一篇文章讲清NB-IoT技术（推荐收藏）
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作者：王一鸣
来源：物联江湖（iot521）
你是否意识到，网络世界正从“人联”迈向“物联”？过去，我们依赖电脑、手机等终端享受网络，个人一直是用户主体。他们对网络质量要求高且统一：游戏必低延迟，视频要高带宽，通话需清晰，短信绝无遗漏。
移动通信网络始终维系低延迟、高带宽、广覆盖的特性，以打造丰富生态。对于个人业务，网络需求一致，运营商只需一套标准即可满足。
但随着个人终端增长放缓，M2M应用成为运营商新增长点。物联网终端通过无线模组接入网络，构建数字化行业应用。不同于个人业务，行业应用对信息采集、传递、计算的要求千差万别；部署环境复杂多样，尤其在工业场景；企业还需权衡供电、体积等技术限制和建设运营成本。连接需求日益多元化。
1.物联网业务需求的差异化，体现在两个方面
一方面，不同终端和应用对网络特性有独特要求。传统特性包括：接入距离、上下行带宽、移动性支持、数据收发频率、安全性和传输质量。这些可归纳为“接入距离”、“网络特性”和“网络品质”。接入距离分近距和远距；而“特性”和“品质”是差异关键，例如传感器可能只有上行数据而无下行。
另一方面，网络还需适配终端特性，如“能耗”和“成本”控制。
（1）能耗
个人终端常处宜居环境，随时可充电，对电量不敏感。而物联网终端部署环境复杂：高温高压工业区、边远荒野、地下或水域。许多设备需电池长期供电，外部电源缺失，换电成本高昂。“低功耗”成为持续工作的关键，有时一粒电池需支撑终端“一生”。
（2）成本
个人终端如手机，功能丰富，通信模块成本占比低。但物联网终端不同，简单传感器原本廉价，加入通信模块后成本骤升。大量部署时，数据量小、频率低，终端成本与信息价值不成比例，降低通信成本迫在眉睫。能耗问题若不解决，也会推高运营成本。
2.低功耗、低成本是物联网通信的核心需求
传统网络提供统一高质量通道，满足大多数用户。无论何种业务，都能通过高品质网络实现。
但随着行业应用深入，网络必须适配终端和应用的差异性。“距离、品质、特性”与“能耗、成本”紧密关联：信号覆盖越广，功耗越高；要高品质服务，需健壮协议，导致模块配置高、成本高。
运营商推广M2M时，发现企业需求不同：需集中化系统管理分布广、数量大的资产；设备常电池供电，数据量小、周期长；企业追求低廉通信成本。这种场景在网络层面统一，促使通信标准优化以满足需求。
2013年，沃达丰与华为启动新型标准研究，初称“NB-M2M”。2014年，3GPP的GERAN组立项“FS_IoT_LC”，NB-M2M成研究方向之一。高通随后提交“NB-OFDM”方案。
（3GPP,“第三代合作伙伴计划”;TSG-GERAN:负责GSM/EDGE无线接入网规范）
2015年5月，NB-M2M与NB-OFDM融合为“NB-CIoT”，上行采用FDMA，下行采用OFDM。同年7月，爱立信联合中兴、诺基亚提出“NB-LTE”。
2015年9月，3GPP RAN69全会融合“NB-CIoT”和“NB-LTE”，立项统一标准，称为“NB-IoT”。自此，前代方案成历史。
2016年6月，NB-IoT核心标准在3GPP Rel-13冻结。同年9月完成性能标准，2017年1月完成一致性测试。
推动低功耗蜂窝技术“结盟”的关键，不仅是商业诉求，还有LoRa、SIGFOX等非授权频段技术的威胁。这些新兴技术促成了3GPP成员抱团。
与竞争对手一样，NB-IoT专注低功耗、广覆盖应用。终端通信机制简单，耗电低，适合小数据量、低频率上传，覆盖范围同移动网络，此类技术统称“LPWAN技术”。
NB-IoT针对M2M场景优化4G网络，平衡网络与终端特性。在“距离、品质、特性”和“能耗、成本”中，保证广覆盖，适度降低品质（如半双工、不支持高带宽），减少特性（如不支持切换）。网络“缩水”带来低能耗和低成本，例如简化通信模块。
为满足物联网终端个性需求，网络做出“妥协”。NB-IoT牺牲部分特性，适配新应用。
1.部署方式
为灵活部署，NB-IoT支持三种频带模式：独立部署(Stand alone)、保护带部署(Guard band)、带内部署(In band)。
Stand alone模式：利用新频段或空闲频段，“GSM频段重耕”属此类；
Guard band模式：利用LTE边缘保护频段，需满足额外技术要求（如LTE带宽大于5Mbit/s），避免干扰；
In band模式：利用LTE载波中间频段，要求信号功率谱密度与LTE差异不超过6dB。后两种模式需兼容原LTE系统，技术难度高，网络容量较低。
2.覆盖增强
为增强覆盖，下行信道通过重传机制，终端合并数据提升质量。这扩大量盖但增加延迟，影响实时性。在弱信号区，NB-IoT保证连通性，但高实时性业务受限。
上行信道也支持重传，且终端信号在更窄带宽发送，提升功率谱密度，增强穿透力。
通过优化，NB-IoT信号耦合损耗最高达164dB。（耦合损耗:能量在电路系统间传播的损耗）
为利用覆盖能力，NB-IoT按信号强度分级（CE Level），实现“寻呼优化”：引入PTW（寻呼传输窗），允许网络在PTW内多次寻呼UE，并按覆盖等级调整次数。
常规覆盖（Normal Coverage）,MCL小于144dB，同GPRS；扩展覆盖（Extended Coverage），MCL在144dB至154dB间，增强10dB；极端覆盖（Extreme Coverage），MCL最高164dB，提升20dB。
3. NB-IoT低功耗的实现
终端低功耗关键在“休眠”。NB-IoT有两种模式：PSM（省电模式）和eDRX（扩展不连续接收），让模块仅在短暂时段监听寻呼。
（1） PSM模式
PSM下，终端空闲一段时间后关闭收发和接入层功能，进入省电模式。期间网络无法访问终端，即“无法被叫”。
多数时间，PSM终端超99%处于休眠，激活方式有二：终端主动连接网络；或在周期性TAU（跟踪区更新）的激活状态中，终端先进入“连接状态”交互数据，后保持“空闲状态”接受寻呼。
PSM机制用“激活定时器（AT）”控制空闲时长，由网络和终端协商。AT超时即进入PSM。TAU周期最大310小时；“空闲状态”最长3.1小时。
PSM适用于几乎无下行流量的应用，云端与终端交互依赖终端主动联系。
（2） eDRX模式
eDRX模式引入eDRX机制，提升下行可达性。（DRX:不连续接收）
eDRX模式中，一个TAU周期含多个eDRX周期，便于网络更实时寻呼。TAU包含连接状态和空闲状态周期，空闲周期含多个eDRX寻呼周期，每个寻呼周期含PTW和PSM周期，交替出现让终端间歇待机。
eDRX模式下通信方式同：终端主动连接；或在每个eDRX周期的PTW内接受寻呼。TAU中，最小eDRX周期20.48秒，最大2.91小时；eDRX中，最小PTW周期2.56秒，最大40.96秒；PTW中，最小DRX周期1.28秒，最大10.24秒。
总体，在相同TAU下，eDRX比PSM空闲状态分布更密，寻呼响应更及时。eDRX适用下行数据较多但允许延迟的业务（如配置管理、日志采集）。eDRX通常比PSM更耗电。
4. 终端简化带来低成本
针对低品质需求应用，NB-IoT的低速率、低带宽、非实时特性允许终端简化设计。半双工通信减少元器件，节省成本。低数据流量无需大缓存；低带宽降低均衡算法要求。协议栈简化使终端可用低成本专用电路替代通用芯片，降低功耗，延长电池寿命。
5.业务在核心网络中的简化
在核心网（EPC）中，蜂窝物联网（CIoT）定义两种优化：CIoT EPS用户面功能优化和控制面功能优化。
（1） 用户面功能优化
“用户面功能优化”类似原LTE，主要引入RRC“挂起/恢复流程”，减少终端重复接入的信令开销。终端无数据时被挂起，但保留连接配置；重新业务时快速恢复，免去重配和验证，降低信令交互。
（2） 控制面功能优化
“控制面功能优化”包括两种实现方式，终端无需建立业务承载即可传递数据。（控制与承载分离，NB-IoT简化此架构）
CP模式的两种数据路径：
A.在核心网内，由MME、SCEF网元负责业务数据的转接
此方式引入SCEF（服务能力开放平台）。终端通过无线信令链路传递数据到MME，再由SCEF转发到CIoT服务平台。下行方向相反。
路径：UE(终端)-MME-SCEF- CIoT Services
B.在核心网内，通过MME与业务面交互业务数据
终端同样通过无线信令链路收发数据。上传时，MME将数据送SGW，再经PGW到互联网；下传时反向。路径一致。
路径：UE(终端)-MME-SGW-PGW-CIoT Services
传统流程需先建SRB再建DRB传输数据；CP优化只需SRB即可收发业务数据。
（3）功能优化模式总结
CP方式借鉴短距通信设计，适合低频次、小数据包上传，类似短信。但信令面带宽有限，不适合大数据。UP模式可满足大数据传递。UP和CP模式都通过简化流程，节省终端能耗，提升效率。
6.连接态的移动性管理
最初，NB-IoT针对静态场景（如智能抄表）设计，Rel-13不支持连接状态移动性管理（即切换）。Rel-14将支持小区切换，保证业务连续性。
从NB-IoT特性看，它通过“信号增强”、“寻呼优化”强化覆盖深度。通过三方面实现低耗电、低成本：
1、引入“睡眠”模式（PSM、eDRX）；
2、降低通信品质要求，简化终端设计（半双工、协议栈简化等）；
3、通过功能优化模式（CP、UP）简化流程，减少交互。
这些“优化”使NB-IoT更适合LPWA应用。睡眠模式和低品质要求让基站能接入更多终端。NB-IoT终端适用于高密度部署、低频次采集（如抄表、物流管理），或低密度部署、长距离连接（如农情监控、水文监测）。当然，作为LPWAN技术，它不适用于低延迟、高可靠性业务（如车联网、远程医疗），中需求业务（如智能穿戴、智能家居）也较勉强。物联网技术生态中，无一种技术能“通吃”，各种技术互补，NB-IoT凭其特性占据一席之地。现在就收藏本文，深入探索NB-IoT，开启你的物联网创新之旅吧！
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