1.1 研究目的及意义

随着现代科技的高速发展，计算机走进了我们的日常，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野——连接，人与电脑的连接让我们突破前人局限的视野，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，如何让互联网更好的服务于我们的日常生活、提升我们的工作效率、改善我们的生活品质呢？

物联网（Internetof things）是一种在互联网基础上延伸和扩展的网络，通过信息传递设备（无线传感器节点、射频识别装置、红外线感应器）按照既定协议，将世间万物与互联网连接起来，并进行信息的交换和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监测控制和管理^[1]。IOT包括物与物的信息交互和人与物的信息交流，其整体可以分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层通过实时感知，随时随地对物体进行相关信息的采集和获取，并将收集到的物理信息传送至网络层；网络层通过将物理世界接入到信息网络，进行安全可靠的信息交互和共享；应用层则对感知信息和数据进行相关分析和处理，以实现智能化决策和控制。时至今日，物联网迎来了新的发展机遇和浪潮，极大地推动了智能交通、智能家居、智慧医疗以及智慧物流等行业的快速发展，成为社会发展的重要动力，由此可能引发新一轮的工业革命^[2]。

物联网与传统通信网络最突出的区别在于海量设备的接入，而频带资源是十分珍贵的，如何用更低的带宽接入更多的设备、减少更多的损耗、覆盖更广的区域已成为人们面临的亟待解决的问题^[3]。NB-IOT（窄带物联网）是基于蜂窝网络的窄带物联网通信技术，可以直接部署于GSM网络、UMTS网络、LTE网络，NB-IOT通过对无线资源的整合利用，牺牲了底层数据传输的速率和时延，换来了功耗性能提升和成本优势，可满足对低功耗、长待机、深覆盖、大容量有要求的低速业务需求，适合静态业务^[4][5]。

一直以来，可穿戴设备的定位追踪问题一直困扰着通信工程师们。以共享单车为例，单车的开锁依赖设备的地理地位，第一代摩拜共享单车车锁内置GSM模块，其核心原理是短信解锁，虽然开锁的稳定性较强，但是GSM终端的能耗太大，待机时长太短，用GSM模块连接海量设备是不现实的。第二代摩拜单车采用GPRS/3G流量的通信方式开锁，虽然减少了开锁的用时，处理的信息量也更大了，但是3G/4G模块的高成本和高功耗也制约了其进一步推广。第三代摩拜单车采用蓝牙技术开锁，通过业务层的校验，手机下载指令加密包，再将包发送到蓝牙，从而完成解锁。因为服务器只需通过流量连接用户手机，再由手机蓝牙发送指令到智能锁，大大降低了开锁功耗，同时4G流量也解决了开锁慢、开锁不稳定、能耗大等问题，但是蓝牙通信的距离毕竟有限，无法满足实际场景的需求，加上各家手机生产商采用的蓝牙芯片兼容性太差，只得放弃蓝牙解锁^[6]。

如何解决诸如此类可穿戴设备的定位追踪问题呢？NB-IOT技术给出了它的技术特性：通过软硬件优化，终端的理论寿命长达10年；相比于3G模组的高成本，多模LTE IOT模组通过规模商用将成本减半，并且在运营商模组补贴政策的鼓励下，NB-IOT芯片替代传统的GSM、GPRS通信模块已是板上钉钉；广泛覆盖，NB-IOT覆盖半径是GSM模块的4倍；海量连接，NB-IOT技术经优化后，单小区的连接数量多达5万^[7][8]。基于NB-IOT技术设计定位追踪系统，理论上完善了GSM、GPRS、ZigBee、蓝牙等传统通信技术在当前物联网海量设备接入时的不足，在实践中为可穿戴设备的定位追踪提供了新的思路和方法。

1.2 国内外研究现状

NB-IoT技术的研究历史并不长，但是随着5G通信技术的提出，为实现连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠的目标，如何改善传统静态业务下的通信技术,已成为各研究人员亟待解决的问题^[9][10]。

在NB-IoT技术提出之前，业界非常认可未来IoT万物互联的发展趋势，M2M(machine to machine)通信也被3GPP视为壮大标准的重要机遇^[11]。在万物互联的时代，具备低成本、低功耗、广覆盖、低速率特点的LPWAN技术(Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域网)将起着重要的作用^[12]。3GPP在推动机器类通信技术的发展主要围绕两个方向：

方向一：面对非3GPP技术挑战，开展GSM技术的进一步推进和全新接入技术的研究。在2014年3月的GERAN #62会议上3GPP提出成立新的研究课题“FS_IoT_LC”，研究演进GERAN系统和新接入系统的可行性，以支持更低复杂度、更低成本、更低功耗、更强覆盖等特性。