NB-IoT技术解析：如何实现低功耗、低成本与广覆盖？

发布时间：2024-12-03作者来源：澳门新葡萄新京威尼斯987浏览：1806

B-IoT技术正以其独特的优势，为物联网设备连接带来前所未有的变革。无论是智能城市、智能制造，还是消费电子，NB-IoT都在其中扮演着关键角色。跟随文章，和我们一起深入了解它的工作原理、技术特点以及它如何塑造我们的智能生活。

什么是NB-IoT

NB-IoT（Narrowband Internet of Things），即窄带物联网，是一种基于蜂窝网络的低功耗广域网（LPWAN）技术，专门为大规模物联网（IoT）设备设计。NB-IoT通过优化无线网络覆盖、延长电池寿命、降低设备复杂度及成本，来实现大规模、低速率的物联网设备连接。其主要应用场景包括智能表计量、智能城市、资产追踪、环境监测等。与传统互联网的通信场景不同，物联网的通信场景偏重于低功耗广覆盖，数据偶发数据量较小的网络场景LPWA（Low-Power Wide-Area）。

这在无线通信领域里归为低功耗广域网的范畴，NB-IoT是其中使用最广泛的技术之一。它基于蜂窝网络，部署在运营商的授权频段，只消耗大约180KHz的带宽。它可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，为物联网终端设备提供了良好的公共网络接入，做到了低部署成本并实现设备平滑升级。

NB-IoT的基本应用架构如图中所示。其数据交互的过程为：NB-IoT终端产品（模组/芯片）将数据发送至NB-IoT网络，NB-IoT网络再将数据传至IoT平台，IoT平台再将数据转发到业务平台进行处理。

NB-IoT的特点是覆盖广，具备海量连接能力，同时做到了低功耗。它相比于传统GSM可以提供10倍的覆盖面积。一个基站可以覆盖10km的范围，而且它具备比LTE和GPRS高20dB的增益，能覆盖到地下车库等信号微弱的地方。这是因为它的信号在更窄的带宽中发送，相同功率下具有更高的功率谱密度PSD(Power Spectrum Density)，所以增益更大，并且由于引入了eDRX省电技术和PSM省电模式，进一步降低了功耗。

为了和现有的移动网络兼容，NB-IoT主要基于LTE技术并做了相应修改。它可以做到和LTE并行部署，在下行链路互不影响。并且它精简了通信信道，减小了实现的复杂性。在频谱利用方面它有三种方式：

独立部署：在GSM空闲频谱中部署。
带内部署：使用了在现有LTE频段的资源块，不影响LTE数据传输。
保护带部署：是利用了LTE频谱的保护带，实现了频谱资源的[敏感词]化。

为了做到增强覆盖，NB-IoT提升了上行功率谱密度。相比于LTE，它的信息在更窄的LTE带宽中发送，那么相同发射功率下的功率谱密度增大，降低了接收方的解调要求。在NB-IoT的上行信道上，同样也支持无线信道上的数据重传。重传就是使用多个数据帧传送同一个信息块。NB-IoT[敏感词]可支持下行2048次重传，上行128次重传。这样的方式可以增加信号覆盖的范围，但数据重传势必将导致时延的增加，从而影响信息传递的实时性。

为了做到更省电， NB-IoT仅支持 FDD 半双工模式，意味着不必同时处理发送和接收，其达到的效果，比起全双工成本更低廉，更省电。低速率和低带宽本身意味着芯片处理复杂度降低。

下表是低功耗广域网的几个技术对比，可以看到 NB-IoT工作在授权频谱下，具备窄带宽，低数据吞吐量，允许[敏感词]时延达到了10秒。考虑到NB终端的应用场景一般对时延不敏感，比如智能水表，燃气表等，所以这种特性更有助于节省功耗。

主流NB-IoT模块

这是ublox推出的SARA-R422系列模块。它同时提供 LTE-M、NB-IoT 和 EGPRS 信号通信，可以将LTE通信和全球卫星定位系统相结合，随时随地获取精准定位信息。u-blox 定位云服务 CloudLocate 可减少电能消耗，延长物联⽹应⽤的使⽤寿命。同时它具备工业级的输出功率, 达到了23 dBm。它可以使用MQTT Anywhere 和 MQTT Flex ，一套用于物联网的轻量级消息传递协议，实现高性价比、高功率的端到端物联网通信。由于具备长寿命、低维护、成本敏感、低功耗的特点，它非常适合智能计量设备，如天然气/水/电表、智能照明，包括路灯照明、大楼自动化、远程信息处理、资产跟踪、远程监控、以及各种的消费穿戴装置。