NB-IoT物联网技术解析与案例详解

■ 业界专家学者热情推荐，中移动研究院核心团队出品

■ 应用NB-IoT开发物联网项目的手把手实践教程
■ 从技术解析到真实商用案例实战的全景路线图，让垂直行业更好理解通信技术

可以指导实际物联网业务开发，为读者带来更实用的实战价值。让读者全面了解NB-IoT技术与应用实践，帮助他们更好地开发自己的实际项目，同时启发读者去进行新项目的研发。

适合各类垂直/传统行业管理人员、信息主管部门人员、政府信息化推进主管部门人员、物联网从业者、校园/社会创客，以及开源社区相关人员阅读。

以NB-IoT为典型应用的移动物联网技术正处于规模发展的关键期，各行各业都在思考如何把NB-IoT与行业应用有效结合起来。由于垂直行业普遍缺乏对通信技术和通信行业的认知，同时对于如何把物联网技术引进到本行业缺少思路。基于此，《NB-IoT物联网技术解析与案例详解》以下面实际商用案例为切入点来剖析NB-IoT技术特性和带给行业的新价值。
●智慧市政 ●智能抄表
●智慧物流 ●共享单车
●工业物联 ●智能穿戴
●智能家居 ●广域物联
《NB-IoT物联网技术解析与案例详解》可以指导实际业务开发，为读者带来更实用的实战价值。让读者全面了解NB-IoT技术与应用实践，帮助他们更好地开发自己的实际项目，同时启发读者去进行新项目的研发。

作者团队介绍
黄宇红、杨光、肖善鹏、曹蕾、李新等，中国移动“NB-IoT技术攻关及产业推进”团队带头人。

中国移动“NB-IoT技术攻关及产业推进”团队致力于推动NB-IoT技术及产业成熟，构建跨界融合的物联网新生态，助力国家产业结构升级，服务国家创新驱动发展战略。
面向NB-IoT技术商用，在全体产业力量的支持下，该团队在国际标准化组织中积极推进技术研究和标准融合，推动产品研发和产业成熟。该团队还提出了针对低成本部署和高效网络运维的多项创新方案，并致力于实现创新成果的产业化。
该团队在新型物联网数据服务能力上进行了有益的探索，构建了物联网端到端质量评估体系，在智慧城市、工业物联等八大领域积极开展应用创新，实现新技术和传统行业的广泛结合。此外，该团队还积极支持校园创新和社会化创新，依托5G联合创新中心、GTI、GSMA等国内外平台推动NB-IoT国际化和规模化发展，以实现万物互联的美好愿景。目前该团队正在开展更广泛的5G新技术的业务创新和应用试点。

未来将是一个万物互联的时代，以NB-IoT为代表的移动物联网技术，以其广覆盖、大连接、低功耗等特点，逐渐成为实现海量连接、万物互联的主要技术手段，对于促进经济社会数字化、网络化、智能化发展具有重要意义。本书从关键技术、应用案例、开发部署等层面对NB-IoT进行了全方位介绍，不仅可供通信专业人员参考学习，也适合其他行业从业者及普通读者走近NB-IoT、并基于NB-IoT技术提出更多创新应用。

——工业和信息化部信息通信发展司司长 闻库

NB-IoT技术具有广覆盖、大连接、低功耗和低成本的特点，为物联网的规模发展奠定了基础。本书深入浅出地解析了NB-IoT的四大特性，对关键技术进行了详细探讨，配合应用案例为读者全面了解NB-IoT技术提供了非常有价值的参考。

——中国工程院院士、中国互联网协会理事长 邬贺铨

在跨行业融合创新的浪潮中，移动物联网技术发挥了桥梁和纽带作用。移动通信技术研发人员和从事行业应用推广的人员需要增进相互了解，本书对促进通信技术和垂直行业的融合提供了重要参考。

——北京邮电大学教授 网络与交换技术国家重点实验室主任 张平

目录
序言
前言

第1篇 移动物联网概述 1
第1章 全球移动物联网发展概况 3
1.1全球移动物联网市场情况 3
1.2中国移动物联网发展情况 4
1.3典型物联网技术对比 5
参考文献 6

第2篇 NB-IoT关键技术 7
第2章 NB-IoT体系架构 8
参考文献 10
第3章 NB-IoT空中接口关键技术 11
3.1子载波间隔 11
3.2工作模式 11
3.3物理信道 12
3.4数据传输方案 12
3.5部署方案建议 14
参考文献 14
第4 章NB-IoT关键流程 15
4.1概述 15
4.2附着 15
4.3去附着 15
4.4 TAU 16
4.5控制面优化传输方案 16
4.6用户面优化传输方案 16
4.7控制面优化和用户面优化传输共存 17
4.8 Non-IP数据传输方案 17
4.9短消息方案 18
4.10 NB-IoT R14及后续演进的关键技术 18
参考文献19
第5章 NB-IoT安全体系及关键技术 20
5.1 NB-IoT安全架构 20
5.2 NB-IoT认证与密钥协商 20
5.3 NB-IoT密钥层次 21
5.4 NB-IoT安全算法 23
5.4.1机密性保护算法 23
5.4.2完整性保护算法 23
5.5控制面优化传输安全 23
5.5.1非接入层安全协商 23
5.5.2 RRC连接重建安全 24
5.6用户面优化传输安全 25
5.6.1接入层安全协商 25
5.6.2 RRC连接挂起过程安全 25
5.6.3 RRC连接恢复过程安全 26
参考文献 26
第6章 网络能力开放关键技术 27
6.1能力开放背景和目的 27
6.2能力开放架构 27
6.3能力开放功能 28
6.3.1用户节电模式 28
6.3.2事件监控 28
6.3.3 Non-IP数据传输 29
6.4能力开放部署策略研讨 29
6.5能力开放未来展望 29
参考文献 29

第3篇 NB-IoT特性解密 30
第7章 覆盖增强 31
7.1覆盖增强背景和目标 31
7.2覆盖增强方案 31
7.2.1提升功率谱密度 31
7.2.2重复传输 32
7.3覆盖增强评估指标 34
参考文献 35
第8章 海量连接 36
8.1海量连接背景和目标 36
8.2海量连接实现方案 37
8.2.1降低信令开销 37
8.2.2窄带传输 37
8.3海量连接评估指标 38
参考文献 38
第9章 低功耗 39
9.1低功耗背景和目标 39
9.2低功耗方案 39
9.2.1待机功耗优化 39
9.2.2数据传输功耗优化 41
9.2.3业务模型优化 42
9.3低功耗评估指标 43
9.3.1功耗性能评估指标 43
9.3.2续航时长评估方法 44
参考文献 45
第10章 低复杂度特性 46
10.1低复杂度背景和目的 46
10.2低复杂度实现方案 46
10.2.1 NB-IoT简化技术分析 46
10.2.2低复杂度产品实现 47

第4篇 NB-IoT应用案例解析 48
第11章 智慧市政 49
11.1智能路灯 49
11.1.1智能路灯业务描述 49
11.1.2智能路灯行业现状 49
11.1.3智能路灯引入NB-IoT的优势 51
11.1.4基于NB-IoT的智能路灯解决方案 51
11.1.5 NB-IoT智能路灯应用实践情况 52
11.2智能烟感 52
11.2.1智能烟感业务描述 52
11.2.2智能烟感产品行业现状 54
11.2.3烟感产品引入NB-IoT的优势 55
11.2.4基于NB-IoT的烟感创新解决方案 55
11.2.5 NB-IoT烟感产品应用实践情况 57
11.3智能消火栓58
11.3.1智能消火栓业务描述58
11.3.2智能消火栓行业现状59
11.3.3消火栓引入NB-IoT的优势60
11.3.4基于NB-IoT的智能消火栓解决方案60
11.3.5 NB-IoT消火栓应用实践情况62
11.4智能停车63
11.4.1智能停车业务描述63
11.4.2智能停车行业现状63
11.4.3智能停车引入NB-IoT的优势64
11.4.4基于NB-IoT的智能停车解决方案64
11.4.5智能停车应用实践情况67
11.5智能水表67
11.5.1智能水表业务描述68
11.5.2智能水表行业现状68
11.5.3智能水表引入NB-IoT的优势71
11.5.4基于NB-IoT的智能水表解决方案72
11.5.5 NB-IoT智能水表应用实践情况74
11.6智能电表75
11.6.1智能电表业务描述76
11.6.2电表行业现状77
11.6.3智能电表引入NB-IoT的优势79
11.6.4基于NB-IoT的智能电表解决方案79
11.6.5 NB-IoT智能电表应用实践情况81
11.7智能单车81
11.7.1智能单车业务描述81
11.7.2智能单车行业现状82
11.7.3智能单车引入NB-IoT的优势83
11.7.4基于NB-IoT的智能单车解决方案83
11.7.5 NB-IoT智能单车应用实践情况86
参考文献87
第12章 工业物联88
12.1智能工厂业务描述88
12.2智能工厂行业现状89
12.3智能工厂引入NB-IoT的优势90
12.4基于NB-IoT的智能工厂解决方案92
12.5智能工厂应用实践情况95
第13章 智能穿戴96
13.1智能追踪96
13.1.1智能追踪业务描述96
13.1.2智能追踪行业现状97
13.1.3智能追踪引入NB-IoT的优势97
13.1.4基于NB-IoT的智能追踪解决方案97
13.2儿童智能手表106
13.2.1儿童智能手表业务介绍106
13.2.2儿童智能手表行业现状107
13.2.3儿童智能手表引入NB-IoT的优势107
13.2.4基于NB-IoT的创新解决方案108
13.2.5NB-IoT儿童智能手表应用实践情况109
第14章 智能家居110
14.1智能家居概述110
14.1.1智能家居业务描述110
14.1.2智能家居行业现状110
14.1.3智能家居引入NB-IoT的优势111
14.1.4基于NB-IoT的智能家居解决方案112
14.1.5智能家居应用实践情况113
14.2智能安防114
14.2.1智能安防业务描述114
14.2.2智能安防行业现状115
14.2.3智能安防引入NB-IoT的优势116
14.2.4基于NB-IoT的智能安防解决方案116
14.3家居环境监

　　前言

　　物联网是什么？它是一群“懒人”改造世界的梦想。
　　通过嵌入一块小小的芯片，物联网将通信技术引入到万物互联的世界里，让人与物、物与物之间产生前所未有的连接关系。于是通过远程连接，人与物之间可以跨越时空开始交流，比如人在办公室就可以通过手机远程发送 “请在下午5点后维持住宅室内温度25℃，空气湿度50%”这样的指令。进而，物与物之间也可以进行直接的交流，如湿度传感器在下午5点后启动工作后，检测到室内湿度低于50%后就会将此消息告知加湿器，于是加湿器开始喷洒水雾；当湿度传感器检测到室内湿度已达到50%，则再次发送消息给加湿器，加湿器则会停止加湿。
　　正如语言文字引领未开化的原始人一步步走入文明，物联网让物与物之间有了沟通交流的渠道，使得一切无趣的物品变得有了生气。而人，可以通过这张网与周围或者千里之外的世界进行交流，实现远程控制和管理，运筹帷幄之中，决胜千里之外。物联网的蓝图是一个向我们扑面而来、万物互联的新生态。
　　当前，市面上已有的物联网终端和应用主要是基于第二代移动通信技术（如GSM）或Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等短距离传输技术实现的。然而，这些通信技术尚无法有效承载海量的物联网连接，并且在覆盖能力、安全保障等方面存在缺陷。随之而来，一系列低功耗窄带物联网技术应运而生，包括LoRa、Sigfox，以及近两年最为火爆的NB-IoT和eMTC技术，它们都具有低功耗、大连接、低成本等特性，尤其是采用授权频谱并由运营商运营的NB-IoT技术，更是因为其广深覆盖和高可靠的特性受到了产业界的广泛关注。根据市场研究公司Machina Research的预测，2025年全球物联网连接数将达到270亿个，仅在我国就将达到56亿个。
　　中国移动在NB-IoT技术研究、测试验证、产业构建等方面进行了深入的研究和探索，携手垂直行业合作伙伴已在智慧市政、工业物联、智能穿戴、智能家居、广域物联等领域率先开展应用实践，并联合高校孵化创新项目，在物联网技术落地、应用设计等方面积累了相当丰富的经验。中国移动主导了CCSA NB-IoT标准体系的制定，荣获“CCSA科学技术奖”一等奖，同时还主导了GSMA NB-IoT终端外场测试体系构建，率先启动了GCF NB-IoT物联终端认证，联合产业研发的NB-IoT智能家电荣获GSMA MIoT Showcase 大奖。
　　根据分析，NB-IoT在广域物联、智能抄表、智能穿戴、智能楼宇、物流跟踪、智能家居、市政物联、工业物联等八大领域20余个典型场景有广阔的应用前景。为了服务于行业用户，促进物联网从业人员对NB-IoT技术的认知和理解，针对行业应用与最新通信技术结合普遍存在的困惑，本书从NB-IoT关键技术、应用案例解析、应用开发指南等多维度，向垂直行业客户、物联网从业者、在校学生等潜在的物联网技术使用者提供指导，引导行业客户部署、引入NB-IoT物联网技术。
　　本书共分为5篇，结构及内容安排如下：
　　第1篇：移动物联网概述，用于了解全球物联网发展历程及典型物联网技术对比。
　　第2篇：NB-IoT关键技术，介绍NB-IoT体系架构及空中接口技术、关键流程、安全以及能力开放等关键技术。
　　第3篇：NB-IoT特性解密，用于深入了解NB-IoT广深覆盖、海量连接、低功耗、低复杂度等特性。
　　第4篇：NB-IoT应用案例解析，详细分析了NB-IoT在多个领域的创新应用案例。
　　第5篇：开发和部署NB-IoT应用，用于了解如何获取NB-IoT开发、测试、部署及产业推广资源。
　　本书由黄宇红、杨光担任主编，曹蕾、李新担任副主编，参加编写的人员还包括肖善鹏、于江、刘聪、刘琨、翁玮文、李秋香、刘雅、张超、王锐、潘璐、王曦泽、厉正吉、孔露婷、高向东、张俪、高晨亮、徐芙蓉、彭啸锋、袁园、田康、骆正虎、范晓晖、罗达、童小平、余勇、卢虎、段晓东、李爱华、黄震宁、周欣、彭晋、李笑如、张为民、施磊、左敏。
　　在本书的编写过程中，首先要感谢机械工业出版社林桢编辑从选题策划、立项和内容方面提供了许多宝贵建议，还要特别感谢物联网领域的多位专家、从业者帮助提供和完善物联网应用案例内容，包括南京物联传感技术有限公司吕军伟，柒贰零（北京）健康科技有限公司项立刚，上海欧孚通信技术有限公司俞文杰，联发博动科技（北京）有限公司张耿豪，深圳五洲无线股份有限公司高金梁，上海智能昊想科技有限公司金培奇，国家电网有限公司陆阳，海信集团有限公司刘宏举，深圳市前海亿车科技有限公司林坚立，浙江比弦物联科技有限公司洪宽，上海威派格智慧水务股份有限公司杨峰，爱立信（中国）通信有限公司钟博、李堃，紫光展锐科技有限公司叶晖，美科科技（北京）有限公司陈昊，北京摩拜科技有限公司夏一平，中国地质环境监测院韩冰。
　　移动物联网的浪潮滚滚而来，技术商用如火如荼，现在正是物联网从业者发明创新的好时机。从业者可以在各种传统的设备中嵌入物联网模块，对其工作方式加以改造，使其更好地服务于个人、家庭、行业和社会。
　　NB-IoT正处于技术和应用快速发展的阶段，新的应用层出不穷，由于作者水平有限，本书错漏之处在所难免，欢迎读者批评指正并提出建议，以期对后续版本进行改进和更新。

　　作者2018年8月

　　序言

　　物联网在经历了十几年的发展之后进入了一个全新阶段。继移动互联网给人类生活带来深刻变革之后，以实现万物互联为目标的物联网时代正在到来，并将重塑整个世界。物联网技术是改造提升传统动能、培育壮大新动能、建设新型信息化社会的使能技术，是助力“互联网+”“中国制造2025”等国家战略落地，促进我国经济“高质量发展”的重要基础，蕴含着广阔的市场潜力。
　　近年来，低功耗广域（LPWA）物联网技术逐渐成为产业关注的焦点。目前传统2G/3G/4G技术用于物联网会带来连接少、功耗大、成本高等问题，而NB-IoT是专门为物联网优化设计的移动通信技术，具有多连接、低功耗、低成本以及强覆盖的优势，已经成为LPWA的主流技术，也是5G三大应用场景之海量连接的基础技术。NB-IoT技术和产业规模发展也将有效克服传统物联网碎片化和难以规模应用的问题，助力物联网应用的快速普及。
　　在国家创新驱动发展战略引领下，我国物联网产业界抓住新一轮信息革命的重大机遇，大力推动物联网技术发展和产业应用。我于2016年8月23日来到江西省鹰潭市任职，顺势大力实施“智慧新城”行动计划，提出“用新理念引领、用新技术支撑，带来产业发展新业态、政府管理新手段、百姓生活新体验”，大力推进国家NB-IoT业务应用试点城市建设。目前，鹰潭市已经成为全国NB-IoT创新应用先行城市，无论是在网络建设和覆盖，还是在公共服务平台搭建、产业培育，以及应用创新方面都走在了全国乃至世界的前列。
　　在NB-IoT技术标准化和产业化过程中，我国公司发挥了核心作用。目前我国三大运营商均已启动了NB-IoT网络的规模商用，新型物联网技术将带领各行各业进入创新活跃期。中国移动作为全球最大的移动运营商之一，在NB-IoT标准制定、产业推进、测试验证、应用推广等方面扮演了重要角色，为NB-IoT端到端产业的成熟做出了突出贡献，他们将研究和部署NB-IoT过程中积累的经验撰写成书，有助于整个产业更深入地理解NB-IoT的技术特性，为NB-IoT的应用开发带来了有益的参考。因此，本书的面世可谓适逢其会。

　　曹淑敏
　　北京航空航天大学党委书记