一、簡介

NB-IoT 是指窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things）技術，是一種低功耗廣域（LPWA）網絡技術標準，基于蜂窩技術，用于連接使用無線蜂窩網絡的各種智能傳感器和設備，聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯網（IoT）市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。

NB-IoT 技術可以理解為是 LTE 技術的“簡化版”，NB-IoT 網絡是基于現有 LTE 網絡進行改造得來的。LTE 網絡為“人”服務，為手機服務，為消費互聯網服務；而 NB-IoT 網絡為“物”服務，為物聯網終端服務，為產業互聯網（物聯網）服務。

NB-IoT 網絡只消耗大約 180KHz 的帶寬，使用 License 頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現有網絡共存。可直接部署于 GSM 網絡、UMTS 網絡或 LTE 網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。

二、NB-IoT的特點

2.1 優點

• 低功耗

低功耗特性是物聯網應用一項重要指標，特別對于一些不能經常更換電池的設備和場合。為了滿足電池達到 5 到 10 年壽命的需求，NB-IoT 網絡引入 PSM 和 eDRX 技術極大降低了終端功耗，可使設備在生命周期絕大部分時間處于極低功耗狀態，從而保障電池的使用壽命。

• 低成本

NB-IoT 終端采用窄帶技術，基帶復雜度低，只使用單天線，采用半雙工方式，射頻模塊成本低，大部分（SRVCC、IMS、緊急呼叫等功能）不必要的功能都可以裁剪。同時采用 SoC 內置功放 PA，降低了對終端 Flash 存儲空間、終端尺寸、終端射頻等的要求，從而極大降低了 NB-IoT 的終端成本。

NB-IoT 網絡是基于 LTE 網絡的技術，所以在現網 LTE 網絡的基礎上進行改造，就可以很快組網，很快擴大覆蓋。目前各大運營商仍在大力推動 LTE 網絡建設，也有利于 NB-IoT 的覆蓋改善。

• 大連接

NB-IoT 比 2G/3G/4G 有 50-100 倍的上行容量提升（特定業務模型），在同一基站的情況下，NB-IoT 可比現有無線技術提供 50-100 倍的接入數，單小區可支持 5 萬級別的用戶規模。

• 廣覆蓋

NB-IoT 室內覆蓋能力強，164db 覆蓋（MCL），比 LTE 和 GPRS（2G）提升 20db 增益，相當于提升了 100 倍覆蓋區域能力。不僅可以滿足農村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應用同樣適用。

NB-IoT 為什么覆蓋廣？

1. 重復傳輸，延長信號碼元的傳輸時間。碼元的重復傳輸事實上就是一個最簡單的信道編碼，盡管降低了信息的傳輸速率，但是在解調或譯碼上的可靠性，特別是在低信噪比的接收環境下更加有效。比如想下譯碼出錯概率為10%，重復次數增加，使得整體譯碼出錯概率大大降低。
2. 現有的TTI bundling和HARQ重傳技術也可以實現延長信號碼元的傳輸時間。相關的提升覆蓋的數值，在VoLTE的商用網絡實踐中已經證明可有效改善信號的覆蓋范圍。
3. 鑒于NB-IoT業務需求的速率很低，100 bps左右已經可以實現大部分業務，所以可以采用低階的調制技術，如BPSK、QPSK、更短長度的CRC校驗碼等。
4. 在編碼方面，NB-IoT采用Turbo編碼，GPRS采用卷積碼，優勢體現在對譯碼信噪比需求降低，對應覆蓋距離有3～4 dB的增強。
5. 對時延要求的降低以及在部分下行物理信道上采用功率增強（Power Boost），對信號覆蓋都有直接的增強。

2.2 缺點

• 延時大

1. 首次入網連接 10s 左右
2. 入網后傳輸時延百毫秒到數秒以內
3. PSM 睡眠響應時間延遲
4. 無QoS能力
5. 時延大無法實時通信，不支持語音

• 小數據量

1. 窄帶接入（180KHz），數據量 50 字節 ~ 200 字節為宜，越小越好
2. 傳輸帶寬低無法傳圖片

• 低速率

上行理論峰值速率 15.6Kbps，下行理論峰值速率 21.25Kbps

• 低頻次

大部分終端應長期處于休眠狀態，上報數據頻次低。按天上報，每天 1~2 次較為合適。高頻次上報（例如 30 分鐘），對網絡容量占用大。上報頻次越高，對網絡容量影響越大。

• 低移動性

NB-IoT 適宜慢速移動，移動速度小于 30km/h

三、NB-IoT的網絡架構

NB-IoT 網絡組成包括 NB-IoT 終端、NB-IoT 基站、NB-IoT 分組核心網、IoT 連接管理平臺和行業應用服務器。NB-IoT 的接入網構架與 LTE 一樣。

四、NB-IoT的主要應用場景

NB-IoT主要實現采集數據上報傳輸，網絡下發控制指令，短信傳輸，端到端數據透傳，以及基于基站的定位等功能。可滿足對低功耗、長待機、深覆蓋、大容量有所要求的低速率連接業務，更適合靜態及低速業務、對時延不敏感、非連續移動、實時傳輸數據的業務場景，基本可以承接大部分2G網絡承載的物聯網業務。其業務場景主要可以分為以下幾類

• 自主事件觸發業務類型： 如煙霧報警探測器、 設備工作異常等， 上行極小數據量(十字節量級 )，周期多以年、月為單位。
• 自主周期上報業務類型： 如公共事業的遠程抄表、 環境監測等， 上行較小數據量(百字節量級 )，周期多以天、小時為單位。
• 遠程控制指令業務類型： 如設備遠程開啟 /關閉、設備觸發發送上行報告，下行極小數據量 (十字節量級 )，周期多以天、小時為單位。
• 軟件遠程更新業務類型： 如軟件補丁 / 更新，上行下行較大數據量需求 (千字節量級)，周期多以天、小時為單位。

各場景的具體差異，可以從上行速率，下行速率，時延、移動性、低功耗要求、語音播報等方面的傳輸能力以及在單用戶日均流量、單次傳輸帶寬、傳輸頻次和業務發生時間分布等業務模型兩個維度進行區分。具體參考如下統計。

NB-IoT 有三種不同模式對應的物聯網中的不同場景需求。

• DRX 模式 可以用在共享單車這一類場景，因為如果是 eDRX 模式的話也許就需要用戶站在單車前等了五分鐘它才能自動開鎖。
• eDRX 模式 就可以用在物流監控等場景中，因為貨物在運輸時并不需要實時去監控，只要隔一段時間去確定一下位置就可以了。
• PSM 模式 可以用在遠程水表，電表上，因為這些表上的數據沒必要每天去抄一次，可能半個月左右去檢查一下數據就可以了。

五、NB-IoT的比較

5.1 蜂窩網絡技術比較

5.2 國內NB-IoT頻段比較

5.3 NB-IoT模式時延比較

首次入網時延: NB 終端開機后，終端和網絡有較多消息交互（認證，建立通道，分配IP地址等），花費時間較長，需要 6-8s 才完成網絡接入，才能獲得 IP 地址，用于后期數據傳輸使用。

數據上報和接收時延：NB 終端接入成功后，當終端有數據傳輸時，終端會主動和基站建立無線連接（此時不再需要認證、IP地址分配等過程），無線鏈路建立成功后，立即發送數據。終端進行數據上報的時延與終端所處的狀態、無線網絡覆蓋密切相關。

5.4 NB-IoT模式功耗比較

六、NB-IoT的省電模式

NB-IoT 支持三種省電模式：

• DRX（Discontinuous Reception，不連續接收模式）
• eDRX（Extended DRX，擴展不連續接收模式）
• PSM (Power Saving Mode，省電模式)

6.1 DRX模式

DRX 是廣泛應用在手機里的一種尋呼方式。可以想一下，如果在最理想的情況下，有人想要給你打電話，以什么樣的方式手機才能保證一定能監聽到這個尋呼的信息呢？相當于就需要手機每時每刻都在等著被尋呼，就像是在上課的時候聚精會神的同學，一直等著老師點名叫他回答問題。但是，對于手機來講，如果每時每刻都要等著被尋呼的話，是非常耗電的。所以，研發人員就研究出了 DRX，不連續接收（DiscontinuousReception）的這樣一種方法。它的原理如上圖所示，圖上藍色的脈沖，代表的就是手機可以每隔一個很短的間隔進行尋呼，而這也是我們在撥打電話時，通常都會等幾秒才會聽到鈴聲的一個原因之一。在每次尋呼之后，手機會休息一下進入 IDLE 態，進入 IDLE 態后手機會關閉接收機就相當于是同學們在上課的時候打了個盹。

DRX 模式可以認為下行業務隨時可達終端設備，時延小。在每個 DRX 周期，終端都會檢測一次是否有下行業務到達。該模式功耗相對較高，適用于對時延有高要求的業務，終端設備一般采取市電供電的方式，如路燈業務。

6.1.1 DRX周期

在 DRX 模式下，每次尋呼的間隔，就叫做 DRX 周期，這個 DRX 周期可以是 1.28s，2.56s，5.12s 或者是 10.24s（由于 DRX 周期短，由運營商網絡側設置決定——SIM 卡辦理 APN 業務）。

6.2 eDRX模式

eDRX 模式可以認為終端設備隨時可達，但時延較大，時延取決于 eDRX 周期配置。在每個 eDRX 周期內，只有在設置的尋呼時間窗口 PTW 內，終端可接收下行數據，其余時間終端處于休眠狀態，不接收下行數據。該模式可在下行業務時延和低功耗之間取得平衡，適用于兼顧低功耗和對時延有一定要求的業務，如遠程關閉煤氣業務。

6.2.1 eDRX周期和PTW尋呼時間窗口

eDRX 在 DRX 的基礎上，設計了一個 尋呼時間窗口 PTW（ Paging Time Window ），范圍為 2.56s ~ 40.96s，在每個窗口時間內，物聯網設備會尋呼三次，每次尋呼的間隔還是跟之前的 DRX 周期一樣。但是每三次尋呼后，它會進入較長時間的休眠，也就是 eDRX 周期，這個時間最長可以達到 2.92h（但是具體的時長，運營商會根據物聯網設備和所需數據的實際情況進行設置，所以說在這一方面也可以體現出該模式的靈活性）。

• eDRX周期可配置時間
  具體配置可查看 3GPP TS 24.008

• PWT尋呼窗口時間表
  

6.3 PSM模式

PSM 模式在無數據收發的情況下，終端會進入休眠狀態，不接收下行數據。只有終端主動發送上行數據（MO Data）時，才可接收 IoT 平臺緩存的下行數據 。 在該狀態下，終端射頻關閉，相當于關機狀態。但是核心網側還保留用戶上下文，用戶進入空閑態/連接態時無需再附著 PDN 建立。該模式功耗非常低，但時延大，適合對下行數據無時延要求的業務，終端設備一般采取電池供電方式，如抄表業務。

七、NB-IoT的工作狀態

NB-IoT 存在三種工作狀態，三種狀態會根據不同的配置參數進行切換。

• Active 激活狀態 / Connected 連接狀態
• IDLE 空閑狀態
• PSM 休眠狀態

7.1 Active激活狀態/Connected連接狀態

模塊注冊入網后處于該狀態，所有功能正常可用，可以發送和接收數據。

狀態切換：

• Active/Connected -> IDLE
  終端發送數據完畢，啟動“不活動計時器”，默認 20 秒，可配置范圍為 1s~3600s。無數據交互超過 “不活動計數器” 配置的時間后會進入 IDLE 狀態。

7.2 IDLE空閑狀態

模塊處于淺睡眠狀態，模塊處于網絡連接狀態，可接收尋呼消息和發數據。

狀態切換：

• IDLE -> Active/Connected
  接收下行數據會進入 Connected 狀態。
• IDLE -> PSM
  “不活動計時器”超時，終端進入 IDLE 狀態，啟動激活定時器 Active-Timer(T3324)，無數據交互超過 Active-Timer 時間后會進入 PSM 狀態。

7.3 PSM休眠狀態

模塊處于深睡眠狀態，終端關閉收發信號機，內部只有 RTC 工作，網絡處于非連接狀態，因此雖然依舊注冊在網絡，但信令不可達，無法收到下行數據，功率很小。

簡單來說 PSM 模式就是把休眠的周期延的更長了，有效減少周期性TAU次數，如上圖所示，休眠態最長可以被延長到 310 小時，差不多就是 13 天左右。

狀態切換：

• PSM -> Active/Connected
  當 TAU Timer(T3412) 定時器超時 后，模塊將被喚醒，進入 Connected 態。
  可通過拉低 PSM_EINT 引腳喚醒模塊，主動發送上行數據。

7.4 Active-Timer定時器(T3324)

• 終端進入 IDLE 狀態，啟動激活定時器 Active-Timer(T3324)，超時時間配置范圍為 2秒~186分鐘；
• Active-Timer 超時，終端進入 PSM 狀態，在此狀態中，終端不進行尋呼，不接受下行數據，處于休眠狀態。

7.5 TAU定時器(T3412)

• 終端進入 IDLE 狀態，啟動 TAU 定時器(T3412)，超時時間配置范圍為 54分鐘 ~ 310小時，由核心網配置；
• TAU Timer 超時，終端退出 PSM 狀態，發起TAU操作，回到 Active 激活狀態。

八、NB-IoT業務受理關鍵參數（工作模式和定時器參數配置）

在整個 NB-IoT 工作的過程中，有一些定時器參數可以進行設置，從而改變各個工作狀態的內部細節和周期占比，而這些定時器參數和 SIM 卡運營商的配置密不可分。因此，在購買 SIM 卡時請明確好自己所辦理的 APN 業務，不同 APN 適用于不同的應用場景。

以電信 NB SIM 卡為例，不同的 APN 代表著一組不同的定時器參數：

• 默認簽約的 APN 為 ctnb
  • 監測上報類，開啟 PSM、關閉 eDRX，激活定時器 2s。
• 若使用 APN psmF.eDRXC.ctnb
  • 監測上報類，開啟 PSM、開啟 eDRX，激活定時器 180s，eDRX 周期 20.48s，尋呼窗口 10.48s。
• 當然，APN也支持用戶的定制，對應的 APN 名稱為 ue.prefer.ctnb
  • 工作狀態的開關與定時器參數由終端上報的參數決定。

? 由 Leung 寫于 2023 年 7 月 4 日

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