一篇文章講清NB-IoT技術(shù)（推薦收藏）

導(dǎo)讀：各種接入技術(shù)之間存在一定的互補(bǔ)效應(yīng)，NB-IoT能夠依靠其技術(shù)特性在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中占據(jù)著一席之地。

PART 1/“物網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng))”的差異化需求

一直以來，人們通過相應(yīng)的終端(電腦、手機(jī)、平板等)使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，“個人”一直是網(wǎng)絡(luò)的用戶主體。個人對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求“高”且“統(tǒng)一”：玩網(wǎng)絡(luò)游戲必需要低時延，下載文件或看網(wǎng)絡(luò)視頻則期望高帶寬，通話需要聲音清晰，而接收的短信絕不能有遺漏。

對于移動通信網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營商們盡可能地維系著低時延、高帶寬、廣覆蓋、隨取隨用的網(wǎng)絡(luò)特性，以保證良好的用戶體驗(yàn)，以及營造出豐富多姿的移動應(yīng)用生態(tài)。

對于個人通信業(yè)務(wù)，雖然用戶的要求很高，但整體上對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的需求是一致的，運(yùn)營商只需要建立一套網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系來建設(shè)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，就能滿足大多數(shù)人對連接的需要。

隨著網(wǎng)絡(luò)中用戶終端(手機(jī)、PAD等)數(shù)量的增長逐漸趨緩，M2M應(yīng)用成為了運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的增長發(fā)力點(diǎn)，大量的M2M應(yīng)用終端則成為了網(wǎng)絡(luò)的用戶。M2M應(yīng)用終端(傳感設(shè)備、智能終端)，本質(zhì)上就是物聯(lián)網(wǎng)終端，它們通過裝配無線通信模組和SIM卡，連接到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建出各類集中化、數(shù)字化的行業(yè)應(yīng)用。

不同于個人通信業(yè)務(wù)，在物聯(lián)網(wǎng)終端構(gòu)建的行業(yè)應(yīng)用中，各領(lǐng)域應(yīng)用對信息采集、傳遞、計(jì)算的質(zhì)量要求差異很大;系統(tǒng)和終端部署的環(huán)境也各不相同，特別是千差萬別的工業(yè)環(huán)境;此外，企業(yè)在構(gòu)建應(yīng)用時，還需要考量技術(shù)限制(供電問題、終端體積等)和成本控制(包括建設(shè)成本和運(yùn)營成本)。因此，千姿百態(tài)的行業(yè)應(yīng)用具有“個性化”的一面，使得連接的需求朝著多樣性的方向發(fā)展。

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物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的差異化，體現(xiàn)在兩個方面

一方面，不同的終端和應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)特性有不同的要求。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性包括：網(wǎng)絡(luò)接入的距離、上下行的網(wǎng)絡(luò)帶寬、移動性的支持、還有數(shù)據(jù)收發(fā)的頻率(或稱為周期性)、以及安全性和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量(完整性、穩(wěn)定性、時效性等)。

這幾個方面可濃縮成三個方面，為“接入距離”、“網(wǎng)絡(luò)特性”、“網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)”?！敖尤刖嚯x”主要分為近距接入和遠(yuǎn)距接入兩種。網(wǎng)絡(luò)的“特性”和“品質(zhì)”則是體現(xiàn)需求差異化的主要因素，例如傳感器終端的“網(wǎng)絡(luò)特性”可能是：只有向云端發(fā)送的“上行數(shù)據(jù)”，而沒有接收的“下行數(shù)據(jù)”。

另一方面，網(wǎng)絡(luò)還需要“照顧”原本不太被關(guān)注的終端特性，以適應(yīng)各類的行業(yè)應(yīng)用需求：對“能耗”和“成本”的控制。

(1)能耗

個人用戶大多數(shù)時間都是處于宜居的環(huán)境中，智能終端常伴左右，并且在人類活動的環(huán)境中總能找到充電的“電源插頭”，所以這些終端的生產(chǎn)廠家對電池的電量并不敏感。

而物聯(lián)網(wǎng)終端的工作環(huán)境相比較個人終端的工作環(huán)境，則要復(fù)雜的多。有些物聯(lián)網(wǎng)終端會部署在高溫高壓的工業(yè)環(huán)境中，有些則遠(yuǎn)離城市、放置在人跡罕至的邊遠(yuǎn)地區(qū)，還有一些可能深嵌地下或落戶在溪流湖泊之中。

很多設(shè)備需要電池的長期供電來工作，因?yàn)榈乩砦恢煤凸ぷ鳝h(huán)境無法向它們提供外部電源，更換電池的成本也異常高昂。所以“低功耗”是保證他們持續(xù)工作的一個關(guān)鍵需求。在不少應(yīng)用場景中，一小粒電池的電量需要維持某個終端“一生”的能量供給。

(2)成本

個人使用的終端，不論是電腦還是手機(jī)，其功能豐富、計(jì)算能力強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛，通信模塊只是其所有電子元件和機(jī)械構(gòu)建中的一小部分，在總的制造成本中占比較低。

個人終端作為較高價值的產(chǎn)品，用戶、廠家對其通信單元的固定成本并不特別敏感。而物聯(lián)網(wǎng)終端則不同，許多不具備聯(lián)網(wǎng)功能的終端原本只是簡易的傳感器設(shè)備，其功能簡單、成本低廉，相對于傳感設(shè)備，價格不菲的通信模塊加入其中，就可能引起成本驟升。

在應(yīng)用場景中大量部署聯(lián)網(wǎng)的傳感設(shè)備，往往需要企業(yè)下決心提高終端的成本投入。而與此矛盾的是：簡單的傳感器終端上傳網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量通常都很小;它們連接網(wǎng)絡(luò)的周期長(網(wǎng)絡(luò)的使用頻次低);每一次上傳信息的價值都很低。終端成本和信息價值不成比例，使得企業(yè)會在大量部署物聯(lián)網(wǎng)終端的決策上猶豫不前。如何降低這些啞終端(單一的傳感器終端)的通信成本，是一個迫在眉睫的難題。

此前提及的能耗問題，如果不妥善解決，也會影響到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的運(yùn)營成本：如果終端耗電過快，就需要不斷地重新部署投放或更換電池。

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低功耗、低成本是物聯(lián)網(wǎng)通信的一大需求

原本的網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)用并不敏感，只要提供統(tǒng)一的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)通道(標(biāo)準(zhǔn)唯一)，就可以滿足大多數(shù)用戶的需求。不論用戶喜歡使用什么樣的業(yè)務(wù)，都可以通過高品質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量來獲得通信服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)能夠滿足個人用戶的大多數(shù)要求。

然而隨著行業(yè)應(yīng)用的深入，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和建設(shè)者必須關(guān)注到應(yīng)用、終端的差異性，也就是網(wǎng)絡(luò)需要針對終端、應(yīng)用做出相應(yīng)的調(diào)整和適配。

在此前提到的網(wǎng)絡(luò)特性和終端特性中：“距離、品質(zhì)、特性”和“能耗、成本”，前后兩類特性存在密切的關(guān)聯(lián)關(guān)系：通信基站的信號覆蓋越廣(“距離長”)，則基站和終端的功耗越高(“能耗高”);要實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(“品質(zhì)高”)，需要健壯的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)差錯效驗(yàn)、身份驗(yàn)證、重傳機(jī)制、以建立端到端的可靠連接，保證的基礎(chǔ)就是通信模塊的配置就不能低(“成本高”)

PART2 / NB-IoT發(fā)展歷程

運(yùn)營商在推廣M2M服務(wù)(物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用)的時候，發(fā)現(xiàn)企業(yè)對M2M的業(yè)務(wù)需求，不同與個人用戶的需求。企業(yè)希望構(gòu)建集中化的信息系統(tǒng)，與自身資產(chǎn)建立長久的通信連接，以便于管理和監(jiān)控。

這些資產(chǎn)，往往分布各地，而且數(shù)量巨大;資產(chǎn)上配備的通信設(shè)備可能沒有外部供電的條件(即電池供電，而且可能是一次性的，既無法充電也無法更換電池);單一的傳感器終端需要上報(bào)的數(shù)據(jù)量小、周期長;企業(yè)需要低廉的通信成本(包括通信資費(fèi)、裝配通信模塊的成本費(fèi)用)。

以上這種應(yīng)用場景在網(wǎng)絡(luò)層面具有較強(qiáng)的統(tǒng)一性，所以通信領(lǐng)域的組織、企業(yè)期望能夠?qū)ΜF(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一系列優(yōu)化，以滿足此類M2M業(yè)務(wù)的一致性需求。

2013年，沃達(dá)豐與華為攜手開始了新型通信標(biāo)準(zhǔn)的研究，起初他們將該通信技術(shù)稱為“NB-M2M(LTE for Machine to Machine)”。

2014年5月份，3GPP的GERAN組成立了新的研究項(xiàng)目：“FS_IoT_LC”，該項(xiàng)目主要研究新型的無線電接入網(wǎng)系統(tǒng)，“NB-M2M”成為了該項(xiàng)目研究方向之一。稍后，高通公司提交了“NB-OFDM”(Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 窄帶正交頻分復(fù)用)的技術(shù)方案。

(3GPP,“第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project)”標(biāo)準(zhǔn)化組織;TSG-GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network):負(fù)責(zé)GSM/EDGE無線接入網(wǎng)技術(shù)規(guī)范的制定)

2015年5月，“NB-M2M”方案和“NB-OFDM方案”融合成為“NB-CIoT”(Narrow Band Cellular IoT)。該方案的融合之處主要在于：通信上行采用FDMA多址方式，而下行采用OFDM多址方式。

2015年7月，愛立信聯(lián)合中興、諾基亞等公司，提出了“NB-LTE”(Narrow Band LTE)的技術(shù)方案。

在2015年9月的RAN#69次全會上，經(jīng)過激烈的討論和協(xié)商，各方案的主導(dǎo)者將兩個技術(shù)方案(“NB-CIoT”、“NB-LTE”)進(jìn)行了融合，3GPP對統(tǒng)一后的標(biāo)準(zhǔn)工作進(jìn)行了立項(xiàng)。該標(biāo)準(zhǔn)作為統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，稱為“NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng))”。自此，“NB-M2M”、“NB-OFDM”、“NB-CIoT”、“NB-LTE”都成為了歷史。

2016年6月，NB-IoT的核心標(biāo)準(zhǔn)作為物聯(lián)網(wǎng)專有協(xié)議，在3GPP Rel-13凍結(jié)。同年9月，完成NB-IoT性能部分的標(biāo)準(zhǔn)制定。2017年1月，完成NB-IoT一致性測試部分的標(biāo)準(zhǔn)制定。

在我看來，促成這幾種低功耗蜂窩技術(shù)“結(jié)盟”的關(guān)鍵，并不僅僅是日益增長的商業(yè)訴求，還有其它新生的(非授權(quán)頻段)低功耗接入技術(shù)的威脅。LoRa、SIGFOX、RPMA等新興接入技術(shù)的出現(xiàn)，促成了3PGG中相關(guān)成員企業(yè)和組織的抱團(tuán)發(fā)展。

PART3/ NB-IoT技術(shù)特性

和其競爭對手一樣，NB-IoT著眼于低功耗、廣域覆蓋的通信應(yīng)用。終端的通信機(jī)制相對簡單，無線通信的耗電量相對較低，適合小數(shù)據(jù)量、低頻率(低吞吐率)的信息上傳，信號覆蓋的范圍則與普通的移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基本一樣，行業(yè)內(nèi)將此類技術(shù)統(tǒng)稱為“LPWAN技術(shù)”(Low Power Wide Area，低功耗廣域技術(shù))。

NB-IoT針對M2M通信場景對原有的4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化，其對網(wǎng)絡(luò)特性和終端特性進(jìn)行了適當(dāng)?shù)仄胶?，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。

在“距離、品質(zhì)、特性”和“能耗、成本”中，保證“距離”上的廣域覆蓋，一定程度地降低“品質(zhì)”(例如采用半雙工的通信模式，不支持高帶寬的數(shù)據(jù)傳送)，減少“特性”(例如不支持切換，即連接態(tài)的移動性管理 )。

網(wǎng)絡(luò)特性“縮水”的好處就是：同時也降低了終端的通信“能耗”，并可以通過簡化通信模塊的復(fù)雜度來降低“成本”(例如簡化通信鏈路層的處理算法)。

所以說，為了滿足部分物聯(lián)網(wǎng)終端的個性要求(低能耗、低成本)，網(wǎng)絡(luò)做出了“妥協(xié)”。NB-IoT是“犧牲”了一些網(wǎng)絡(luò)特性，來滿足物聯(lián)網(wǎng)中不同以往的應(yīng)用需要。

01

部署方式

為了便于運(yùn)營商根據(jù)自由網(wǎng)絡(luò)的條件靈活運(yùn)用，NB-IoT可以在不同的無線頻帶上進(jìn)行部署，分為三種情況：獨(dú)立部署(Stand alone)、保護(hù)帶部署(Guard band)、帶內(nèi)部署(In band)。

Stand alone模式：利用獨(dú)立的新頻帶或空閑頻段進(jìn)行部署，運(yùn)營商所提的“GSM頻段重耕”也屬于此類模式;

Guard band模式：利用LTE系統(tǒng)中邊緣的保護(hù)頻段。采用該模式，需要滿足一些額外的技術(shù)要求(例如原LTE頻段帶寬要大于5Mbit/s)，以避免LTE和NB-IoT之間的信號干擾。

In band模式：利用LTE載波中間的某一段頻段。為了避免干擾，3GPP要求該模式下的信號功率譜密度與LTE信號的功率譜密度不得超過6dB。

除了Stand alone模式外，另外兩種部署模式都需要考慮和原LTE系統(tǒng)的兼容性，部署的技術(shù)難度相對較高，網(wǎng)絡(luò)容量相對較低。

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覆蓋增強(qiáng)

為了增強(qiáng)信號覆蓋，在NB-IoT的下行無線信道上，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過重復(fù)向終端發(fā)送控制、業(yè)務(wù)消息(“重傳機(jī)制”)，再由終端對重復(fù)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，來提高數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量。

這樣的方式可以增加信號覆蓋的范圍，但數(shù)據(jù)重傳勢必將導(dǎo)致時延的增加，從而影響信息傳遞的實(shí)時性。在信號覆蓋較弱的地方，雖然NB-IoT能夠保證網(wǎng)絡(luò)與終端的連通性，但對部分實(shí)時性要求較高的業(yè)務(wù)就無法保證了。

在NB-IoT的上行信道上，同樣也支持無線信道上的數(shù)據(jù)重傳。此外，終端信號在更窄的LTE帶寬中發(fā)送，可以實(shí)現(xiàn)單位頻譜上的信號增強(qiáng)，使PSD(Power Spectrum Density，功率譜密度)增益更大。通過增加功率譜密度，更利于網(wǎng)絡(luò)接收端的信號解調(diào)，提升了上行無線信號在空中的穿透能力。

通過上行、下行信道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，NB-IoT信號的“耦合損耗(coupling loss)”最高可以達(dá)到164dB。

(備注: 耦合損耗,指能量從一個電路系統(tǒng)傳播到另一個電路系統(tǒng)時發(fā)生的能量損耗。這里是指無線信號在空中傳播的能量損耗)

為了進(jìn)一步利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號覆蓋能力，NB-IoT還根據(jù)信號覆蓋的強(qiáng)度進(jìn)行了分級(CE Level)，并實(shí)現(xiàn)“尋呼優(yōu)化”：引入PTW(尋呼傳輸窗)，允許網(wǎng)絡(luò)在一個PTW內(nèi)多次尋呼UE，并根據(jù)覆蓋等級調(diào)整尋呼次數(shù)。

常規(guī)覆蓋(Normal Coverage),其MCL(Maximum Coupling Loss，最大耦合損耗)小于144dB，與目前的GPRS覆蓋一致。

擴(kuò)展覆蓋(Extended Coverage)，其MCL介于144dB與154dB之間，相對GPRS覆蓋有10dB的增強(qiáng)

極端覆蓋(Extreme Coverage)，其MCL最高可達(dá)164dB，相對GPRS覆蓋強(qiáng)度提升了20dB。

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NB-IoT低功耗的實(shí)現(xiàn)

要終端通信模塊低功耗運(yùn)行，最好的辦法就是盡量地讓其“休眠”。NB-IoT有兩種模式，可以使得通信模塊只在約定的一段很短暫的時間段內(nèi)，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)對其的尋呼，其它時間則都處于關(guān)閉的狀態(tài)。這兩種“省電”模式為：PSM(power saving mode，省電模式)和eDRX(Extended Discontinuous Reception，擴(kuò)展的不連續(xù)接收)

(1) PSM模式

在PSM模式下，終端設(shè)備的通信模塊進(jìn)入空閑狀態(tài)一段時間后，會關(guān)閉其信號的收發(fā)以及接入層的相關(guān)功能。當(dāng)設(shè)備處于這種局部關(guān)機(jī)狀態(tài)的時候，即進(jìn)入了省電模式-PSM。終端以此可以減少通信元器件(天線、射頻等)的能源消耗。

終端進(jìn)入省電模式期間，網(wǎng)絡(luò)是無法訪問到該終端。從語音通話的角度來說，即“無法被叫”。

大多數(shù)情況下，采用PSM的終端，超過99%的時間都處于休眠的狀態(tài)，主要有兩種方式可以激活他們和網(wǎng)絡(luò)的通信：

當(dāng)終端自身有連接網(wǎng)絡(luò)的需求時，它會退出PSM的狀態(tài)，并主動與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，上傳業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

在每一個周期性的TAU (Tracking Area Update，跟蹤區(qū)更新)中，都有一小段時間處于激活的狀態(tài)。在激活狀態(tài)中，終端先進(jìn)入“連接狀態(tài)(Connect)”，與通信網(wǎng)絡(luò)交互其網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)。在通信完成后，終端不會立刻進(jìn)入PSM狀態(tài)，而是保持一段時間為“空閑狀態(tài)(IDLE)”。在空閑狀態(tài)狀態(tài)下，終端可以接受網(wǎng)絡(luò)的尋呼。

在PSM的運(yùn)行機(jī)制中，使用“激活定時器(Active Timer，簡稱AT)”控制空閑狀態(tài)的時長，并由網(wǎng)絡(luò)和終端在網(wǎng)絡(luò)附著(Attach，終端首次登記到網(wǎng)絡(luò))或TAU時協(xié)商決定激活定時器的時長。終端在空閑狀態(tài)下出現(xiàn)AT超時的時候，便進(jìn)入了PSM狀態(tài)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，終端的一個TAU周期最大可達(dá)310H(小時);“空閑狀態(tài)”的時長最高可達(dá)到3.1小時(11160s)。

從技術(shù)原理可以看出，PSM適用于那些幾乎沒有下行數(shù)據(jù)流量的應(yīng)用。云端應(yīng)用和終端的交互，主要依賴于終端自主性地與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。絕大多數(shù)情況下，云端應(yīng)用是無法實(shí)時“聯(lián)系“到終端的。

(2) PSM模式

在PSM模式下，網(wǎng)絡(luò)只能在每個TAU最開始的時間段內(nèi)尋呼到終端(在連接狀態(tài)后的空閑狀態(tài)進(jìn)行尋呼)。eDRX模式的運(yùn)行不同于PSM，它引入了eDRX機(jī)制，提升了業(yè)務(wù)下行的可達(dá)性。

(備注：DRX(Discontinuous Reception)，即不連續(xù)接收。eDRX就是擴(kuò)展的不連續(xù)接收。)

eDRX模式，在一個TAU周期內(nèi)，包含有多個eDRX周期，以便于網(wǎng)絡(luò)更實(shí)時性地向其建立通信連接(尋呼)。

eDRX的一個TAU包含一個連接狀態(tài)周期和一個空閑狀態(tài)周期，空閑狀態(tài)周期中則包含了多個eDRX尋呼周期，每個eDRX尋呼周期又包含了一個PTW周期和一個PSM周期。PTW和PSM的狀態(tài)會周期性地交替出現(xiàn)在一個TAU中，使得終端能夠間歇性地處于待機(jī)的狀態(tài)，等待網(wǎng)絡(luò)對其的呼叫。

eDRX模式下，網(wǎng)絡(luò)和終端建立通信的方式同樣：終端主動連接網(wǎng)絡(luò);終端在每個eDRX周期中的PTW內(nèi)，接受網(wǎng)絡(luò)對其的尋呼。

在TAU中，最小的eDRX周期為20.48秒，最大周期為2.91小時

在eDRX中，最小的PTW周期為2.56秒，最大周期為40.96秒

在PTW中，最小的DRX周期為1.28秒，最大周期為10.24秒

總體而言，在TAU一致的情況下，eDRX模式相比較PSM模式，其空閑狀態(tài)的分布密度更高，終端對尋呼的響應(yīng)更為及時。eDRX模式適用的業(yè)務(wù)，一般下行數(shù)據(jù)傳送的需求相對較多，但允許終端接受消息有一定的延時(例如云端需要不定期地對終端進(jìn)行配置管理、日志采集等)。根據(jù)技術(shù)差異，eDRX模式在大多數(shù)情況下比PSM模式更耗電。

04

終端簡化帶來低成本

針對數(shù)據(jù)傳輸品質(zhì)要求不高的應(yīng)用，NB-IoT具有低速率、低帶寬、非實(shí)時的網(wǎng)路特性，這些特性使得NB-IoT終端不必向個人用戶終端那樣復(fù)雜，簡單的構(gòu)造、簡化的模組電路依然能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)通信的需要。

NB-IoT采用半雙工的通信方式，終端不能夠同時發(fā)送或接受信號數(shù)據(jù)，相對全雙工方式的終端，減少了元器件的配置，節(jié)省了成本。

業(yè)務(wù)低速率的數(shù)據(jù)流量，使得通信模組不需要配置大容量的緩存。低帶寬，則降低了對均衡算法的要求，降低了對均衡器性能的要求。(均衡器主要用于通過計(jì)算抵消無線信道干擾)

NB-IoT通信協(xié)議?；贚TE設(shè)計(jì)，但它系統(tǒng)性地簡化了協(xié)議棧，使得通信單元的軟件和硬件也可以相應(yīng)的降低配置：終端可以使用低成本的專用集成電路來替代高成本的通用計(jì)算芯片，來實(shí)現(xiàn)協(xié)議簡化后的功能。這樣還能夠減少通信單元的整體功耗，延長電池使用壽命。

05

業(yè)務(wù)在核心網(wǎng)絡(luò)中的簡化

在NB-IoT的核心網(wǎng)絡(luò)(EPC- Evolved Packet Core，即4G核心網(wǎng))中，針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求特性，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)(CIoT)定義了兩種優(yōu)化方案：

CIoT EPS用戶面功能優(yōu)化(User Plane CIoT EPS optimisation)

CIoT EPS控制面功能優(yōu)化(Control Plane CIoT EPS optimisation)

(1) 用戶面功能優(yōu)化

“用戶面功能優(yōu)化”與原LTE業(yè)務(wù)的差異并不大，它的主要特性是引入RRC (無線資源控制)的“掛起/恢復(fù)(Suspend/Resume)流程”，減少了終端重復(fù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入的信令開銷。

當(dāng)終端和網(wǎng)絡(luò)之間沒有數(shù)據(jù)流量時，網(wǎng)絡(luò)將終端置為掛起狀態(tài)(Suspend)，但在終端和網(wǎng)絡(luò)中仍舊保留原有的連接配置數(shù)據(jù)。

當(dāng)終端重新發(fā)起業(yè)務(wù)時，原配置數(shù)據(jù)可以立即恢復(fù)通信連接(Resume)，以此減去了重新進(jìn)行RRC重配、安全驗(yàn)證等流程，降低了無線空口上的信令交互量。

(2) 控制面功能優(yōu)化

“控制面功能優(yōu)化”包括兩種實(shí)現(xiàn)方式(消息傳遞路徑)。通過這兩種方式，終端不必在無線空口上和網(wǎng)絡(luò)建立業(yè)務(wù)承載，就可以將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接傳遞到網(wǎng)絡(luò)中。

備注：通信系統(tǒng)的特性之一是控制與承載(業(yè)務(wù))分離，直觀的來說就是業(yè)務(wù)的控制消息(建立業(yè)務(wù)、釋放業(yè)務(wù)、修改業(yè)務(wù))和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本身并不在同一條鏈路上混合傳遞。NB-IoT的控制面功能優(yōu)化則簡化了這種慣常的信息業(yè)務(wù)架構(gòu)。

CP模式的兩種實(shí)現(xiàn)方式，即兩種數(shù)據(jù)傳遞的路徑：

A.在核心網(wǎng)內(nèi)，由MME、SCEF網(wǎng)元負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)接

在該方式中，NB-IoT引入了新的網(wǎng)元：SCEF(Service Capa- bility Exposure Function，服務(wù)能力開放平臺)。物聯(lián)網(wǎng)終端接受或發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，是通過無線信令鏈路進(jìn)行的，而非無線業(yè)務(wù)鏈路。

當(dāng)終端需要上傳數(shù)據(jù)時，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由無線信令消息攜帶，直接傳遞到核心網(wǎng)的網(wǎng)元MME(Mobility Management Entity，4G核心網(wǎng)中的移動性管理實(shí)體)，再由MME通過新增的SCEF網(wǎng)元轉(zhuǎn)發(fā)到CIoT服務(wù)平臺(CIoT Services，也稱為AP-應(yīng)用服務(wù))。云端向終端發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的方向則和上傳方向正好相反。

路徑：UE(終端)-MME-SCEF- CIoT Services

B.在核心網(wǎng)內(nèi)，通過MME與業(yè)務(wù)面交互業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

在該方式中，終端同樣通過無線信令鏈路收發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。對于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的上傳，是由MME設(shè)備將終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)送入核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)面網(wǎng)元SGW，再通過PGW進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)平臺;對于下傳業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，則由SGW傳遞給MME，再由MME通過無線信令消息送給終端。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳和下傳的路徑也是一致的。

路徑：UE(終端)-MME-SGW-PGW-CIoT Services

按照傳統(tǒng)流程(包括用戶面優(yōu)化方案)，終端需要和網(wǎng)絡(luò)先建立SRB(Signaling Radio Bearer)再建立DRB(Data Radio Bearer)，才能夠在無線通道上傳輸數(shù)據(jù)。而采用控制面優(yōu)化方案(CP模式)，只需要建立SRB就可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

(3)功能優(yōu)化模式總結(jié)

CP方式借鑒了短距通信的一些設(shè)計(jì)思路，非常適合低頻次、小數(shù)據(jù)包的上傳業(yè)務(wù)，類似于短信業(yè)務(wù)。但網(wǎng)絡(luò)中“信令面”的帶寬有限，CP方式所以并不適合傳遞較大的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包。UP模式則可以滿足大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳遞。

不論是UP模式，還是CP模式，本質(zhì)上都是通過無線通信流程的簡化，節(jié)省了終端的通信計(jì)算和能量消耗，提升了數(shù)據(jù)傳遞效率。

06

連接態(tài)的移動性管理

最初，NB-IoT的規(guī)范是針對靜態(tài)的應(yīng)用場景(如智能抄表)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制定的，所以在Rel-13版本(2016年6月)中它并不支持連接狀態(tài)下的移動性管理，即不支持“無線切換”。在隨后的Rel-14版本中，NB-IoT會支持基站小區(qū)間的切換，以保證業(yè)務(wù)在移動狀態(tài)下的連續(xù)性。

PART4/ NB-IoT的技術(shù)特性總結(jié)

從NB-IoT的特性中可以看出，其通過“信號增強(qiáng)”、“尋呼優(yōu)化”加強(qiáng)了通信覆蓋的深度。主要通過三個方面，來“照顧”終端對低耗電、低成本的要求：

1、引入了低功耗的“睡眠”模式(PSM、eDRX);

2、降低了對通信品質(zhì)要求，簡化了終端設(shè)計(jì)(半雙工模式、協(xié)議棧簡化等);

3、通過兩種功能優(yōu)化模式(CP模式、UP模式)簡化流程，減少了終端和網(wǎng)絡(luò)的交互量。

這些對廣域移動通信技術(shù)的“優(yōu)化”設(shè)計(jì)，使得NB-IoT更加適合于部分物聯(lián)網(wǎng)的場景應(yīng)用，也就是LPWA(低功耗廣域網(wǎng))類型的應(yīng)用。并且由于引入了睡眠模式，降低了通信品質(zhì)的要求(主要是實(shí)時性要求)，使得NB-IoT的基站比傳統(tǒng)基站，能夠接入更多的(承載LPWA業(yè)務(wù)的)終端。

采用NB-IoT的終端可以在滿足低功耗的需求下，用于較高密度部署、低頻次數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用(包括固定位置的抄表、倉儲和物流管理、城市公共設(shè)置的信息采集等)，或者是較低密度部署、長距離通信連接的應(yīng)用(包括農(nóng)情監(jiān)控、地質(zhì)水文監(jiān)測等)。

當(dāng)然，作為一種LPWAN技術(shù)，NB-IoT有其固有的局限性，它顯然并不適用于要求低時延、高可靠性的業(yè)務(wù)(車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療)，而且中等需求的業(yè)務(wù)(智能穿戴、智能家居)對于它來說也稍顯“吃力”。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)生態(tài)中，沒有一種通信接入技術(shù)能夠“通吃”所有的應(yīng)用場景，各種接入技術(shù)之間存在一定的互補(bǔ)效應(yīng)，NB-IoT能夠依靠其技術(shù)特性在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中占據(jù)著一席之地。