通訊通常具有以下幾個部分：

1. NB-IoT通訊模組：具有NB-IoT通訊模組的相關裝置就可具備NB-IoT通訊能力；
2. 供電模組：裝置執行需要用電。對時延有高要求的業務需要採取持續有線供電，如智慧路燈；若是對時延要求不高的業務場景，則會採用紐扣電池或家裡常見的5號電池，如埋在地下的用電池的NB-IoT水錶，一用就是3-5年。
3. 物聯網絡卡：給裝置上網用的流量卡，用於裝置通訊，可對應理解為人們上網需要開通流量包；
4. NB-IoT通訊基站：NB-IoT裝置獲取到的資訊需要傳送給專門的NB-IoT基站，不支援自組網模式；目前國內的3大運營商甚至華為等廠商都已經在積極佈局NB-IoT基站，國外如沃達豐、德國電信、日本軟銀等十幾家運營商也都紛紛入局參與NB-IoT基站網路的建設。
5. 使用者伺服器：基站收到裝置的資料傳送到對應的使用者伺服器，並基於伺服器的資料在對應的PC、手機APP端進行相關的資料管理及頁面展示。

NB-IoT三種工作模式

裝置除了本身上報資料之外可能還需要進行相應的業務動作，如關煤氣閥門等，這時候操作指令需要下發至裝置，被裝置接收並執行；但是傳送指令首先要搜尋到相關裝置，於是就存在了以下幾種工作模式。

模式一：隨時待命模式

DRX，隨時接收資料，和隨時監視一樣，所以耗電量最高，（DRX待機功率約為1mA），但隨時可以搜到裝置。

模式二：間歇性休眠偷懶模式

eDRx：是指開啟網路一段時間，然後關閉網路一段時間；資料on時可以接收，但停止時不能接收；停止時間可以設定為數十秒到數小時（每隔5分鐘eDRX的待機功率約為0.2mA）——睡眠不工作、省電，找到裝置需要幾分鐘甚至1-2h。

模式三：間歇性休眠偷懶模式PLUS+

PSM：eDRX省電升級版，降低eDRX交換網路的頻率，低到每隔幾天開放一次網路的程度，找到裝置可能需要一兩天時間；同樣，網路開啟時可以接收資料，但網路沒有開啟時不能接收資料（在PSM模式下，待機功耗是微安全級別，在這種情況下，“一個電池一般可用5年”）。

總結：

各種模式的存在的核心還是在於滿足各場景應用需求、最大限度的降低裝置執行能耗，延長裝置工作時間和壽命。

各模式可轉換，透過相關感測器實現工作狀態的切換，如加速度感測器、動作切換觸發器；如智慧井蓋，加速度感測器檢測到反轉，可以由“偷懶休息模式”切換到DRX（隨時待命）模式，隨時準備上報最新的井蓋狀態，做好安全防範。

03 NB-IoT適用於什麼條件？哪些場景、？

NB-IoT網路通訊比較適合於終端較為分散、環境網路訊號不好、沒有穩定電源、傳輸速率要求相對較高、中&高頻上行資料傳輸等情況。

主要場景應用有，共享單車、智慧門鎖、智慧路燈、智慧監控、水電抄表、智慧煙感等。

04 NB-IoT典型應用介紹——水電抄表

NB-IoT通訊技術，目前在能源電力行業應用的最為成熟，只要裝一個具有NB-IoT通訊模組的水電錶就能實現遠端抄表，而且NB水電錶通常都是透過電池來進行供電。

一般來說，NB水、電錶裝置15分鐘（可DIY）採集一次實時資料，既每天96個數據，資料可以透過既定的協議採取實時傳送（比較耗電），也可以一天上報一次，幾天上報一次都可以，只需要將採集好的資料打包好就行。

如圖，水電錶將收集上的資料定時定點透過NB-IoT通訊模組上傳到NB-IoT通訊基站，由基站將收到的資料傳送到對應的伺服器上；並且PC管理後臺、手機應用端都是基於伺服器來進行相應的資料展示及管理。

05 NB-IoT優、缺點？

NB-IoT優點：

• 連線多：每個單元可以支援50，000個裝置終端連線管理。
• 訊號好：NB-IoT比LTE提升20dB增益，相當於發射功率提升了100倍，即覆蓋能力提升了100倍，即使將水錶埋在人孔的覆蓋下，NB-IoT也不會影響訊號的收發。
• 不需要閘道器組網：成本低、組網執行更靈活、簡單。
• 低功耗：待機可用10年。

NB-IoT缺點：

• 高密度網路不適合使用中央管理模式，一個單元可以支援100，000個NB-IoT終端訪問，輪訓增加系統負擔。
• 模組成本高：相較而言，NB-IoT模組比ZigBee、lora等晶片NB-IoT更貴。
• 相關人力及實施成本如：如硬體成本、安裝成本、服務成本較高。

本文由 @知識農夫 原創釋出於人人都是產品經理，未經許可，禁止轉載。

題圖來自Unsplash，基於CC0協議。