近来，工信部正式发布了关于推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知，要求加快推进移动物联网部署，构建NB-IoT网络基础设施。NB-IoT建设被推进到国家政策层面，其今后的发展必将更加红火。同时它也是适应互联网+、中国制造2025以及欧洲工业4.0发展的一种联网新技术。
那么，我们不禁会问，NB-IoT相对于LoRa和SigFox这些私有协议又具有怎样的优势？目前全球的规划如何？芯片/模块以及研发测试支持又如何？日前，在“中国NB-IoT产业趋势和技术研讨会”上，来自深圳电信、华为和是德科技的发言人分别从运营商、芯片/模块和测试角度和我们分享了NB-IoT的规划和技术进展，以及所带来的设计挑战。
2020年IoT总连接数将达到300亿，市场空间达到1.7万亿美元。亚太、北美、西欧市场空间大，总和超过80%。
对于运营商蜂窝物联网的分布情况，深圳电信的发言人表示，蜂窝物联网当中有5%用于高速率（10Mbps以上），比如视频监控、智慧医疗、智慧城市等），它们需要依靠3G/4G或WiFi网络来实现高速率数据传输。25%用于中速率（1~10Mbps），如智能家居、智能建筑、车联网、低端M2M汇聚等。其网络要求主要是中速率（1~10Mbps）、低功耗，可以通过2G网络或MTC/eMTC/LTE-V实现网络接入。另外70%用于低速率，如农林牧渔、传感、抄表、停车、物流监控、追踪业务等。其网络要求是低速率（~100kbps）、深度覆盖（20dB）、低功耗（10年）、低成本（低于5美元），比如NB-IoT、SigFox、LoRa以及ZigBee短距无线通信技术等。
他指出，在物联网当中，LoRa和SigFox不适合用于低功耗场景。其原因是LoRa类似于WiFi，安全性弱，美国公司独家垄断，网络安全无法保障。它使用公共频谱，任何厂商都可以使用，对于运营商没有明显优势，干扰问题难以解决。SigFox的策略是：先网络，后业务，快速跑马圈地建好网络再发展业务；大量融资（1.07亿欧元）；先圈地（27个国家）；使用100Hz超窄带技术。其技术先天缺陷是：可靠性低，无QOS；低容量可用，高容量不可用；覆盖差、时延高、速度低。
而对于2G/3G/4G技术来说，2G网络预期将普遍退网（CDMA至LTE）；3G/4G模块贵（30美元以上）；2G/3G/4G在覆盖和终端功耗上比NB都差。因此网络运营商需要有更优质的技术实现弯道超车。
NB-IoT在LPWA具备明显技术比较优势：NB-IoT是一种可与现有蜂窝网融合的低成本、高可靠性、高安全性的广域物联网；模块成本（5美元）相比LoRa（8美元）和SigFox（9美元）便宜很多。
NB-IoT具有以下四大优势，适用于“低频、小包、时延不敏感”物联网业务。
● 广覆盖（20dB增益）：窄带功率谱密度提升，重传次数，编码增益。
● 低功耗（10年电池寿命）：简化协议，芯片功耗低，功放效率高，发射/接收时间短。
● 大连接（50k连接数/小区）：频谱效率高，小包数据发送特性，终端极低激活比。
● 低成本（5美元模块成本）：简化射频硬件，简化协议降低成本，减小基带复杂度。
NB-IoT网络频谱部署方案有以下四种：Standalone（NB-IoT可在L800/L900上部署）、LTE Guard Band（LTE 10M带宽+支持，5M及以下保护带不足以支持）（NB-IoT可在L800上部署）、In-Band（NB-IoT可在L800上部署）、LTE重耕方案（根据C网用户情况确定L800带宽）。中国电信主要是采用第三种方式（In-Band），即在800MHz当中划出一块区域用作NB-IoT，这样可以降低场地部署成本，并快速高效适应到商用阶段。
华为公司发言人同样指出，NB-IoT是LPWA（低功耗/广覆盖）市场的主流技术，其原因是：它有运营商的支持，全球已有超过30家运营商已经确认会部署NB-IoT网络（全球覆盖，全球漫游）；强大的生态链支持，在芯片侧，华为海思、高通、英特尔都有计划研发制造NB-IoT芯片，很多厂商也都会生产相应模块，预计量产之后，模块价格约为5美元；全球标准化授权频段（运营商保证高可靠性传输）。
华为于去年9月推出了业界首款NB-IoT芯片Boudica 120，12月份对其规模商用。目前市面上所有的NB-IoT都是基于这款芯片设计的。而到今年第四季度，将会有Boudica 150规模商用。新的芯片可提高更高性能、更低集成度、更多频谱适配以及更低功耗。
NB-IoT芯片/模块产业链日趋繁荣。产业巨头纷纷投入，芯片侧包括Qualcomm、Intel、SEQUANS、RDA和NORDIC，模块侧则有利尔达、u-blox和Telit等。
他指出，NB-IoT终端要大规模市场商用，就需要有很大的网络覆盖。2017年华为将在全球建成超过30张NB-IoT商用网络——占全球人口的32%，覆盖10%的国家。
同时，他透露，在欧洲，在德电、沃达丰等的引领下，NB-IoT在德国、荷兰、爱尔兰等国都在规模部署，具体应用包括智能农业、智能水务、智能停车、智能楼宇等。而在中国国内，则是有三大运营商牵头规模部署，中国联通在上海完成800+站点建设，覆盖外环内区域。上海联通2016年12月完成NB-IoT部署。中国电信计划2017年6月完成全国覆盖。具体应用包括智能停车、税务、燃气、共享单车等。在韩国，LGU+计划2017年4月完成NB-IoT全国覆盖，应用包括空气质量检测、智能家居设备等。
是德科技中国区无线市场经理朱小月表示，从技术角度说，没有哪一种技术能够满足物联网领域的所有应用。像现在很火的VR和车联网等等应用对数据速率和时延要求非常高，而对智慧路灯、智能抄表等应用则是数据速率要求没那么高——它们的主要挑战是在覆盖范围以及功耗。
因此，产业联盟推出了各种技术，比如LPWAN（低功耗广域网）技术。以智能水表为例，技术实现不难，即由传统水表+通信模块组成。发送的信息量很小：使用量+时间戳+水表ID。为了安全，在这种应用中不能使用交流供电方式，只能采用电池供电，所以设计必须低功耗。另外是覆盖深度问题，水表一般放在比较深的位置。
以往这种应用是通过部署专网解决，但是这需要购买大量基础设施布网，并且后续还需要部署大量人力物力进行维护。蜂窝网相对来说已非常成熟，安全性和标准流程都更加规范。以往运营商并不重视这块业务。而现在3GPP第13次会议提出了NB-IoT技术。它有以下几个特点：小区覆盖密度高、成本低（低于5美元）、使用寿命长（10年以上寿命）、覆盖深度深（链路预算多出大约20dB）。
NB-IoT现在仅支持FDD双工模式，还没有计划支持TDD双工模式。要做到低功耗低成本，因此NB-IoT只支持半双工模式。不支持MIMO，信号带宽也很小（180kHz）。这样低的技术要求使工程师能在设计产品时把成本进一步降低。对于低功耗，3GPP也专门定义了eDRX等专门的工作模式。
朱经理对NB-IoT的三种部署模式做了更深入的探讨。Stand-alone：NB-IoT载波可直接替换GSM网络的载波，这对于没有LTE-FDD牌照的运营商来说很有必要。Guard band：LTE两个载波之间有保护边带，保护边带原来是用来防止干扰，现在NB-IoT由于很窄，可以利用保护边带来进行网络部署。In-band：将NB-IoT的信号嵌入到LTE信号当中，替换掉它的一个RB信号，这在处理上以及对干扰的影响都比较小，对于有FDD牌照的运营商是最优的一种部署模式。
NB-IoT的下行帧结构基本继承了LTE帧结构的参数。比如180kHz即12个15kHz子载波。因此，NB-IoT在和LTE一起部署时干扰比较小。从时域上看，一个NB-IoT帧包含10个子帧，每个子帧包含2个时隙，1个时隙0.5ms，相当于7个OFDM符号，这和LTE完全一致。其他信道也基本继承了LTE的配置，只是由于是窄带信号，会对某些参数进行修改。
NB-IoT的上行帧类似，也是基于SC-FDMA技术。为了适应不同的部署场景，它提出了single-tone和multi-tone这两种串行模式。比如对于信号比较弱或对用户密度要求比较高的场景，可以使用single-tone的模式。它指的是一个用户在发送信号时只占用一个子载波，这样可以使UE在发送串行信号时峰均比较低，对PA的要求也更低，进一步降低芯片/模块成本。子载波宽度可以使用0.5ms（15kHz）或2ms（3.75kHz，用于部署密度高的场景）。对于180kHz的总带宽来说，子载波宽度越小越能容纳更多用户数。multi-tone针对的是对数据量稍有要求的场景，可以使用3、6或12个子载波（15kHz）来传输数据。
此外，为了更好地支持NB-IoT终端，3GPP规定了3种不同覆盖等级，对应3种PRACH资源配置。比如对于水表部署在非常深的地下室里，基站传过来的信号比较弱。因此根据接收到的参考信号强度，用户可以知道所处覆盖环境的好坏。知道覆盖环境较差后，便可以选择最高等级的次数去重传，进而提高接收的信号质量。这使得覆盖范围能达到20dB的改进。
她表示，NB-IoT设备有关功耗和效率的测试挑战包括以下三个：将模块或终端设置到各种实际工作模式（IDLE、CONNECTED、PSM和eDRX）进行测试，并测试重传、数据发射或OTA更新等耗电活动的影响；在有大尖峰电流的情况下精确测试睡眠模式（即同时包含小信号和大信号的动态测量）；表征包括老化效应在内的电池放电。
是德科技提供基站模拟器和功耗分析仪应对上述测试挑战。基站模拟器用来模拟基站，和模块/终端进行信令连接。连接之后控制其进入到重传、PSM、eDRX等工作模式。同时用功耗分析仪并行测试整体功耗情况。是德功耗分析仪与传统仪器的区别在于它能从nA到A级别动态无缝切换量程。另外，它本身没有内阻，但可以通过编程来输出电阻，模拟电池内阻或其他场景，满足电池供电场景下的测试所需。
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