關于NB-IoT，你需要了解的一切

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(IoT)的興起。然而，為了真正實現物聯網革命，需要一種可靠的連接結構——一種能夠為預期的數十億個傳感器和端點提供廣泛、可靠的覆蓋范圍的結構。這就是NB-IoT(窄帶物聯網)發揮作用的地方。

那么NB-IoT到底是什么?這種 NB-IoT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系?讓我們深入了解一下。

什么是NB-IoT?

NB-IoT(窄帶物聯網)是3GPP標準化的LPWAN協議，用于支持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優化的專用無線路徑。顧名思義，NB-IoT使用非常窄的帶寬，可以實現出色的擴展覆蓋范圍，同時最大限度地延長設備的電池壽命，長達10年。

NB-IoT利用4GLTE頻段等許可頻段，專門針對物聯網連接對其進行優化。通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，移動網絡運營商可以快速部署該技術。

憑借出色的覆蓋范圍擴展和極高的能源效率，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，克服了大規模采用物聯網的兩個關鍵障礙。快速的全球部署已經開始，特別是在亞洲、歐洲和北美。

NB-IoT架構及其工作原理

2016年，3GPP在第13版中對NB-IoT進行了標準化，允許在移動運營商擁有的許可頻段內運行。NB-IoT設備和網絡之間的通信發生在指定的200kHz窄帶內，而標準蜂窩連接使用的頻帶要寬得多。

NB-IoT架構由終端設備(傳感器)、基站或接入點、核心網絡和應用服務器/平臺組成。當無法直接訪問時，可以使用網關等可選組件來連接建筑物內或地下的節點。

NB-IoT具有三種不同的部署模式，可最大限度地擴大各種基礎設施的覆蓋范圍：

• 帶內–利用普通LTE載波內的資源塊
• 保護頻帶–利用正常LTE載波內未使用的資源塊
• 獨立——利用專用頻譜中的獨立載波

通過利用現有的蜂窩基礎設施和頻譜，NB-IoT提供了受全球主要硬件和芯片組供應商支持的高效物聯網解決方案。通過其靈活的部署模型，其可以與2G、3G、4G、LTE-M和5G等其他蜂窩技術共存。

NB-IoT的優點和局限性

NB-IoT帶來了巨大的連接能力，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，并就NB-IoT何時最適合應用做出明智的決定。

窄帶物聯網的優點

低功耗——通過較小的傳輸帶寬和PSM和eDRX等非活動傳輸周期的省電功能實現超低功耗。這支持更長的電池壽命，這對于電源訪問有限的遠程設備至關重要。

增強覆蓋范圍——NB-IoT使用窄帶信號和數據包重傳，實現室內和地下的可靠連接。其范圍可達市區約1公里，鄉村約10公里，非常適合遠程設備。

海量連接——通過有效調度傳輸和睡眠窗口，NB-IoT基站可以同時支持超過50,000個設備。這種可擴展性支持大規模部署，對于跨基礎設施的大規模物聯網網絡至關重要。

低設備和部署成本——通過將設備復雜性降至最低，僅提供必要的連接，NB-IoT硬件成本僅為4G/5G調制解調器的一小部分。小數據計劃的成本也更低。由于不需要網關并利用現有頻段，部署比構建專用LPWAN網絡便宜得多。

NB-IoT的局限性

數據傳輸速度較低——NB-IoT的帶寬和速度低于LTE-M，缺乏高數據傳輸能力。其無法支持需要大吞吐量的語音/視頻應用。

更高的延遲——與4G和5G相比，NB-IoT在傳輸和接收數據包之間存在更大的延遲。對于需要實時、低延遲通信的用例來說，它并不是最佳選擇。

有限的設備移動性——NB-IoT帶寬低，且上行/下行速率慢，最適合固定或移動性極低的設備。無法有效支持4G-LTE和5G等網絡小區之間的快速切換。

全球覆蓋范圍較小——全球許多地區的NB-IoT部署仍在不斷增加。目前，NB-IoT網絡的漫游協議比移動網絡的漫游協議少，限制了無縫的全球覆蓋。

NB-IoT安全嗎?是否會被黑客攻擊?

NB-IoT利用3GPP為LTE網絡定義的經過驗證的安全框架。這包括設備和網絡之間的相互身份驗證、通過會話密鑰對數據進行無線加密，以及簽名的固件更新。其他設備級策略，如防篡改和異常檢測，進一步加強了安全性。

符合3GPP標準的另一個好處是，NB-IoT既支持蜂窩網絡中使用的當前安全協議，也支持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黑客攻擊，但NB-IoT提供了與當前移動網絡相當的強大標準化安全措施，以防止延伸到物聯網邊緣設備的一系列網絡威脅。

NB-IoT的關鍵用例和應用

憑借其長電池壽命、廣泛的范圍、小數據包傳輸和強大的安全性，NB-IoT是跨基礎設施系統連接傳感器、監視器和執行器的理想技術，以實現：

智能電表

實時遠程讀取燃氣、電力、水的使用情況，無需人工檢查。洞察實現更好的節能和泄漏檢測。NB-IoT的低功耗和增強的范圍甚至適合具有挑戰性的位置。

智慧城市

環境傳感器用于空氣/水質、聲音監控、垃圾箱溢出、停車位跟蹤、基礎設施監控，以及根據環境條件和人流進行調整的智能照明。

環境監測

無需大量電力或通信基礎設施，即可監控農田、河流、荒野和保護區的狀況、設備操作、入侵等。

智慧農業

通過NB-IoT連接的廉價濕度傳感器、設備監視器、土壤養分測試儀可提供更好的可視性，以優化澆水、施肥和跟蹤作物。

資產跟蹤和管理

經濟實惠的電池供電NB-IoT標簽可監控車輛、重型機械、可回收運輸物品(托盤、集裝箱)和遠程資產基礎設施的位置和狀況。

智能家居

傳感器監控房間占用情況、溫度、濕度、噪音、光照水平，而控制器則根據條件和使用模式自動調節暖通空調、照明和電器，以提高舒適度、安全性和能源效率。

智慧醫療

NB-IoT的低功耗需求和廣域連接非常適合通過治療期間的遠程監控來改善患者護理。如果高危患者嘗試自行站立或移動，基于NB-IoT的跌倒定位系統可以盡早發出通知。可以提醒護理人員及時幫助患者。

這些應用幾乎擴展到每個行業，從交通運輸到能源、教育、零售，等等。幾乎任何需要長期連接以進行低帶寬數據傳輸的東西都可能適合NB-IoT。

NB-IoT與其他LPWAN的比較

盡管存在其他節能的物聯網網絡選項，但NB-IoT結合了多種優勢，使其成為各種部署的領先競爭者。下面將NB-IoT與其他三種廣泛使用的低功耗廣域網技術(LTE-M、Sigfox和LoRaWAN)進行比較：

NB-IoT與LTE-M

NB-IoT和LTE-M都是3GPP針對物聯網標準化的蜂窩LPWAN技術。然而，LTE-M支持1.4MHz的更高帶寬，峰值數據速率更快，高達1Mbps。與NB-IoT不同，LTE-M還支持全面的移動性和語音支持。但代價是，盡管進行了PSM和eDRX等優化，LTE-M仍會消耗更多電量。

總體而言，LTE-M適合需要更高帶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數據的靜態或慢速移動設備。LTE-M需要向專利持有者支付專利使用費，但NB-IoT通過利用現有的蜂窩頻譜來避免網關成本。這些標準對于不同的物聯網用例是互補的——LTE-M用于穩定通信，NB-IoT用于超節能。

NB-IoT與LoRa

主要區別在于，NB-IoT在4GLTE等許可蜂窩頻譜中運行，而LoRa使用ISM頻段中的非許可頻譜。這意味著NB-IoT受益于蜂窩網絡的安全性和可靠性，而LoRa則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。

與LoRa相比，NB-IoT還具有更低的延遲和更高的吞吐量。然而，LoRa具有更遠的范圍、更低的功耗和更低的模塊成本。LoRaWAN優先考慮最大限度地降低功耗，實現長達15年以上的電池壽命。

NB-IoT與Sigfox

Sigfox是另一種與之競爭的LPWAN技術，它使用ISM無線電頻段中的未經許可的頻譜。它使用超窄帶調制來提供遠距離通信，同時使用很少的功率。

NB-IoT和Sigfox之間的主要區別在于，與Sigfox相比，NB-IoT具有更大的帶寬、更高的數據速率和更低的延遲。NB-IoT可以提供高達250kbps的吞吐量，延遲小于10秒。Sigfox的最大吞吐量為100bps，典型延遲為1-30秒。數據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方面具有一些優勢。Sigfox網絡更易于部署，并且已經在全球范圍內實現了廣泛的覆蓋。NB-IoT覆蓋范圍取決于蜂窩LTE建設，因此可能更加有限。

常見問題解答

1.使用NB-IoT需要付費嗎?

答：需要。數據套餐是從移動運營商處購買的，類似于智能手機。然而，考慮到數據包很小，每臺設備每月的成本可能遠低于1美元。運營商之間的費用根據設備數量和數據使用等因素而有所不同。

2.NB-IoT是否注重能源效率?

答：是的。電池壽命可達到10年以上，允許完全由電池供電的端點。與增強的覆蓋范圍相結合，這使得以前不可能的應用成為可能。

3.NB-IoT傳輸的延遲率是多少?

答：大多數數據傳輸在1-10秒內完成。對于1秒以下的延遲敏感需求，LTE-M可能更適合。