什么是窄带物联网(NB-IoT)？NB-IOT基站与普通基站的区别

技术前沿：窄带物联网(NB-IoT)

随着物联网（IoT）预计到2025年将达到750亿台设备，我们将需要无线网络来支持它们。但如果你希望部署自己的物联网设备，你最好的网络选择是什么？

先了解一下什么是LTE-Cat.1、LTE-M和NB-IoT

什么是LTE-Cat.1

LTE（Long-Term Evolution）是一种4G无线移动通信技术，提供了高速数据传输和低延迟的网络连接。LTE网络可以通过不同的UE（User Equipment）类别来满足不同的应用需求，其中包括LTE Cat.1、LTE Cat.2、LTE Cat.3和LTE Cat.4等不同级别的UE设备。

LTE-Cat.1 是 4G 通信 LTE 网络下用户终端类别的一个标准，上行峰值速率 5 Mbps，下行峰值速率 10 Mbps，定位于面向 IoT 应用市场的一个类别。

什么是LTE-M

LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演进的物联网技术，基于蜂窝网络进行部署，支持上下行最大1Mbps的峰值速率，属于物联网中速率，其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽，可以直接接入现有的LTE网络。

LTE-M 最关键能力在于支持移动性并可以定位，成本只有Cat1芯片的25%，相比于GPRS速率要高四倍。

LTE-M 具有以下四大优势：

速率高，LTE-M支持上下行最大1Mbps的峰值速率，远远超过GPRS、 ZigBee等物联技术的速率，可以支撑更丰富的物联应用，如低速视频、语音等；

移动性，LTE-M支持连接态的移动性，物联网用户可以无缝切换保障用户体验；

可定位，基于TDD的LTE-M可以利用基站侧的PRS测量，在无须新增GPS芯片的情况下就可进行位置定位，低成本的定位技术更有利于LTE-M在物流跟踪、货物跟踪等场景的普及：

支持语音，LTE-M从LTE协议演进而来，可以支持 VOLTE语音，未来可被广泛应用到可穿戴设备中。

什么是窄带物联网NB-IoT？

窄带物联网NB-IoT (Narrowband Internet of Things)（也称为NB-IoT或LTE-M2）是一种LPWAN技术，不在许可的LTE结构中运行。相反，它的工作方式有三种：

1）独立组网

2）在以前用于GSM（全球移动通信系统）的未使用的200kHz频带中

3）在LTE基站上，将资源块分配给NBIoT操作或在其保护频带中。

华为，爱立信，高通和沃达丰等电信巨头已将这一标准与3GPP结合在一起。华为，爱立信和高通对NB-IoT感兴趣，因为它具有许多优势。

窄带物联网是指使用较小的频段传输数据，并且不需要高速数据传输的通信技术。它可以将大量低速数据从远程设备传输到云端，并具有超长续航时间和更广泛的覆盖范围。

在NB-IoT中，数据传输速率较慢，但功耗非常低。这使得设备可以长时间运行，并且不需要频繁更换电池。此外，NB-IoT还具有更广泛的覆盖范围和更好的穿透能力，在地下室、隧道或其他深度建筑物内都可以提供可靠的连接。

那么，NB-IoT有哪些应用场景呢?

由于其低功耗、广泛的覆盖范围和穿透能力，NB-IoT被广泛应用于智能家居、物联网设备、智慧城市、工业自动化等领域。

NB-IOT基站与普通基站的区别

随着物联网技术的快速发展，NB-IoT(Narrowband Internet of Things)已经成为了一种广泛应用于物联网领域的通信技术。相比于传统的移动通信方式，NB-IoT在低功耗、长续航、广覆盖等方面具有明显优势。而NB-IoT基站与普通基站之间也存在着一些差异。

1. 技术标准不同

NB-IoT是由3GPP(第三代合作伙伴计划)组织制定的一项物联网标准。它是在LTE(Long Term Evolution)技术标准下开发出来的，专门用于连接大量低功耗设备和传感器，并提供长距离、广覆盖和高可靠性的通信服务。而普通基站则是依据GSM(Global System for Mobile Communications)或CDMA(Code Division Multiple Access)等移动通信技术标准设计和建造的。

2. 覆盖范围不同

由于物联网设备数量庞大且分布范围广泛，因此NB-IoT需要具有更广阔、更稳定、更可靠的覆盖范围。而普通基站则主要服务于人类通信需求，其覆盖范围相对较小，一般只能覆盖城市或者城市周边地区。

3. 功耗和带宽不同

NB-IoT设备在传输数据时需要消耗更少的电量，因此NB-IoT基站的功耗也要比普通基站低。此外，由于NB-IoT主要用于传输少量数据，因此其带宽要比普通基站小得多。

4. 部署方式不同

普通基站一般采用集中式部署方式，即所有设备都连接到同一个基站上。而NB-IoT基站则采用分布式部署方式，即一个区域内可能会有多个小型基站组成一个网络，每个小型基站只服务于该区域内的一部分设备。

5. 信道资源分配不同

普通基站主要为人类通信服务，因此在信道资源分配上会考虑到人类通信质量和用户数量等因素。而NB-IoT则需要更为灵活的信道资源分配方案，在保证设备正常运行的前提下尽可能地节约能源。

所以尽管NB-IoT和普通移动通信技术都是基于无线电波传输的，但是它们之间存在着很多差异。NB-IoT的出现，为物联网应用提供了更为可靠、更为高效的通信方式。随着技术不断发展，NB-IoT将会在物联网领域扮演越来越重要的角色。

窄带物联网技术与LTE技术的关系

随着物联网技术的快速发展，越来越多的设备通过互联网连接在一起，形成了一个庞大的网络。为了满足不同场景下设备对于网络的不同需求，人们开发出了不同的物联网技术，其中最流行的是窄带物联网(NB-IoT)和LTE技术。这两种技术虽然有着不同的应用场景和特点，但是它们之间也存在一些相互联系的地方。

由于物联网设备数量庞大且分布范围广泛，因此NB-IoT需要具有更广阔、更稳定、更可靠的覆盖范围。而普通基站则主要服务于人类通信需求，其覆盖范围相对较小，一般只能覆盖城市或者城市周边地区。

窄带物联网技术是一种专门用于连接物联网设备的无线通信技术。它可以实现低功耗、广覆盖、低成本、高可靠性的物联网连接。相较于传统的蜂窝网络，窄带物联网技术具有更低的功耗和更广的覆盖范围，因此它被广泛应用在物联网领域。窄带物联网技术有三种不同的标准：NB-IoT、eMTC和EC-GSM-IoT，其中NB-IoT是最为流行的一种。

LTE技术是一种高速无线通信技术，它可以提供高速数据传输和高质量的语音通信服务。相较于3G技术，LTE技术具有更高的传输速率和更低的延迟。因此，它被广泛应用在移动通信领域。目前，LTE技术已经发展到了第四代(4G)和第五代(5G)。

虽然窄带物联网技术和LTE技术在应用场景和特点上有所不同，但是它们之间也存在着一些相互联系的地方。首先，窄带物联网技术是建立在LTE技术的基础上的。它使用LTE的核心网和基站设备，通过软件升级的方式来实现物联网连接。因此，窄带物联网技术可以与LTE技术无缝衔接，实现更加高效和便捷的物联网连接。

其次，窄带物联网技术和LTE技术也可以相互协作，实现更加智能化的物联网应用。例如，在智能家居领域，窄带物联网技术可以连接各种智能设备，如智能灯泡、智能门锁等，而LTE技术则可以提供高速的网络连接，实现智能家居设备之间的互联互通。

最后，窄带物联网技术和LTE技术也可以相互补充，实现更加全面的物联网覆盖。窄带物联网技术可以实现低功耗、广覆盖的物联网连接，而LTE技术则可以提供高速、高质量的数据传输服务。因此，在一些特殊的物联网场景中，窄带物联网技术和LTE技术可以相互补充，实现更加全面的物联网覆盖。

窄带物联网技术与LTE技术的应用

窄带物联网技术和LTE技术在不同的领域中都有着广泛的应用。

1）智能家居

在智能家居领域，窄带物联网技术可以连接各种智能设备，如智能灯泡、智能门锁等，实现设备之间的互联互通。而LTE技术则可以提供高速的网络连接，为智能家居设备提供更加便捷的远程控制服务。

2）智能交通

在智能交通领域，窄带物联网技术可以实现车辆与车辆之间、车辆与路边设施之间的互联互通，实现智能交通管理和车辆安全监控。而LTE技术则可以为车辆提供高速的网络连接，为车辆驾驶提供更加便捷的导航和信息服务。

3）智能制造

在智能制造领域，窄带物联网技术可以实现设备之间的互联互通，实现智能制造设备的远程监控和控制。而LTE技术则可以为智能制造设备提供高速的网络连接，实现设备之间的数据交互和协同工作。

因此，窄带物联网技术和LTE技术是两种不同的无线通信技术，它们在应用场景和特点上有所不同，但是它们之间也存在着相互联系的地方。窄带物联网技术是建立在LTE技术的基础上的，它可以与LTE技术无缝衔接，实现更加高效和便捷的物联网连接。在不同的物联网领域中，窄带物联网技术和LTE技术都有着广泛的应用，它们可以相互协作、相互补充，实现更加智能化、全面化的物联网覆盖。

商业利益

1）功率效率

有效地为物联网设备供电至关重要。想想看：谁愿意每六个月更换200亿台设备的电池？虽然几乎所有的物联网技术都是为了在不工作的情况下节省电力而开发的，但它们确实在调制解调器运行和处理信号时消耗能量。

2）节省成本

波形更简单的技术，比如NBIoT，将消耗更少的功率。200kHzNB物联网前端和数字化已降低了模数（A/D）和数模（D/A）转换、缓冲和信道估计的复杂性。省电=节省成本。另外，NB-IoT芯片制造起来更简单，因此也更便宜。

3）可靠性

在获得许可的频谱上推出NB-IoT意味着提高了用户的可靠性，并保证了托管服务质量（QoS）所需的有保证的资源分配。

4）更广泛的部署

与LTE-M1相比，NB-IoT具有更低的比特率和更好的链路预算。此外，根据华为的EmmanuelCoehloAlves在物联网中心的一篇文章，NB-IoT不需要网关来提供连接。

他说，NB-IoT可以直接将传感器连接到基站，而不是创建另一个需要管理和操作的设备。这将提高灵活性，同时降低成本。

5）全球范围

虽然美国的重量级公司已经在LTE网络上投资了数十亿美元，但即使试点和网络部署如火如荼，全球仍有许多地区的LTE数量较少。在美国以外，还有更大的GSM部署，可以在这些部署上找到可用于NB-IoT的未使用频段。NB-IoT可以帮助IoT创新者在全球新市场找到负担得起的切入点。

即使在美国，Sprint或T-Mobile等较小的运营商也可能在现有的GSM频谱上部署NB-IoT，以扩展连接，而无需Verizon或AT&T的LTE投资。

NB-IoT应用

NB-IoT应用程序可以跨越许多服务类别。这些包括：

1）智能计量（电，气和水）

2）设施管理服务

3）住宅和商业物业的防盗报警和火警

4）连接的个人电器可测量健康参数

5）追踪人，动物或物体

6）智能城市基础设施，例如路灯或垃圾箱

7）连接的工业设备，例如焊接机或空气压缩机。

NB-IOT采用哪几种数据传输方案

NB-IoT是一种低功耗广域物联网通信技术，其优点在于低成本、低功耗、覆盖范围广等方面。在实际应用中，NB-IoT采用了多种数据传输方案来满足用户需求。

1）、非接入层数据传输

非接入层数据传输是指在物理层和MAC层之外的数据传输方式。这种方式可以通过IP网络连接到云端或其他网络，实现数据的远程访问和处理。此外，非接入层数据传输还可以通过短信和邮件等方式进行数据传递。

2）、IP层数据传输

IP层数据传输是指将NB-IoT设备连接到互联网，并使用TCP/IP协议进行通信。这种方式可以通过云端平台进行实时监控和管理，并且可以与其他系统集成，从而实现更高效的数据管理和处理。

3）、消息队列传输

消息队列传输是一种异步通信机制，它将消息发送到队列中，并由消费者从队列中获取消息进行处理。这种方式可以有效地减轻服务器负载，并提高系统的可靠性和扩展性。

4）、直接连接

直接连接是指将NB-IoT设备直接连接到服务器或计算机上，以便进行实时监控和管理。这种方式具有低延迟和高可靠性的优点，但需要消耗更多的能量和资源。

总之，NB-IoT采用多种数据传输方案，可以根据实际需求进行选择。

窄带物联网通信系统的发展趋势

随着物联网技术的不断发展，窄带物联网通信系统也在不断演进，有以下几个发展趋势：

1）多模通信：窄带物联网通信系统将与其他通信技术相结合，实现多模通信，提高通信的可靠性和覆盖范围。

2）安全性增强：窄带物联网通信系统将加强对数据的加密和身份验证，提高通信的安全性，保护用户隐私。

3）智能化应用：窄带物联网通信系统将与人工智能技术相结合，实现智能化的应用，提供更加个性化的服务。

4）边缘计算：窄带物联网通信系统将采用边缘计算技术，实现数据的快速处理和实时响应，提高通信的效率。

潜在障碍

对于大多数运营商转向LTE支持而言，部署可能是一个问题。随着NB-IoT部署，开发操作软件的初始成本也可能会增加。此外，在现有GSM频谱很少的情况下，调制解调器的前端和天线可能变得更加复杂。最后，ISP巨头可能会提高许可费。

但是，由于200-kHzGSM频谱利用率低下，许多人都希望使其成为迄今为止最好的低功耗广域网。因此，难怪Gartner将NB-IoT视为LPWAN领域的关键部分，蜂窝物联网的未来更加光明。

NB-IoT物联网通讯组网基础

NB-IoT（NarrowBandInternetofThings）是IoT领域基于蜂窝的窄带物联网的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，是一种低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT只需要180kHz的频段，可直接部署于GSM网络.UMTS网络或LTE网络中。特点是覆盖广、速率低、成本低、连接数量多、功耗低等。由于NB-IoT使用的授权License频段.因此可以采取带内、保护带或独立载波这三种部署方式。

1.NB-IoT技术特点

1）多链接

在同一基站的情况下,NB-IoT能提供50〜100倍的2G/3G/4G的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持延时不敏感业务、设备成本低、设备功耗低等优势。如目前运营商给家庭中每个路由器仅开放8-16个接入口，一个家庭中通常有多笔记本、手机、联网电器等，未来实现全屋智能、安装有上百种传感器的智能设备都联网就需要新的技术方案，NB-IoT多连接可以轻松解决未来智慧家庭中大量设备联网需求。

2）广覆盖

NB-IoT比LTE提升20dB增益的室内覆盖能力，相当于提升了100倍覆盖区域能力。如可以满足农村的广覆盖、地下车库、厂区、井盖等深度覆盖需求。如井盖监测,GPRS的方式需要伸出一根天线，来往车辆极易损坏，采用NB-IoT可以轻松解决这个问题。

3）低功耗

物联网得以广泛应用的一项重要指标是低功耗，尤其是一些如安置于高山荒野偏远地区等场合中的各类传感监测设备，经常更换电池或充电是不现实的，不更换电池的情况下工作几年是最基本的需求。NB-IoT聚焦小数据量、小速率的应用，因此NB-IoT设备功耗小，设备续航时间可达到几年。

4)低成本

NB-IoT利用运营商已有的网络无须重新建网，射频和天线基本上都是复用，如运营商现有频带中空出一部分2G频段，就可以直接进行LTE和NB-IoT的同时部署。NB-IoT模组目前看仍然有点昂贵，另外物联网的很多场景无须更换NB-IoT,仅需近场通信或者通过有线方式便可完成。

NB-IoT±行采用SC-FDMA,下行采用OFDMA,支持半双工，具有单独的同步信号。其设备消耗的能量与数据量或速率有关，单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。NB-IoT可以让设备时时在线，通过减少不必要的信令达到省电目的。

2.NB-IoT的网络结构

1)核心网

蜂窝物联网(CIoT)在EPS(EvolvedPacketSystem)演进分组系统定义了两种优化方案：CIoTEPS用户面功能优化(User Plane CIoTEP Soptimisation)；CIoTEPS控制面功能优化(Contro lPlane CIoTEP Soptimisation),旨在将物联网数据发送给应用，如图3-17所75。

图3-17NB-IoT核心网结构

图3-17中，CIoTEPS控制面功能优化方案用实线表示,CIoTEPS用户面功能优化方案用虚线表示。对于CIoTEPS控制面功能优化，上行数据从eNB(CIoTRAN)传送至MME,可以通过SGW传送到PGW再传送到应用服务器，或者通过SCEF(ServiceCapabilityExposureFunction)连接到应用服务器(CIoTServices)，后者仅支持非IP数据传送。下行数据传送路径也有对应的两条。此方案数据包直接用信令去发送，不需建立数据链接，因此适合非频发的小数据包传送。SCEF是用于在控制面上传送非IP数据包，专为NB-IoT设计引入的，同时也为鉴权等网络服务提供了一个抽象的接口。对于CIoTEPS用户面功能优化，物联网数据传送方式和传统数据流量一样，在无线承载链路上发送数据，由SGW传送到PGW再到应用服务器。这种方案在建立连接时会产生额外的开销，但数据包序列传送更快，也支持IP数据和非IP数据传送。

2)接入网

如图3-18所示,NB-IoT的接入网构架与LTE—样。

eNB通过S1接口连接到MME/S-GW，接口上传送的是NB-IoT数据和消息。NB-IoT没有定义切换，但在两个eNB之间依然有X2接口，X2接口使能UE在进入空闲状态后，快速启动resume流程，接入到其他eNB。

3.工作频段

全球大多数运营商部署NB-IoT使用的是900MHzg频段，也有些运营商用的是在800MHz频段内。如表3-5所示，中国联通的NB-IoT部署在900MHz、1800MHz频段。中国移动为建设NB-IoT物联网，将会获得FDD牌照，并允许重耕现有的900MHz、1800MHz这两个频段。中国电信的NB-IoT部署在800MHz频段，频宽只有15MHz。

表3-5 NB-IoT部署频段

运营商	上行频率/MHz	下行频率/MHz	频宽/MHz
中国联通	900〜915	945〜960	6
	1745〜1765	1840〜1860	20
中国移动	890〜900	934〜.944	10
	1725〜1735	1820〜1830	10
中国电信	825〜840	870〜885	15
中广移动	700	一	一

4.部署方式

NB-IoT占用180kHz带宽，与在LTE帧结构中一个资源块的带宽相同。如图3-19所示，有三种部署方式。

1)独立部署(Standaloneoperation)

适用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200kHz,正好为NB-IoT开辟出两边还有10kHz的保护间隔180kHz带宽的空间。

2)保护带部署(Guardbandoperation)

利用LTE边缘保护频带中未使用的180kHz带宽的资源块。

3)带内部署(In-bandoperation)

利用LTE载波中间的任何资源块。

NB-IoT适合运营商部署，为物联网时代带来大数量连接、低功耗、广覆盖的网络解决方案。在2016年中国联通在7个城市（北京、上海、福州、长沙、广州、深圳、银川）启动基于900MHz.1800MHz的NB-IoT外场规模组网试验，以及6个以上业务应用示范。2018年开始全面推进国家范围内的NB-IoT商用部署。中国移动于2017年开启NB-IoT商用化进程。中国电信于2017年部署NB-IoT网络。

在物联网网络传输层的安全防护机制方面也有一系列的解决方案和措施。

首先针对非法截收以及非法访问的攻击，可以采取数据加密的方式解决。在物联网中一般采用信息变换规则将明文信息转换成密文信息的方式进行数据加密，即使攻击者非法获得数据信息，不了解信息变换规则，这些数据也会变得毫无意义，达不到攻击目的。

针对假冒用户身份的攻击可以通过鉴别的方法解决，通过某种方式使使用者证实自己确是用户自身，来避免冒充和非法访问的安全隐患。鉴别的方法有很多，常的是消息鉴别，消息鉴别主要是验证消息的来源是否真实，可以有效防止非法冒充；另外，消息鉴别也检验数据的完整性，有效地抵制消息被修改、插入、删除等攻击行为。数字签名也是一种鉴别方法，采用数据交换协议，达到解决伪造、冒充、篡改等问题的目的。

防火墙是最常见的应用型安全技术，它通过监测网络之间的信息交互和访问行为来判定网络是否受到攻击，一旦发现疑似攻击行为，防火墙就会禁止其访问行为，并向用户发送警告。防火墙通过监测进出网络的数据.对网络进行了有效、安全的管理。

非法访问是一种非常常见的攻击类型，访问控制机制是一种确保各种数据不被非法访问的安全防护措施，常用的访问机制是基于角色的访问控制机制，这种访问机制一旦被使用，可访问的资源十分有限。基于属性的访问控制机制是由主体、资源、环境等属性共同协商生成的访问决策，访问者发送的访问请求需要访问决策来决定是否同意访问，是基于属性的访问机制。这种访问机制对较少的属性来说，加密解密效率极高，但密文长度随着属性的增多而加长，其加密解密的效率也降低。

审核编辑：汤梓红