关于NB-IoT,你需要了解的一切

物联网
NB-IoT(窄带物联网)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,NB-IoT使用非常窄的带宽,可以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,长达10年。

关于NB-IoT,你需要了解的一切

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(IoT)的兴起。然而,为了真正实现物联网革命,需要一种可靠的连接结构——一种能够为预期的数十亿个传感器和端点提供广泛、可靠的覆盖范围的结构。这就是NB-IoT(窄带物联网)发挥作用的地方。

那么NB-IoT到底是什么?这种 NB-IoT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?让我们深入了解一下。

什么是NB-IoT?

NB-IoT(窄带物联网)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,NB-IoT使用非常窄的带宽,可以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,长达10年。

NB-IoT利用4GLTE频段等许可频段,专门针对物联网连接对其进行优化。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,移动网络运营商可以快速部署该技术。

凭借出色的覆盖范围扩展和极高的能源效率,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,克服了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,特别是在亚洲、欧洲和北美。

NB-IoT架构及其工作原理

2016年,3GPP在第13版中对NB-IoT进行了标准化,允许在移动运营商拥有的许可频段内运行。NB-IoT设备和网络之间的通信发生在指定的200kHz窄带内,而标准蜂窝连接使用的频带要宽得多。

NB-IoT架构由终端设备(传感器)、基站或接入点、核心网络和应用服务器/平台组成。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,可最大限度地扩大各种基础设施的覆盖范围:

  • 带内–利用普通LTE载波内的资源块
  • 保护频带–利用正常LTE载波内未使用的资源块
  • 独立——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提供了受全球主要硬件和芯片组供应商支持的高效物联网解决方案。通过其灵活的部署模型,其可以与2G、3G、4G、LTE-M和5G等其他蜂窝技术共存。

NB-IoT的优点和局限性

NB-IoT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。

窄带物联网的优点

低功耗——通过较小的传输带宽和PSM和eDRX等非活动传输周期的省电功能实现超低功耗。这支持更长的电池寿命,这对于电源访问有限的远程设备至关重要。

增强覆盖范围——NB-IoT使用窄带信号和数据包重传,实现室内和地下的可靠连接。其范围可达市区约1公里,乡村约10公里,非常适合远程设备。

海量连接——通过有效调度传输和睡眠窗口,NB-IoT基站可以同时支持超过50,000个设备。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。

低设备和部署成本——通过将设备复杂性降至最低,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。由于不需要网关并利用现有频段,部署比构建专用LPWAN网络便宜得多。

NB-IoT的局限性

数据传输速度较低——NB-IoT的带宽和速度低于LTE-M,缺乏高数据传输能力。其无法支持需要大吞吐量的语音/视频应用。

更高的延迟——与4G和5G相比,NB-IoT在传输和接收数据包之间存在更大的延迟。对于需要实时、低延迟通信的用例来说,它并不是最佳选择。

有限的设备移动性——NB-IoT带宽低,且上行/下行速率慢,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部署仍在不断增加。目前,NB-IoT网络的漫游协议比移动网络的漫游协议少,限制了无缝的全球覆盖。

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,以及签名的固件更新。其他设备级策略,如防篡改和异常检测,进一步加强了安全性。

符合3GPP标准的另一个好处是,NB-IoT既支持蜂窝网络中使用的当前安全协议,也支持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,但NB-IoT提供了与当前移动网络相当的强大标准化安全措施,以防止延伸到物联网边缘设备的一系列网络威胁。

NB-IoT的关键用例和应用

凭借其长电池寿命、广泛的范围、小数据包传输和强大的安全性,NB-IoT是跨基础设施系统连接传感器、监视器和执行器的理想技术,以实现:

智能电表

实时远程读取燃气、电力、水的使用情况,无需人工检查。洞察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

环境传感器用于空气/水质、声音监控、垃圾箱溢出、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

无需大量电力或通信基础设施,即可监控农田、河流、荒野和保护区的状况、设备操作、入侵等。

智慧农业

通过NB-IoT连接的廉价湿度传感器、设备监视器、土壤养分测试仪可提供更好的可视性,以优化浇水、施肥和跟踪作物。

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、重型机械、可回收运输物品(托盘、集装箱)和远程资产基础设施的位置和状况。

智能家居

传感器监控房间占用情况、温度、湿度、噪音、光照水平,而控制器则根据条件和使用模式自动调节暖通空调、照明和电器,以提高舒适度、安全性和能源效率。

智慧医疗

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。如果高危患者尝试自行站立或移动,基于NB-IoT的跌倒定位系统可以尽早发出通知。可以提醒护理人员及时帮助患者。

这些应用几乎扩展到每个行业,从交通运输到能源、教育、零售,等等。几乎任何需要长期连接以进行低带宽数据传输的东西都可能适合NB-IoT。

NB-IoT与其他LPWAN的比较

尽管存在其他节能的物联网网络选项,但NB-IoT结合了多种优势,使其成为各种部署的领先竞争者。下面将NB-IoT与其他三种广泛使用的低功耗广域网技术(LTE-M、Sigfox和LoRaWAN)进行比较:

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,峰值数据速率更快,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。

总体而言,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慢速移动设备。LTE-M需要向专利持有者支付专利使用费,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用于稳定通信,NB-IoT用于超节能。

NB-IoT与LoRa

主要区别在于,NB-IoT在4GLTE等许可蜂窝频谱中运行,而LoRa使用ISM频段中的非许可频谱。这意味着NB-IoT受益于蜂窝网络的安全性和可靠性,而LoRa则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。

与LoRa相比,NB-IoT还具有更低的延迟和更高的吞吐量。然而,LoRa具有更远的范围、更低的功耗和更低的模块成本。LoRaWAN优先考虑最大限度地降低功耗,实现长达15年以上的电池寿命。

NB-IoT与Sigfox

Sigfox是另一种与之竞争的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,同时使用很少的功率。

NB-IoT和Sigfox之间的主要区别在于,与Sigfox相比,NB-IoT具有更大的带宽、更高的数据速率和更低的延迟。NB-IoT可以提供高达250kbps的吞吐量,延迟小于10秒。Sigfox的最大吞吐量为100bps,典型延迟为1-30秒。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。

常见问题解答

1.使用NB-IoT需要付费吗?

答:需要。数据套餐是从移动运营商处购买的,类似于智能手机。然而,考虑到数据包很小,每台设备每月的成本可能远低于1美元。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。

2.NB-IoT是否注重能源效率?

答:是的。电池寿命可达到10年以上,允许完全由电池供电的端点。与增强的覆盖范围相结合,这使得以前不可能的应用成为可能。

3.NB-IoT传输的延迟率是多少?

答:大多数数据传输在1-10秒内完成。对于1秒以下的延迟敏感需求,LTE-M可能更适合。

责任编辑:姜华 来源: 千家网
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