一、简介
NB-IoT 是指窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）技术，是一种低功耗广域（LPWA）网络技术标准，基于蜂窝技术，用于连接使用无线蜂窝网络的各种智能传感器和设备，聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。
NB-IoT 技术可以理解为是 LTE 技术的“简化版”，NB-IoT 网络是基于现有 LTE 网络进行改造得来的。LTE 网络为“人”服务，为手机服务，为消费互联网服务；而 NB-IoT 网络为“物”服务，为物联网终端服务，为产业互联网（物联网）服务。
NB-IoT 网络只消耗大约 180KHz 的带宽，使用 License 频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。可直接部署于 GSM 网络、UMTS 网络或 LTE 网络，以降低部署成本、实现平滑升级。
二、NB-IoT的特点
2.1 优点
- 低功耗
低功耗特性是物联网应用一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合。为了满足电池达到 5 到 10 年寿命的需求，NB-IoT 网络引入 PSM 和 eDRX 技术极大降低了终端功耗，可使设备在生命周期绝大部分时间处于极低功耗状态，从而保障电池的使用寿命。
- 低成本
NB-IoT 终端采用窄带技术，基带复杂度低，只使用单天线，采用半双工方式，射频模块成本低，大部分（SRVCC、IMS、紧急呼叫等功能）不必要的功能都可以裁剪。同时采用 SoC 内置功放 PA，降低了对终端 Flash 存储空间、终端尺寸、终端射频等的要求，从而极大降低了 NB-IoT 的终端成本。
NB-IoT 网络是基于 LTE 网络的技术，所以在现网 LTE 网络的基础上进行改造，就可以很快组网，很快扩大覆盖。目前各大运营商仍在大力推动 LTE 网络建设，也有利于 NB-IoT 的覆盖改善。
- 大连接
NB-IoT 比 2G/3G/4G 有 50-100 倍的上行容量提升（特定业务模型），在同一基站的情况下，NB-IoT 可比现有无线技术提供 50-100 倍的接入数，单小区可支持 5 万级别的用户规模。
- 广覆盖
NB-IoT 室内覆盖能力强，164db 覆盖（MCL），比 LTE 和 GPRS（2G）提升 20db 增益，相当于提升了 100 倍覆盖区域能力。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。
NB-IoT 为什么覆盖广？
- 重复传输，延长信号码元的传输时间。码元的重复传输事实上就是一个最简单的信道编码，尽管降低了信息的传输速率，但是在解调或译码上的可靠性，特别是在低信噪比的接收环境下更加有效。比如想下译码出错概率为10%，重复次数增加，使得整体译码出错概率大大降低。
- 现有的TTI bundling和HARQ重传技术也可以实现延长信号码元的传输时间。相关的提升覆盖的数值，在VoLTE的商用网络实践中已经证明可有效改善信号的覆盖范围。
- 鉴于NB-IoT业务需求的速率很低，100 bps左右已经可以实现大部分业务，所以可以采用低阶的调制技术，如BPSK、QPSK、更短长度的CRC校验码等。
- 在编码方面，NB-IoT采用Turbo编码，GPRS采用卷积码，优势体现在对译码信噪比需求降低，对应覆盖距离有3～4 dB的增强。
- 对时延要求的降低以及在部分下行物理信道上采用功率增强（Power Boost），对信号覆盖都有直接的增强。
2.2 缺点
- 延时大
- 首次入网连接 10s 左右
- 入网后传输时延百毫秒到数秒以内
- PSM 睡眠响应时间延迟
- 无QoS能力
- 时延大无法实时通信，不支持语音
- 小数据量
- 窄带接入（180KHz），数据量
50 字节 ~ 200 字节为宜，越小越好- 传输带宽低无法传图片
- 低速率
上行理论峰值速率 15.6Kbps，下行理论峰值速率 21.25Kbps
- 低频次
大部分终端应长期处于休眠状态，上报数据频次低。按天上报，每天 1~2 次较为合适。高频次上报（例如 30 分钟），对网络容量占用大。上报频次越高，对网络容量影响越大。
- 低移动性
NB-IoT 适宜慢速移动，移动速度小于 30km/h
三、NB-IoT的网络架构
NB-IoT 网络组成包括 NB-IoT 终端、NB-IoT 基站、NB-IoT 分组核心网、IoT 连接管理平台和行业应用服务器。NB-IoT 的接入网构架与 LTE 一样。
四、NB-IoT的主要应用场景
NB-IoT主要实现采集数据上报传输，网络下发控制指令，短信传输，端到端数据透传，以及基于基站的定位等功能。可满足对低功耗、长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率连接业务，更适合静态及低速业务、对时延不敏感、非连续移动、实时传输数据的业务场景，基本可以承接大部分2G网络承载的物联网业务。其业务场景主要可以分为以下几类
- 自主事件触发业务类型： 如烟雾报警探测器、 设备工作异常等， 上行极小数据量(十字节量级 )，周期多以年、月为单位。
- 自主周期上报业务类型： 如公共事业的远程抄表、 环境监测等， 上行较小数据量(百字节量级 )，周期多以天、小时为单位。
- 远程控制指令业务类型： 如设备远程开启 /关闭、设备触发发送上行报告，下行极小数据量 (十字节量级 )，周期多以天、小时为单位。
- 软件远程更新业务类型： 如软件补丁 / 更新，上行下行较大数据量需求 (千字节量级)，周期多以天、小时为单位。
各场景的具体差异，可以从上行速率，下行速率，时延、移动性、低功耗要求、语音播报等方面的传输能力以及在单用户日均流量、单次传输带宽、传输频次和业务发生时间分布等业务模型两个维度进行区分。具体参考如下统计。
NB-IoT 有三种不同模式对应的物联网中的不同场景需求。
- DRX 模式 可以用在共享单车这一类场景，因为如果是 eDRX 模式的话也许就需要用户站在单车前等了五分钟它才能自动开锁。
- eDRX 模式 就可以用在物流监控等场景中，因为货物在运输时并不需要实时去监控，只要隔一段时间去确定一下位置就可以了。
- PSM 模式 可以用在远程水表，电表上，因为这些表上的数据没必要每天去抄一次，可能半个月左右去检查一下数据就可以了。
五、NB-IoT的比较
5.1 蜂窝网络技术比较
5.2 国内NB-IoT频段比较
| 运营商 | 频段 | 中心频率 | 上行频率 | 下行频率 |
|---|---|---|---|---|
| 中国电信 | B5 | 850MHz | 824MHz~849MHz | 869MHz~894MHz |
| 中国移动、中国联通 | B8 | 900MHz | 880MHz~915MHz | 925MHz~960MHz |
5.3 NB-IoT模式时延比较
首次入网时延: NB 终端开机后，终端和网络有较多消息交互（认证，建立通道，分配IP地址等），花费时间较长，需要 6-8s 才完成网络接入，才能获得 IP 地址，用于后期数据传输使用。
数据上报和接收时延：NB 终端接入成功后，当终端有数据传输时，终端会主动和基站建立无线连接（此时不再需要认证、IP地址分配等过程），无线链路建立成功后，立即发送数据。终端进行数据上报的时延与终端所处的状态、无线网络覆盖密切相关。
| 终端上报数据 | 平台下发数据（PSM） | 平台下发数据（DRX） | 平台下发数据（eDRX） |
|---|---|---|---|
| 空口时延+专网到客户服务器之间的时延 | 空口时延+专网到平台之间的时延+PSM最长休眠周期（最大 310小时） | 空口时延（750ms）+ DRX寻呼周期（最大为 10.24秒，最小 1.28秒） | 空口时延（750ms）+ eDRX寻呼周期（最大为 2.92小时，最小 5.12秒） |
| 秒级（3 秒到 30 秒） | 小时/天级别，取决于终端上报周期 | 秒级，取决于DRX寻呼周期 | 秒级到小时级，取决于eDRX寻呼周期 |
5.4 NB-IoT模式功耗比较
| 终端状态 | 功耗消耗 | 某环境实测结果 |
|---|---|---|
| PSM 状态 | 3 uA | 2.7 uA |
| eDRX 空闲态 | xxuA~2 mA | 1 mA |
| DRX 空闲态 | 1~4mA | 1mA |
| 连接状态 | 发送 200 mA，接收 65 mA | 发送 189 mA，接收 161 mA |
六、NB-IoT的省电模式
NB-IoT 支持三种省电模式：
- DRX（Discontinuous Reception，不连续接收模式）
- eDRX（Extended DRX，扩展不连续接收模式）
- PSM (Power Saving Mode，省电模式)
6.1 DRX模式
DRX 是广泛应用在手机里的一种寻呼方式。可以想一下，如果在最理想的情况下，有人想要给你打电话，以什么样的方式手机才能保证一定能监听到这个寻呼的信息呢？相当于就需要手机每时每刻都在等着被寻呼，就像是在上课的时候聚精会神的同学，一直等着老师点名叫他回答问题。但是，对于手机来讲，如果每时每刻都要等着被寻呼的话，是非常耗电的。所以，研发人员就研究出了 DRX，不连续接收（DiscontinuousReception）的这样一种方法。它的原理如上图所示，图上蓝色的脉冲，代表的就是手机可以每隔一个很短的间隔进行寻呼，而这也是我们在拨打电话时，通常都会等几秒才会听到铃声的一个原因之一。在每次寻呼之后，手机会休息一下进入 IDLE 态，进入 IDLE 态后手机会关闭接收机就相当于是同学们在上课的时候打了个盹。
DRX 模式可以认为下行业务随时可达终端设备，时延小。在每个 DRX 周期，终端都会检测一次是否有下行业务到达。该模式功耗相对较高，适用于对时延有高要求的业务，终端设备一般采取市电供电的方式，如路灯业务。
6.1.1 DRX周期
在 DRX 模式下，每次寻呼的间隔，就叫做 DRX 周期，这个 DRX 周期可以是 1.28s，2.56s，5.12s 或者是 10.24s（由于 DRX 周期短，由运营商网络侧设置决定——SIM 卡办理 APN 业务）。
6.2 eDRX模式
eDRX 模式可以认为终端设备随时可达，但时延较大，时延取决于 eDRX 周期配置。在每个 eDRX 周期内，只有在设置的寻呼时间窗口 PTW 内，终端可接收下行数据，其余时间终端处于休眠状态，不接收下行数据。该模式可在下行业务时延和低功耗之间取得平衡，适用于兼顾低功耗和对时延有一定要求的业务，如远程关闭煤气业务。
6.2.1 eDRX周期和PTW寻呼时间窗口
eDRX 在 DRX 的基础上，设计了一个 寻呼时间窗口 PTW（ Paging Time Window ），范围为 2.56s ~ 40.96s，在每个窗口时间内，物联网设备会寻呼三次，每次寻呼的间隔还是跟之前的 DRX 周期一样。但是每三次寻呼后，它会进入较长时间的休眠，也就是 eDRX 周期，这个时间最长可以达到 2.92h（但是具体的时长，运营商会根据物联网设备和所需数据的实际情况进行设置，所以说在这一方面也可以体现出该模式的灵活性）。
-
eDRX周期可配置时间
具体配置可查看 3GPP TS 24.008
-
PWT寻呼窗口时间表
6.3 PSM模式
PSM 模式在无数据收发的情况下，终端会进入休眠状态，不接收下行数据。只有终端主动发送上行数据（MO Data）时，才可接收 IoT 平台缓存的下行数据 。 在该状态下，终端射频关闭，相当于关机状态。但是核心网侧还保留用户上下文，用户进入空闲态/连接态时无需再附着 PDN 建立。该模式功耗非常低，但时延大，适合对下行数据无时延要求的业务，终端设备一般采取电池供电方式，如抄表业务。
七、NB-IoT的工作状态
NB-IoT 存在三种工作状态，三种状态会根据不同的配置参数进行切换。
- Active 激活状态 / Connected 连接状态
- IDLE 空闲状态
- PSM 休眠状态
7.1 Active激活状态/Connected连接状态
模块注册入网后处于该状态，所有功能正常可用，可以发送和接收数据。
状态切换：
-
Active/Connected -> IDLE
终端发送数据完毕，启动“不活动计时器”，默认 20 秒，可配置范围为 1s~3600s。无数据交互超过“不活动计数器”配置的时间后会进入 IDLE 状态。
7.2 IDLE空闲状态
模块处于浅睡眠状态，模块处于网络连接状态，可接收寻呼消息和发数据。
状态切换：
-
IDLE -> Active/Connected
接收下行数据会进入 Connected 状态。 -
IDLE -> PSM
“不活动计时器”超时，终端进入 IDLE 状态，启动激活定时器Active-Timer(T3324)，无数据交互超过Active-Timer时间后会进入 PSM 状态。
7.3 PSM休眠状态
模块处于深睡眠状态，终端关闭收发信号机，内部只有 RTC 工作，网络处于非连接状态，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。
简单来说 PSM 模式就是把休眠的周期延的更长了，有效减少周期性TAU次数，如上图所示，休眠态最长可以被延长到 310 小时，差不多就是 13 天左右。
状态切换：
-
PSM -> Active/Connected
当TAU Timer(T3412) 定时器超时后，模块将被唤醒，进入 Connected 态。
可通过拉低 PSM_EINT 引脚唤醒模块，主动发送上行数据。
7.4 Active-Timer定时器(T3324)
- 终端进入 IDLE 状态，启动激活定时器 Active-Timer(T3324)，超时时间配置范围为
2秒~186分钟； - Active-Timer 超时，终端进入 PSM 状态，在此状态中，终端不进行寻呼，不接受下行数据，处于休眠状态。
7.5 TAU定时器(T3412)
- 终端进入 IDLE 状态，启动 TAU 定时器(T3412)，超时时间配置范围为
54分钟 ~ 310小时，由核心网配置； - TAU Timer 超时，终端退出 PSM 状态，发起TAU操作，回到 Active 激活状态。
八、NB-IoT业务受理关键参数（工作模式和定时器参数配置）
在整个 NB-IoT 工作的过程中，有一些定时器参数可以进行设置，从而改变各个工作状态的内部细节和周期占比，而这些定时器参数和 SIM 卡运营商的配置密不可分。因此，在购买 SIM 卡时请明确好自己所办理的 APN 业务，不同 APN 适用于不同的应用场景。
以电信 NB SIM 卡为例，不同的 APN 代表着一组不同的定时器参数：
- 默认签约的 APN 为
ctnb- 监测上报类，开启 PSM、关闭 eDRX，激活定时器 2s。
- 若使用 APN
psmF.eDRXC.ctnb- 监测上报类，开启 PSM、开启 eDRX，激活定时器 180s，eDRX 周期 20.48s，寻呼窗口 10.48s。
- 当然，APN也支持用户的定制，对应的 APN 名称为
ue.prefer.ctnb- 工作状态的开关与定时器参数由终端上报的参数决定。
• 由 Leung 写于 2023 年 7 月 4 日
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