摘 要

随着物联网行业的快速发展，越来越多的设备加入了物联网，未来有两个问题会更加尖锐：一个是海量终端设备的接入，将增加物联网基站的压力，基站长时间过负载会影响其使用寿命，这将阻碍物联网的进一步发展；另一方面，随着国家工业化程度的提高，物联网的覆盖面积将持续增加，现今无线通信技术无法满足低成本下的大面积网络覆盖，这也制约物联网进一步发展。本文介绍了一种新兴的物联网无线通信技术——NB-IoT技术，它具有广覆盖、低功耗、大连接、低成本的技术特点，可以有效地解决上述两个难题。基于NB-IoT技术，本文也提出了一种定位追踪可穿戴设备的方案，该方案由前端传感网络、数据传输网络，云处理平台构成，融合了传感器、NB-IoT网络和云计算，对于研究物联网下定位追踪的方案有重要意义。

关键字：NB-IoT、可穿戴设备、定位追踪、云计算

Abstract

With the rapid development of the Internet of Things industry, more and more devices have been applied to the Internet of Things. Two problems will become more acute in the future. Firstly, with massive terminal devices applied to, base stations on the Internet of Things will take more pressure, which will shorten its life and hinder the further development of the Internet of Things. Secondly, with the increasing industrialization, the Internet of Things will cover more and more places, the existing wireless communication technology cannot meet the needs of large-scale network coverage at low cost, which also restricts the further development of the Internet of Things. This article introduces an emerging wireless communication technology—NB-IoT, which gets features of wide coverage, low power consumption, large connectivity, and low cost, it can effectively solve these two problems above. Based on the NB-IoT technology, this paper also proposes a solution for locating and tracking wearable devices. The solution consists of a front-end sensor network, a data transmission network, and a cloud processing platform,integrateing sensors, NB-IoT network, and cloud computing , which is of great significance for researching the scheme of location and tracking under the Internet of Things.

Keywords: NB-IoT, wearable device, locating and tracking, cloud computing platform

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景与意义 1

1.2 NB-IoT技术的发展和展望 2

1.3 论文的主要内容和结构安排 3

第2章 NB-IoT系统的理论研究 4

2.1 NB-IoT系统简介 4

2.2 NB-IoT系统的物理层设计 5

2.2.1 NB-IoT系统的信道化 5

2.2.2 NB-IoT系统的时间结构 8

2.2.3 NB-IoT系统的调制方式 8

2.3 NB-IoT基站的部署方案 9

2.3.1 独立部署 10

2.3.2 带内部署 10

2.3.3 保护带部署 11

2.4 NB-IoT系统的网络架构方案 12

2.5 NB-IoT技术面临的挑战 13

2.5.1 数据安全性和传输可靠性 13

2.5.2 NB-IoT网络的升级问题 13

2.6 本章小结 14

第3章 基于NB-IoT技术的可穿戴设备定位追踪的应用 15

3.1 系统框架 15

3.2 前端传感网络 16

3.2.1 心率检测模块 16

3.2.2 姿态测量模块 18

3.2.3 定位模块 20

3.3 数据传输网络 22

3.3.1 中央处理器 22

3.3.2 NB-IoT通信模块 24

3.4 云处理平台 25

3.4.1 透传云介绍 25

3.4.2 透传云连接 26

3.5 本章小结 28

第4章 实验及其结果分析 29

4.1 心率检测模块测试 29

4.2 姿态测量模块测试 30

4.3 定位模块测试 31

4.4 NB-IoT通信模块的测试 31

4.5 本章小结 31

第5章 结论与展望 32

5.1 结论 32

5.2 展望 32

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

NB-IoT（Narrow Band IoT，窄带物联网）是一种新兴的物联网无线通信技术，同现有的WiFi、蓝牙、3G/4G等通信技术相比，它具备广覆盖、低功耗、大连接、低成本等技术特点，能有效解决物联网现存的难题，即多设备接入和远距离传输问题。本章节主要内容是介绍课题研究的背景与意义，以及各章节包含的主要内容。

课题研究的背景与意义

随着现代科技的高速发展，计算机走进了我们的日常生活，互联网不仅拉近了我们的距离，更为我们提供了一种全新的视角，人与电脑的连接让我们突破前人思维的局限，电脑与电脑的连接为知识的传递架起桥梁，由此人们不禁思考，如何让互联网更好地服务大众、提升人们的工作效率、改善人们的生活品质呢？

物联网（Internet of things）是一种基于传统互联网延伸和扩展的网络，它从信息传递设备（射频识别装置、无线传感器节点、红外线感应器）采集数据，并按照既定协议进行信息的交换和通信。物联网将各行业的终端设备和设施与互联网连接起来，实现了终端设备的在线检测、定位追踪、安全保护、远程维护等功能的管理和服务^[1]。

传统物联网接入技术分为两类：短距离接入技术和移动蜂窝网络技术，前者以WiFi、ZigBee技术为代表，具有稳定性高、接入速度快的优势，但是也存在覆盖范围有线、干扰能力弱、终端功耗高、待机时长短等问题；后者以GSM网络、GPRS网络为代表，虽然具有覆盖面积的优势，但是也存在设备容量有限、终端模块成本高、电池的使用寿命较短等问题^[2]。NB-IoT是3GPP R13版本引入的一种物联网通信技术，它以蜂窝网络为基础，一方面可以直接部署于GSM网络，另一方面可以部署在带内使用正常的LTE载波资源块、LTE保护带内未被使用的资源块、以及独立占用的LTE专用频谱资源^[3]。NB-IoT技术通过对无线资源的整合利用，牺牲底层数据的传输速率和时延，来满足物联网中低功耗、长待机、深覆盖的静态业务需求^[4][5]，使得运营商可以高效地利用已部署的网络设施来解决CIoT(Cellular IoT，移动物联网)实际应用问题。

随着物联网行业的蓬勃发展，频谱资源越发紧张，与传统蜂窝网络相比，物联网需要应对的挑战更加严峻，如何利用更少的频带资源接入更多的终端设备、覆盖更广的区域、减少更多的信号损耗、降低更多的系统功耗已成为人们亟待解决的问题^[6]。本文以可穿戴式设备为例，探讨NB-IoT技术在可穿戴设备位置追踪的应用潜力，这对研究以NB-IoT为无线技术核心的IoT系统，提高IoT系统的容量和频带利用率有着重要的意义。

NB-IoT技术的发展和展望

作为一项新兴的物联网无线通信技术，NB-IoT系统的研究历史并不长。在NB-IoT技术正式立项之前，物联网已经被认为是未来的科技风口。如何实现万物互联的信息化时代，LPWAN技术(Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域网)将担负起重要的责任，因为LPWAN技术能解决当前物联网通信技术高成本、高功耗、弱覆盖的问题。如何当前环境中促进MTC(machine-type communication,机器类通信技术)的发展，特别是M2M(machine to machine，机器与机器)通信，3GPP着重围绕以下两个方向展开工作：

方向一：基于传统GSM技术，做LPWAN技术的尝试和创新。2014年3月，在GERAN #62会议中，3GPP提出了新的研究方向“FS_IoT_LC”，主要针对如何推广GERAN系统和测试新的接入系统的可行性。

方向二：基于LTE技术，做LTE-MTC技术的尝试和创新。2014年9月，3GPP在RAN #65会议上提出了一个新的研究方向“LTE_MTCe2_L1”,主要面向如何替换2G/3G物联网模块，为物联网不断丰富的业务场景研究全新的LTE-MTC技术。

“FS_IoT_LC”研究项目由三项支持GSM技术扩展覆盖的技术组成，分别是NB-CioT技术、NB-LTE技术、EC-GSM(Extended Coverage-GSM)技术。NB-IoT技术正是脱胎于这个全新的研究课题。华为、Neul和高通一起提出了NB-CIoT技术，爱立信、诺基亚、中兴等厂商一起提出了NB-LTE技术。2015年9月，RAN #69会议上各机构厂商统一协调，最终将NB-CioT技术、NB-LTE技术和EC-GSM技术融合为一种技术方案，这就是后来的NB-IoT技术^[7]。2016年6月，NB-IoT正式通过3GPP组织的审查，成为了CIoT(Cellular IoT,移动物联网)的接入技术。

除了上述已经推出的技术方案,3GPP也一直致力于研究更低功耗、更低带宽、更广覆盖的通信技术，以及在系统架构和网络端同步和更新的全新技术。从上面的数据可以看出，NB-IoT技术自建立标准到正式投入商用只用了短短两年，这从侧面印证了物联网行业的蓬勃发展，可以预期的是，随着以NB-IoT为代表的物联网技术不断深入到我们的日常，我们将迎来更加智能的信息时代。

论文的主要内容和结构安排

本论文主要研究NB-IoT技术在可穿戴设备定位追踪的应用及可行性分析，内容如下：

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