本文分享自华为云社区《一文带你了解NB-IoT标准演进与产业发展》，作者：万万万。
我们都知道，物联网的场景和手机、电脑在使用的传统互联网是不太一样的。那么，就无线通信场景而言，物联网有什么样的特点呢？首先，感知层的物联网设备在进行数据收发的时候，那些数据包是比较小的，并且收发的频率也是比较低的，有的时候每天只需要发送不到十个数据。其次，为了提高物联网设备的使用寿命，这些设备对能源的消耗是比较小的，所以这也要求设备在通信的时候功耗也是要比较低的。
总结起来，就是无源、小包、偶发的通信需求。基于这样的场景需求，就要求通信网络必须要是功耗低，覆盖广的，也就是LowPowerWideArea的场景。
在LPWA场景当中，当下最热门的一项技术莫过于NB-IoT通信技术。它被广泛使用于现如今的公共事业、城市管理当中，所以了解NB-IoT的技术细节以及解决方案对学习物联网就显得很重要了。
本文将带大家详细了解NB-IoT标准演进与产业发展。
NB-IoT技术标准最早是由华为和沃达丰主导提出来的，之后又吸引了高通和爱立信等一些厂家。从一开始的NB-M2M经过不断的演进和研究，在2015年的时候演进为NB-IoT，在2016的时候，NB-IoT的标准就正式被冻结了。当然，NB-IoT的标准依然在持续的演进当中，在17年的R14当中就新增了许多特性，到了R14版本，NB-IoT具有了更高的速率，同时也支持站点定位和多播业务了。在2020年7月9日最新召开的会议上，NB-IoT这项技术已经被正式接纳为5G的一部分了。
这一事件对于NB-IoT来说有一个什么样的好处呢？当NB-IoT这项技术被归为5G的标准之后，也就是说，即使是通过NB-IoT接入网络的物联网设备，最终也可以连接5G核心网，享受5G的边缘计算、网络切片等一些服务。所以，这一事件对于NB-IoT来说是非常非常重要的。但是由于现阶段的NB-IoT并不支持接入5G网络，所以该技术在后续仍需要经过不断的演化和技术的演进才能进入5G网络当中。
图1全球运营商LPWA技术选择分布
从上图可知，全球大多数的运营商在进行LPWA技术选择的时候都是先选择去部署一张NB-IoT的网络，之后再去部署一张eMTC的网络。其原因在于运营商都是倾向于先去部署一张他们本来没有的网络，因为之前没有像NB-IoT这样的网络去支持低功耗广域网的场景，并且也从来没有专门为了设备去设计一张网络供物联网终端设备来使用。
之前所使用的运营商网络其实都是给人来使用的，为了方便人们的通信，所拥有的语音通信以及越来越高的传输速率等等。但是NB-IoT不一样，这张网络速率是非常慢的，人类去使用的话体验肯定是非常差的，但是这张网络对于底层的设备来说是非常合适的。原因之一是因为覆盖范围非常广，另一个原因是能耗低，速率低等。至于eMTC这张网络，它的速率相对于NB-IoT是要高的，并且还支持语音通信，所以它与用户现在正在使用的2G网络是比较相近的。所以在2G网络退网之后，运营商就可以选择使用eMTC去代替2G网络来进行使用，这就是大部分运营商选择先部署NB-IoT网络再部署eMTC网络的原因。
对于运营商来说，除了有选择技术的问题之外，另一个就是频谱选择的问题，因为这是一个避不开的问题。如果要满足低功率广域网的场景的话，网络的频段要够低，因为它既要满足广覆盖，还要满足网络的穿透性。大部分感知层的物联网设备，像气表、水表等，它们是被放在厨房的柜子里的，相当于是被层层遮蔽的，如果网络穿透力不够的话是没有办法跟设备进行连接的。
图2全球运营商NB-IoT频谱选择
同时，频段越低穿透性越强，频段越高穿透性越弱。所以由图2可以看到，对于运营商来讲，他们相当于把最合适的一部分频段都拿出来了。所以大部分的运营商都是在700到900M这一部分也就是SubG频段来进行部署。当然，也有少数的部分像中国联通他有一部分是放在1800M。所以在上文中提到的，NB-IoT网络主要是部署在SubG频段的，而不是说全部都是在SubG频段原因就在于此。
另外，由于NB-IoT的网络是基于4GLTE的网络的。所以运营商会在4G的基站中选择一部分基站去做软件升级来作为NB-IoT的基站。但是中国联通不一样，因为中国联通的4G基站就是基于3G基站升级得到的。所以就相当于它可以直接使用3G1800MHz的基站升级得到NB-IoT的基站，所以联通经过基站平滑升级之后，就直接在1800M使用NB-IoT网络，节省了很大的成本。这也就是为什么中国联通可以在1800MHz部署NB-IoT网络。
除了网络技术，基站和频段之外，如果想要使用这个网络也得有支持设备与基站连接的芯片。所以华为早在R13就推出了Boudica120芯片，由于它推出的比较早，所以芯片的功能并不是特别强，只支持SubG频段，并且也不支持移动性这些在R14才演进的特性。所以基于R14的一些新特性，华为又推出了Boudica150芯片来满足新特性的使用。
图3NB-IoT产业生态
图3为NB-IoT技术的应用情况，其实NB-IoT所涉及的领域是比较多的。像水表、气表、路灯、智能停车等等应用当中都有涉及。
随着经济和 社会 的发展，城市公共照明已经成为城市现代化水平的重要标志之一，城市照明设施规模日益增大，用电量节节攀升， 社会 各方对城市公共照明的要求和希望越来越高。而目前国内城市照明的监控和管理方式相对简单、粗放，服务质量和节能水平有待提高，难以满足现代化城市照明的需要，主要表现在以下几个方面：
监控管理方式相对粗放。传统“三遥”系统只能实现回路级别的采集和控制，对单灯运行情况无法实时、准确监控，不能实现智能化监控和精细化管理；部分城市仍停留在“时控”时代，缺少基本的信息化管理手段。
运行维护效率低、成本高。现有的照明设施故障发现机制主要采用人工巡查模式，工作量巨大，需要投入大量的人力物力，并且还可能留有盲区，运维效率低、成本高，难以实现主动服务、保障服务质量。
照明能耗偏大。缺少灵活有效的节能控制手段，过度照明和照明不足的矛盾难以调和，无法实现按需照明，从而在保障照明质量的前提下有效降低照明能耗设施安全难以保障。缺少实时监管措施，设施被盗时有发生，给照明管理部门造成直接的经济损失，严重影响城市照明的正常运行，同时带来安全隐患。
1 设计与实现
本系统由3大部分组成：NB-IoT通信模块、云端控制系统、手机端APP。
图1
11 NB-IoT通信模块
基于高通MDM9206平台高性能、低功耗的CAT-M1/CAT-NB1/GSM三模无线通信模块，支持全球各主流定位系统GNSS，不仅支持当前运营商的主流物联网频段，对未来可能会部署的频段也最大可能性的支持 ，其尺寸仅 为 225mm265mm27mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，
通过该模块实现路灯信息传输、调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明节约电能，真正实现节能、环保、安全、舒适的照明，减少对大气的污染，建设资源节约型、环境友好型 社会 。
12 云端控制中心
是根据路灯管控开发的一款远程 *** 作与监控管理平台，方便了管理人员的管理与维护。通过灯联网集中监控管理平台可以远程控制每一个回路的开、关状态，也可以实时监测每个设备的当前信息，并根据采集到的参数的情况，实时判断线路情况，给用户直观的解析。系统同时还具备短消息报警和声音报警的功能。
13 手机端APP
一种基于智能手机APP应用的城市路灯控制方法，包括将智能手机APP应用与路灯管理系统相关联，形成APP调节城市路灯的架构，构建智能手机 APP 节点，每个 APP 节点代表一个APP 注册用户；当用户登录 APP 应用时，APP 应用将包含用户地理位置、行进方式的 APP 应用信息传送到路灯管理系统；路灯管理系统根据APP应用信息，查询用户所属路段的路灯实时状态，并对路灯进行调节控制。采用NB-IoT物联网概念，通过手机 APP 应用按照用户实际需求开启路灯、调节路灯亮度，合理分配路灯照明资源，降低了路灯能耗、节约了路灯使用成本。
2 测试与分析
硬件调试：分为电源电路、通信链路、LED驱动电路调试。
21 电源电路
图2 电源电路
图 2 中，EUP3420 是一款恒定频率，采用电流模脉宽调制（PWM）架构的降压型变换器。芯片集成了主开关和同步整流开关，可以获得更高的效率。本系统采取5V适配器输入，转化给NB-IoT无线通讯模块VBAT网络33V供电。
C1000：适配器的输入端，用万用表或者示波器测试该点电压是否为5V。
L1000：开关电源 buck 电感输出端，用万用表或者示波器测试该点电压是否为33V，通过调整R1000和R1007阻值调整VBAT输出的大小。
22 通信链路
NB-IoT模块上电后sim卡状态测试。
图3 NB-IoT模块Sim卡状态查询
23 LED驱动电路
图4 LED驱动电路
上图中，三极管驱动电路由Q11、R128、D30、J26（焊接LED模组）组成，NB-IoT通信模块通过GPIO口控制三极管的基集，使三极管Q11工作在开关状态，实现对LED的开断。
3 软件测试
安卓手机端可以控制指定路灯的亮与灭以及全开全灭。
图5 手机控制端界面
PC端实现对各个端口的控制。
图6 云端控制端界面
4 控制系统特性
41 管道NB-IoT设计
一是广覆盖：NB-IoT 覆盖能力强，在同样的频段下，NB-IoT 比现有的网络增益 20dB，覆盖面积扩大 100 倍。它不仅可以满足广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。因此不只是道路照明，在室内、工业照明领域的应用前景也十分广阔。
二是强链接：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。这将意味着，基于 NB-IoT 通信技术的照明控制系统，将能够管控更多的终端设备，满足未来智慧城市中大量设备联网需求。
三是低功耗：低功耗特性是智慧照明应用一项重要指标，NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，终端模块的待机时间可长达10年，特别适用于智能家居的应用。
四是低成本：低速率、低功耗、低带宽同样给 NB-IoT 芯片以及模块带来低成本优势。单个接连模块预期价格不超过 5美元，最终低至 1 美元，这对降低智慧照明应用的成本起到关键性作用。
42 云端智能管理
采用单灯控制技术，构建路灯物联网，精准控制每一盏路灯，在保证照明需求的前提下，根据季节、路段、天气、特殊场合等条件设定路灯运行方案，真正实现“按需照明”，深化节能减排。因本项目范围内 LED 路灯电源不具备调光接口，单灯节能方式采用开关灯控制方式。
通过单灯“在线巡测”，及时发现路灯故障并在地图上进行精准定位，转变“人工巡检、热线报修”的传统运维方式，实现定向运维、主动服务，减轻劳动强度，提高路灯运维效率，降低运维成本。
43 客户端APP
智慧公共照明管理平台具有全面和优化的路灯智能控制功能，为路灯管理人员提供更高效的管理和维护手段，主要体现为：实时监控：可以对任意一盏、一路或任意自定义组的路灯进行开关灯、调光。同时支持多终端，支持基于 Android *** 作系统的移动终端远程控制，可采用平板电脑、手机等终端下发开关灯、调光等控制命令等。
5 应用前景分析
对于 NB-IoT 产业的发展，中国移动、中国联通、中国电信三大运营商皆就NB-IOT发布了各自的发展计划。工信部也发文要求加快 NB-IoT 在国内落地，到今年年底建成基站规模 40万个，到 2020 年建成基站规模 150 万个。中国 NB-IoT 产业加速布局，将是全球 NB-IoT 产业领跑者。目前在上海、广州、江
门、鹰潭、长沙落地了NB-IoT智慧路灯项目，实现了到处开花、处处结果。
6 结束语
城市智慧照明是智慧能源的开端，以 NB-IoT 新一代通信技术为支撑，实现整个城市一张网，对城市道路每盏灯实现全面的感知、智能的控制、广泛的交互和深度的融合，在满足市民正常照明需求的前提下，通过智能调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明，电能节约率可达30% 60%，真正实现节能减排，减少对大气的污染，建设资源节约型、环境友好型 社会 。同时通过对城市照明设施实现精细化管理，通过对城市道路每个灯具的运行状态进行准确分析和故障报警，并根据故障等级启动相应的处置流程，将被动巡检改为定点维护，反应更加敏捷处置效率更高，将使城市的灯光管理水平与现代化的大都市相适应，提高亮灯率，减少各种故障，合理照明，美化照明，安全照明，营造出现代城市科学和艺术完美结合的照明效果，树立和提升城市的品牌形象。
不会。在一个物联网场景中，设备连接是底层基础。两个连接一个就可以了。
由于物联网设备的多样性，涉及到各个工业领域中的标准或规范，这就需要综合的软硬件技术将它们连接起来。
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