一文看懂NB-IoT！

来源：物联江湖(iot521)  作者：王一鸣

一直以来，人们通过相应的终端（电脑、手机、平板等）使用网络服务，“个人”一直是网络的用户主体。个人对网络质量的要求“高”且“统一”：玩网络游戏必需要低时延，下载文件或看网络视频则期望高带宽，通话需要声音清晰，而接收的短信绝不能有遗漏。

对于移动通信网络，运营商们尽可能地维系着低时延、高带宽、广覆盖、随取随用的网络特性，以保证良好的用户体验，以及营造出丰富多姿的移动应用生态。

对于个人通信业务，虽然用户的要求很高，但整体上对网络质量的需求是一致的，运营商只需要建立一套网络质量标准体系来建设、优化网络，就能满足大多数人对连接的需要。

随着网络中用户终端（手机、PAD等）数量的增长逐渐趋缓，M2M应用成为了运营商网络业务的增长发力点，大量的M2M应用终端则成为了网络的用户。M2M应用终端（传感设备、智能终端），本质上就是物联网终端，它们通过装配无线通信模组和SIM卡，连接到运营商网络，从而构建出各类集中化、数字化的行业应用。

不同于个人通信业务，在物联网终端构建的行业应用中，各领域应用对信息采集、传递、计算的质量要求差异很大；系统和终端部署的环境也各不相同，特别是千差万别的工业环境；此外，企业在构建应用时，还需要考量技术限制（供电问题、终端体积等）和成本控制（包括建设成本和运营成本）。因此，千姿百态的行业应用具有“个性化”的一面，使得连接的需求朝着多样性的方向发展。

1.物联网业务需求的差异化，体现在两个方面

一方面，不同的终端和应用对网络特性有不同的要求。传统的网络特性包括：网络接入的距离、上下行的网络带宽、移动性的支持、还有数据收发的频率（或称为周期性）、以及安全性和数据传输质量（完整性、稳定性、时效性等）。这几个方面可浓缩成三个方面，为“接入距离”、“网络特性”、“网络品质”。“接入距离”主要分为近距接入和远距接入两种。网络的“特性”和“品质”则是体现需求差异化的主要因素，例如传感器终端的“网络特性”可能是：只有向云端发送的“上行数据”，而没有接收的“下行数据”。

另一方面，网络还需要“照顾”原本不太被关注的终端特性，以适应各类的行业应用需求：对“能耗”和“成本”的控制。

（1）能耗

个人用户大多数时间都是处于宜居的环境中，智能终端常伴左右，并且在人类活动的环境中总能找到充电的“电源插头”，所以这些终端的生产厂家对电池的电量并不敏感。

而物联网终端的工作环境相比较个人终端的工作环境，则要复杂的多。有些物联网终端会部署在高温高压的工业环境中，有些则远离城市、放置在人迹罕至的边远地区，还有一些可能深嵌地下或落户在溪流湖泊之中。

很多设备需要电池的长期供电来工作，因为地理位置和工作环境无法向它们提供外部电源，更换电池的成本也异常高昂。所以“低功耗”是保证他们持续工作的一个关键需求。在不少应用场景中，一小粒电池的电量需要维持某个终端“一生”的能量供给。

（2）成本

个人使用的终端，不论是电脑还是手机，其功能丰富、计算能力强大、应用广泛，通信模块只是其所有电子元件和机械构建中的一小部分，在总的制造成本中占比较低。

个人终端作为较高价值的产品，用户、厂家对其通信单元的固定成本并不特别敏感。而物联网终端则不同，许多不具备联网功能的终端原本只是简易的传感器设备，其功能简单、成本低廉，相对于传感设备，价格不菲的通信模块加入其中，就可能引起成本骤升。

在应用场景中大量部署联网的传感设备，往往需要企业下决心提高终端的成本投入。而与此矛盾的是：简单的传感器终端上传网络的数据量通常都很小；它们连接网络的周期长（网络的使用频次低）；每一次上传信息的价值都很低。终端成本和信息价值不成比例，使得企业会在大量部署物联网终端的决策上犹豫不前。如何降低这些哑终端（单一的传感器终端）的通信成本，是一个迫在眉睫的难题。

此前提及的能耗问题，如果不妥善解决，也会影响到物联网应用的运营成本：如果终端耗电过快，就需要不断地重新部署投放或更换电池。

2.低功耗、低成本是物联网通信的一大需求

原本的网络对应用并不敏感，只要提供统一的高质量网络通道（标准唯一），就可以满足大多数用户的需求。不论用户喜欢使用什么样的业务，都可以通过高品质的网络质量来获得通信服务，网络能够满足个人用户的大多数要求。

然而随着行业应用的深入，网络设计和建设者必须关注到应用、终端的差异性，也就是网络需要针对终端、应用做出相应的调整和适配。

在此前提到的网络特性和终端特性中：“距离、品质、特性”和“能耗、成本”，前后两类特性存在密切的关联关系：通信基站的信号覆盖越广（“距离长”），则基站和终端的功耗越高（“能耗高”）；要实现高品质、安全可靠的网络服务（“品质高”），需要健壮的通信协议实现差错效验、身份验证、重传机制、以建立端到端的可靠连接，保证的基础就是通信模块的配置就不能低（“成本高”）

在我看来，促成这几种低功耗蜂窝技术“结盟”的关键，并不仅仅是日益增长的商业诉求，还有其它新生的（非授权频段）低功耗接入技术的威胁。LoRa、SIGFOX、RPMA等新兴接入技术的出现，促成了3PGG中相关成员企业和组织的抱团发展。

1.部署方式

为了便于运营商根据自由网络的条件灵活运用，NB-IoT可以在不同的无线频带上进行部署，分为三种情况：独立部署(Stand alone)、保护带部署(Guard band)、带内部署(In band)。

Stand alone模式：利用独立的新频带或空闲频段进行部署，运营商所提的“GSM频段重耕”也属于此类模式；

Guard band模式：利用LTE系统中边缘的保护频段。采用该模式，需要满足一些额外的技术要求(例如原LTE频段带宽要大于5Mbit/s)，以避免LTE和NB-IoT之间的信号干扰。

In band模式：利用LTE载波中间的某一段频段。为了避免干扰，3GPP要求该模式下的信号功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超过6dB。 

 除了Stand alone模式外，另外两种部署模式都需要考虑和原LTE系统的兼容性，部署的技术难度相对较高，网络容量相对较低。

2.覆盖增强

为了增强信号覆盖，在NB-IoT的下行无线信道上，网络系统通过重复向终端发送控制、业务消息（“重传机制”），再由终端对重复接受的数据进行合并，来提高数据通信的质量。

这样的方式可以增加信号覆盖的范围，但数据重传势必将导致时延的增加，从而影响信息传递的实时性。在信号覆盖较弱的地方，虽然NB-IoT能够保证网络与终端的连通性，但对部分实时性要求较高的业务就无法保证了。

在NB-IoT的上行信道上，同样也支持无线信道上的数据重传。此外，终端信号在更窄的LTE带宽中发送，可以实现单位频谱上的信号增强，使PSD（Power Spectrum Density，功率谱密度）增益更大。通过增加功率谱密度，更利于网络接收端的信号解调，提升了上行无线信号在空中的穿透能力。

通过上行、下行信道的优化设计，NB-IoT信号的“耦合损耗（coupling loss）”最高可以达到164dB。

（备注: 耦合损耗,指能量从一个电路系统传播到另一个电路系统时发生的能量损耗。这里是指无线信号在空中传播的能量损耗）

为了进一步利用网络系统的信号覆盖能力，NB-IoT还根据信号覆盖的强度进行了分级（CE Level），并实现“寻呼优化”：引入PTW（寻呼传输窗），允许网络在一个PTW内多次寻呼UE，并根据覆盖等级调整寻呼次数。

常规覆盖（Normal Coverage）,其MCL(Maximum Coupling Loss，最大耦合损耗)小于144dB，与目前的GPRS覆盖一致。

扩展覆盖（Extended Coverage），其MCL介于144dB与154dB之间，相对GPRS覆盖有10dB的增强

极端覆盖（Extreme Coverage），其MCL最高可达164dB，相对GPRS覆盖强度提升了20dB。

3. NB-IoT低功耗的实现

要终端通信模块低功耗运行，最好的办法就是尽量地让其“休眠”。NB-IoT有两种模式，可以使得通信模块只在约定的一段很短暂的时间段内，监听网络对其的寻呼，其它时间则都处于关闭的状态。这两种“省电”模式为：PSM（power saving mode，省电模式）和eDRX（Extended Discontinuous Reception，扩展的不连续接收）

（1） PSM模式

在PSM模式下，终端设备的通信模块进入空闲状态一段时间后，会关闭其信号的收发以及接入层的相关功能。当设备处于这种局部关机状态的时候，即进入了省电模式-PSM。终端以此可以减少通信元器件（天线、射频等）的能源消耗。

终端进入省电模式期间，网络是无法访问到该终端。从语音通话的角度来说，即“无法被叫”。

大多数情况下，采用PSM的终端，超过99%的时间都处于休眠的状态，主要有两种方式可以激活他们和网络的通信：

当终端自身有连接网络的需求时，它会退出PSM的状态，并主动与网络进行通信，上传业务数据。

在每一个周期性的TAU (Tracking Area Update，跟踪区更新)中，都有一小段时间处于激活的状态。在激活状态中，终端先进入“连接状态（Connect）”，与通信网络交互其网络、业务的数据。在通信完成后，终端不会立刻进入PSM状态，而是保持一段时间为“空闲状态（IDLE）”。在空闲状态状态下，终端可以接受网络的寻呼。

在PSM的运行机制中，使用“激活定时器（Active Timer，简称AT）”控制空闲状态的时长，并由网络和终端在网络附着（Attach，终端首次登记到网络）或TAU时协商决定激活定时器的时长。终端在空闲状态下出现AT超时的时候，便进入了PSM状态。

根据标准，终端的一个TAU周期最大可达310H(小时)；“空闲状态”的时长最高可达到3.1小时（11160s）。

从技术原理可以看出，PSM适用于那些几乎没有下行数据流量的应用。云端应用和终端的交互，主要依赖于终端自主性地与网络联系。绝大多数情况下，云端应用是无法实时“联系“到终端的。

（2） PSM模式

在PSM模式下，网络只能在每个TAU最开始的时间段内寻呼到终端（在连接状态后的空闲状态进行寻呼）。eDRX模式的运行不同于PSM，它引入了eDRX机制，提升了业务下行的可达性。

（备注：DRX(Discontinuous Reception)，即不连续接收。eDRX就是扩展的不连续接收。）

eDRX模式，在一个TAU周期内，包含有多个eDRX周期，以便于网络更实时性地向其建立通信连接（寻呼）。

eDRX的一个TAU包含一个连接状态周期和一个空闲状态周期，空闲状态周期中则包含了多个eDRX寻呼周期，每个eDRX寻呼周期又包含了一个PTW周期和一个PSM周期。PTW和PSM的状态会周期性地交替出现在一个TAU中，使得终端能够间歇性地处于待机的状态，等待网络对其的呼叫。

 

eDRX模式下，网络和终端建立通信的方式同样：终端主动连接网络；终端在每个eDRX周期中的PTW内，接受网络对其的寻呼。

在TAU中，最小的eDRX周期为20.48秒，最大周期为2.91小时

在eDRX中，最小的PTW周期为2.56秒，最大周期为40.96秒

在PTW中，最小的DRX周期为1.28秒，最大周期为10.24秒

总体而言，在TAU一致的情况下，eDRX模式相比较PSM模式，其空闲状态的分布密度更高，终端对寻呼的响应更为及时。eDRX模式适用的业务，一般下行数据传送的需求相对较多，但允许终端接受消息有一定的延时（例如云端需要不定期地对终端进行配置管理、日志采集等）。根据技术差异，eDRX模式在大多数情况下比PSM模式更耗电。

4. 终端简化带来低成本

针对数据传输品质要求不高的应用，NB-IoT具有低速率、低带宽、非实时的网路特性，这些特性使得NB-IoT终端不必向个人用户终端那样复杂，简单的构造、简化的模组电路依然能够满足物联网通信的需要。

NB-IoT采用半双工的通信方式，终端不能够同时发送或接受信号数据，相对全双工方式的终端，减少了元器件的配置，节省了成本。

业务低速率的数据流量，使得通信模组不需要配置大容量的缓存。低带宽，则降低了对均衡算法的要求，降低了对均衡器性能的要求。（均衡器主要用于通过计算抵消无线信道干扰）

NB-IoT通信协议栈基于LTE设计，但它系统性地简化了协议栈，使得通信单元的软件和硬件也可以相应的降低配置：终端可以使用低成本的专用集成电路来替代高成本的通用计算芯片，来实现协议简化后的功能。这样还能够减少通信单元的整体功耗，延长电池使用寿命。

5.业务在核心网络中的简化

在NB-IoT的核心网络（EPC- Evolved Packet Core，即4G核心网）中，针对物联网业务的需求特性，蜂窝物联网（CIoT）定义了两种优化方案：

CIoT EPS用户面功能优化（User Plane CIoT EPS optimisation）

CIoT EPS控制面功能优化（Control Plane CIoT EPS optimisation）

（1） 用户面功能优化

“用户面功能优化”与原LTE业务的差异并不大，它的主要特性是引入RRC (无线资源控制)的“挂起/恢复（Suspend/Resume）流程”，减少了终端重复进行网络接入的信令开销。

当终端和网络之间没有数据流量时，网络将终端置为挂起状态（Suspend），但在终端和网络中仍旧保留原有的连接配置数据。

当终端重新发起业务时，原配置数据可以立即恢复通信连接（Resume），以此减去了重新进行RRC重配、安全验证等流程，降低了无线空口上的信令交互量。

（2） 控制面功能优化

“控制面功能优化”包括两种实现方式（消息传递路径）。通过这两种方式，终端不必在无线空口上和网络建立业务承载，就可以将业务数据直接传递到网络中。

备注：通信系统的特性之一是控制与承载（业务）分离，直观的来说就是业务的控制消息（建立业务、释放业务、修改业务）和业务数据本身并不在同一条链路上混合传递。NB-IoT的控制面功能优化则简化了这种惯常的信息业务架构。

CP模式的两种实现方式，即两种数据传递的路径：

 

A.在核心网内，由MME、SCEF网元负责业务数据的转接

在该方式中，NB-IoT引入了新的网元：SCEF（Service Capa- bility Exposure Function，服务能力开放平台）。物联网终端接受或发送业务数据，是通过无线信令链路进行的，而非无线业务链路。

当终端需要上传数据时，业务数据由无线信令消息携带，直接传递到核心网的网元MME(Mobility Management Entity，4G核心网中的移动性管理实体)，再由MME通过新增的SCEF网元转发到CIoT服务平台（CIoT Services，也称为AP-应用服务）。云端向终端发送业务数据的方向则和上传方向正好相反。

路径：UE(终端)-MME-SCEF- CIoT Services

从NB-IoT的特性中可以看出，其通过“信号增强”、“寻呼优化”加强了通信覆盖的深度。主要通过三个方面，来“照顾”终端对低耗电、低成本的要求：

1、引入了低功耗的“睡眠”模式（PSM、eDRX）；

2、降低了对通信品质要求，简化了终端设计（半双工模式、协议栈简化等）；

3、通过两种功能优化模式（CP模式、UP模式）简化流程，减少了终端和网络的交互量。

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