窄带、重传、低频，NB-IoT强覆盖三剑客;PSM和eDRX，低功耗的左膀右臂

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窄带、重传、低频，NB-IoT强覆盖三剑客;PSM和eDRX，低功耗的左膀右臂

2017 年 9 月 28 日 物联网智库 物联网时空

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物联网智库整理发布

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------ 【导读】 ------

窄带、重传、低频是NB-IoT强覆盖能力的三剑客;PSM和eDRX是NB-IoT低功耗技术的左膀右臂。

强覆盖和低功耗是NB-IoT技术的典型特点，这两点是如何实现的呢？

窄带、重传、低频--NB-IoT强覆盖能力的三剑客

强覆盖是NB-IoT技术的最大特点之一，不仅可以满足农村这样的广覆盖需求，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。以井盖监测为例，过去GPRS的方式需要伸出一根天线，车辆来往极易损坏，而NB-IoT只要部署得当，就可以很好的解决这一难题。这主要得益于NB-IoT的强覆盖能力。

1.衡量标准

为了衡量NB-IoT的覆盖能力，3GPP标准组织对此进行了定义，要求相比现有GSM、LTE网络覆盖要增强20dB以上。

2.标准由来

为什么是20dB呢？借用网上报道的水表例子来理解。水表所处位置无线环境差，与智能手机相比，高度差导致信号差4dB；同时再盖上盖子，额外增加约10dB左右损耗，所以需要增强约20dB。

根据3GPP标准定义，不同网络下的MCL要求如下表所示。从表中可见，各制式下覆盖的瓶颈均在上行，其中NB-IoT的上行MCL为-164dBm，而GSM、宽带LTE网络的上行MCL为-144dBm，因此20dB的增益是相比GSM和现有LTE网络而言的。

3.关键技术

那么20dB的增益是怎么得来的呢？在回答这个问题之前，先介绍几个关键概念。

MCL：Maximum Coupling Loss，最大耦合损失。是指接收端为了能正确地解调发射端发出的信号，整个传输链路上允许的最大路径损耗(dBm)。

PSD：power spectral density，功率谱密度。表示每单位频率波携带的功率(W/Hz)。

3.1 窄带

窄带所带来的增益用PSD衡量。NB-IoT上行载波带宽为3.75/15KHz，相比现有2G/3G/4G上行200KHz(除去保护带宽，实际为180KHz)的PRB，PSD增益约为11dB：

log((200mW/15KHz)/(200mW/180KHz))=10.7dB

也就是NB-IoT单位带宽所携带的能量比2G/3G/4G更高，因此同等情况下可覆盖更远距离。

其中200mW对应发射功率为23dB的终端(10log200mW=23dB)。

3.2 重传

相比传统方式，NB-IoT支持更多次数的重传。重传次数每翻一倍，速率就会减半，同时带来3dB的增益，通俗点讲就是说一遍听不清，就多说几遍，提高听清的概率。

标准中定义上行重传次数最大可达128次，但考虑边缘场景下的速率以及小区容量，上行重传次数最大一般限为16次，对应9dB的增益（实际比理论低了约3dB）。

3.3 低频

NB-IoT虽然可以部署于任何频段，但考虑覆盖需求，一般选择1GHz以下低频频段部署。相比高频，低频具有路径损耗更低、绕射能力更强等优点，更加适合远距离覆盖。（高频则更加适合视距范围内的通信，即发射端与接收端之间无遮挡、距离近）

前述20dB的增益就是这么来的：

11dB(PSD)+9dB(重传)=20dB

再加上NB-IoT普遍部署于1GHz以下的低频频段上，三者共同保证了NB-IoT技术的更强覆盖。

4.Q&A

细心的读者可能已经有疑问了：

Q1: 上行子载波带宽有3.75/15kHz两种，如果采用3.75kHz的带宽，PSD

增益不就达到17dB了吗?此时的增益是不是就达到了30dB?

A: 有一定道理：log((200mW/3.75KHz)/(200mW/180KHz))=17dB。之所以没有使用3.75kHz计算，主要是考虑边缘区域的速率因素，为了保证边缘区域与宽带LTE具有相当的速率（相同评估模型），前面按15kHz来计算的。

Q2: 前面是基于终端的发射功率为200mW、对应发射功率为23dB来计算的，实际上GSM最大发射功率可达33dB，此时NB-IoT的增益是不是就只有10dB了？

A: 当边缘区域与GPRS速率相当时（相同评估模型），NB-IoT通过加大重传次数依然可获得20dB的增益：17dB(PSD)+(12+)dB(重传)-10dB(发射功率差异)=19+dB。

NB-IoT/eMTC低功耗技术的左膀右臂：PSM和eDRX

低功耗是NB-IoT、eMTC这两种窄带LPWA技术的最重要特点之一，那么他们是怎么做到低功耗的呢？——PSM、eDRX可以说是NB-IoT和eMTC低功耗的左膀右臂。

1. PSM（Power Saving Mode）

PSM即低功耗模式，是3GPP R12引入的技术，其原理是允许UE在进入空闲态一段时间后，关闭信号的收发和AS（接入层）相关功能，相当于部分关机，从而减少天线、射频、信令处理等的功耗消耗。借图：

UE在PSM期间，不接收任何网络寻呼，对于网络侧来说，UE此时是不可达的，数据、短信、电话均进不来。只有当TAU周期请求定时器（T3412）超时，或者UE有MO（发起）业务要处理而主动退出时，UE才会退出PSM模式、进入空闲态，进而进入连接态处理上下行业务。

TAU周期请求定时器（T3412）由网络侧在ATTCH和TAU消息中指定，3GPP协议规定默认为54min，最大可达310H。

那么UE处理完数据之后，什么时候进入PSM模式呢？这是由另一个定时器Activer Timer(T3324，0-255秒)决定的。UE处理完成数据之后，RRC连接会被释放、进入空闲态，与此同时启动Active Timer，此Timer超时后，UE即进入上述PSM模式。转换状态如下（借图）：

2. eDRX（Extended DiscontinuousReception)

eDRX即非连续接收，是3GPP R13引入的新技术。R13之前已经有DRX技术，从字面上即可看出，eDRX是对原DRX技术的增强：支持的寻呼周期可以更长，从而达到节电目的。继续借图：

eDRX的寻呼周期由网络侧在ATTACH和TAU消息中指定（UE可以指定建议值），可为20.48s，40.96s，81.92s，…最大可达2.92h。相比以往0.64s/1.28s/2.56s等DRX寻呼周期配置，eDRX耗电量显然低很多。

PSM和eDRX虽然让终端耗电量大大降低，但都是通过长时间的“罢工”来换取的，付出了实时性的代价。对于有远程不定期监控（如远程定位，电话呼入，配置管理等）需求且实时性要求很高的场景，不适合开启PSM功能；如果允许一定的时延，最好采用eDRX技术、并将eDRX寻呼周期设的尽量短些（根据可接受的时延要求，最短为20.24s，…）。UE可在ATTACH和TAU中请求开启PSM或（和）eDRX，但最终开启哪一种或两种均开启、以及周期是多少均由网络侧决定。