究竟NB-IoT是什么？

PART1／“物网（物联网）”的差异化需求

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”）

PART2／NB－IoT发展历程

运营商在推广M2M服务（物联网应用）的时候，发现企业对M2M的业务需求，不同与个人用户的需求。企业希望构建集中化的信息系统，与自身资产建立长久的通信连接，以便于管理和监控。

这些资产，往往分布各地，而且数量巨大；资产上配备的通信设备可能没有外部供电的条件（即电池供电，而且可能是一次性的，既无法充电也无法更换电池）；单一的传感器终端需要上报的数据量小、周期长；企业需要低廉的通信成本（包括通信资费、装配通信模块的成本费用）。

以上这种应用场景在网络层面具有较强的统一性，所以通信领域的组织、企业期望能够对现有的通信网络技术标准进行一系列优化，以满足此类M2M业务的一致性需求。

2013年，沃达丰与华为携手开始了新型通信标准的研究，起初他们将该通信技术称为“NB－M2M（LTE for Machine to Machine）”。

2014年5月份，3GPP的GERAN组成立了新的研究项目：“FS＿IoT＿LC”，该项目主要研究新型的无线电接入网系统，“NB－M2M”成为了该项目研究方向之一。稍后，高通公司提交了“NB－OFDM”（Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing， 窄带正交频分复用）的技术方案。

（3GPP，“第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project）”标准化组织；TSG－GERAN （GSM／EDGE Radio Access Network）：负责GSM／EDGE无线接入网技术规范的制定）

2015年5月，“NB－M2M”方案和“NB－OFDM方案”融合成为“NB－CIoT”（Narrow Band Cellular IoT）。该方案的融合之处主要在于：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，爱立信联合中兴、诺基亚等公司，提出了“NB－LTE”（Narrow Band LTE）的技术方案。

在2015年9月的RAN＃69次全会上，经过激烈的讨论和协商，各方案的主导者将两个技术方案（“NB－CIoT”、“NB－LTE”）进行了融合，3GPP对统一后的标准工作进行了立项。该标准作为统一的国际标准，称为“NB－IoT（Narrow Band Internet of Things，基于蜂窝的窄带物联网）”。自此，“NB－M2M”、“NB－OFDM”、“NB－CIoT”、“NB－LTE”都成为了历史。

2016年6月，NB－IoT的核心标准作为物联网专有协议，在3GPP Rel－13冻结。同年9月，完成NB－IoT性能部分的标准制定。2017年1月，完成NB－IoT一致性测试部分的标准制定。

在小编看来，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。

PART3／ NB－IoT技术特性

和其竞争对手一样，NB－IoT着眼于低功耗、广域覆盖的通信应用。终端的通信机制相对简单，无线通信的耗电量相对较低，适合小数据量、低频率（低吞吐率）的信息上传，信号覆盖的范围则与普通的移动网络技术基本一样，行业内将此类技术统称为“LPWAN技术”（Low Power Wide Area，低功耗广域技术）。

NB－IoT针对M2M通信场景对原有的4G网络进行了技术优化，其对网络特性和终端特性进行了适当地平衡，以适应物联网应用的需求。

在“距离、品质、特性”和“能耗、成本”中，保证“距离”上的广域覆盖，一定程度地降低“品质”（例如采用半双工的通信模式，不支持高带宽的数据传送），减少“特性”（例如不支持切换，即连接态的移动性管理 ）。

网络特性“缩水”的好处就是：同时也降低了终端的通信“能耗”，并可以通过简化通信模块的复杂度来降低“成本”（例如简化通信链路层的处理算法）。

所以说，为了满足部分物联网终端的个性要求（低能耗、低成本），网络做出了“妥协”。NB－IoT是“牺牲”了一些网络特性，来满足物联网中不同以往的应用需要。

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）。

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