一篇文章講清NB-IoT技術
【原創聲明】
作者：王一鳴
來源：物聯江湖（iot521）
歡迎轉載，請保留本聲明，謝謝 ！
一直以來，人們通過相應的終端（電腦、手機、平板等）使用網路服務，「個人」一直是網路的用戶主體。個人對網路質量的要求「高」且「統一」：玩網路遊戲必需要低時延，下載文件或看網路視頻則期望高帶寬，通話需要聲音清晰，而接收的簡訊絕不能有遺漏。
對於移動通信網路，運營商們儘可能地維繫著低時延、高帶寬、廣覆蓋、隨取隨用的網路特性，以保證良好的用戶體驗，以及營造出豐富多姿的移動應用生態。
對於個人通信業務，雖然用戶的要求很高，但整體上對網路質量的需求是一致的，運營商只需要建立一套網路質量標準體系來建設、優化網路，就能滿足大多數人對連接的需要。
隨著網路中用戶終端（手機、PAD等）數量的增長逐漸趨緩，M2M應用成為了運營商網路業務的增長發力點，大量的M2M應用終端則成為了網路的用戶。M2M應用終端（感測設備、智能終端），本質上就是物聯網終端，它們通過裝配無線通信模組和SIM卡，連接到運營商網路，從而構建出各類集中化、數字化的行業應用。
不同於個人通信業務，在物聯網終端構建的行業應用中，各領域應用對信息採集、傳遞、計算的質量要求差異很大；系統和終端部署的環境也各不相同，特別是千差萬別的工業環境；此外，企業在構建應用時，還需要考量技術限制（供電問題、終端體積等）和成本控制（包括建設成本和運營成本）。因此，千姿百態的行業應用具有「個性化」的一面，使得連接的需求朝著多樣性的方向發展。
1.物聯網業務需求的差異化，體現在兩個方面
一方面，不同的終端和應用對網路特性有不同的要求。傳統的網路特性包括：網路接入的距離、上下行的網路帶寬、移動性的支持、還有數據收發的頻率（或稱為周期性）、以及安全性和數據傳輸質量（完整性、穩定性、時效性等）。這幾個方面可濃縮成三個方面，為「接入距離」、「網路特性」、「網路品質」。「接入距離」主要分為近距接入和遠距接入兩種。網路的「特性」和「品質」則是體現需求差異化的主要因素，例如感測器終端的「網路特性」可能是：只有向雲端發送的「上行數據」，而沒有接收的「下行數據」。
另一方面，網路還需要「照顧」原本不太被關注的終端特性，以適應各類的行業應用需求：對「能耗」和「成本」的控制。
（1）能耗
個人用戶大多數時間都是處於宜居的環境中，智能終端常伴左右，並且在人類活動的環境中總能找到充電的「電源插頭」，所以這些終端的生產廠家對電池的電量並不敏感。
而物聯網終端的工作環境相比較個人終端的工作環境，則要複雜的多。有些物聯網終端會部署在高溫高壓的工業環境中，有些則遠離城市、放置在人跡罕至的邊遠地區，還有一些可能深嵌地下或落戶在溪流湖泊之中。
很多設備需要電池的長期供電來工作，因為地理位置和工作環境無法向它們提供外部電源，更換電池的成本也異常高昂。所以「低功耗」是保證他們持續工作的一個關鍵需求。在不少應用場景中，一小粒電池的電量需要維持某個終端「一生」的能量供給。
（2）成本
個人使用的終端，不論是電腦還是手機，其功能豐富、計算能力強大、應用廣泛，通信模塊只是其所有電子元件和機械構建中的一小部分，在總的製造成本中佔比較低。
個人終端作為較高價值的產品，用戶、廠家對其通信單元的固定成本並不特別敏感。而物聯網終端則不同，許多不具備聯網功能的終端原本只是簡易的感測器設備，其功能簡單、成本低廉，相對於感測設備，價格不菲的通信模塊加入其中，就可能引起成本驟升。
在應用場景中大量部署聯網的感測設備，往往需要企業下決心提高終端的成本投入。而與此矛盾的是：簡單的感測器終端上傳網路的數據量通常都很小；它們連接網路的周期長（網路的使用頻次低）；每一次上傳信息的價值都很低。終端成本和信息價值不成比例，使得企業會在大量部署物聯網終端的決策上猶豫不前。如何降低這些啞終端（單一的感測器終端）的通信成本，是一個迫在眉睫的難題。
此前提及的能耗問題，如果不妥善解決，也會影響到物聯網應用的運營成本：如果終端耗電過快，就需要不斷地重新部署投放或更換電池。
2.低功耗、低成本是物聯網通信的一大需求
原本的網路對應用並不敏感，只要提供統一的高質量網路通道（標準唯一），就可以滿足大多數用戶的需求。不論用戶喜歡使用什麼樣的業務，都可以通過高品質的網路質量來獲得通信服務，網路能夠滿足個人用戶的大多數要求。
然而隨著行業應用的深入，網路設計和建設者必須關注到應用、終端的差異性，也就是網路需要針對終端、應用做出相應的調整和適配。
在此前提到的網路特性和終端特性中：「距離、品質、特性」和「能耗、成本」，前後兩類特性存在密切的關聯關係：通信基站的信號覆蓋越廣（「距離長」），則基站和終端的功耗越高（「能耗高」）；要實現高品質、安全可靠的網路服務（「品質高」），需要健壯的通信協議實現差錯效驗、身份驗證、重傳機制、以建立端到端的可靠連接，保證的基礎就是通信模塊的配置就不能低（「成本高」）
運營商在推廣M2M服務（物聯網應用）的時候，發現企業對M2M的業務需求，不同與個人用戶的需求。企業希望構建集中化的信息系統，與自身資產建立長久的通信連接，以便於管理和監控。
這些資產，往往分布各地，而且數量巨大；資產上配備的通信設備可能沒有外部供電的條件（即電池供電，而且可能是一次性的，既無法充電也無法更換電池）；單一的感測器終端需要上報的數據量小、周期長；企業需要低廉的通信成本（包括通信資費、裝配通信模塊的成本費用）。
以上這種應用場景在網路層面具有較強的統一性，所以通信領域的組織、企業期望能夠對現有的通信網路技術標準進行一系列優化，以滿足此類M2M業務的一致性需求。
2013年，沃達豐與華為攜手開始了新型通信標準的研究，起初他們將該通信技術稱為「NB-M2M（LTE for Machine to Machine）」。
2014年5月份，3GPP的GERAN組成立了新的研究項目：「FS_IoT_LC」，該項目主要研究新型的無線電接入網系統，「NB-M2M」成為了該項目研究方向之一。稍後，高通公司提交了「NB-OFDM」（Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 窄帶正交頻分復用)的技術方案。
（3GPP,「第三代合作夥伴計劃（3rd Generation Partnership Project）」標準化組織;TSG-GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network):負責GSM/EDGE無線接入網技術規範的制定）
2015年5月，「NB-M2M」方案和「NB-OFDM方案」融合成為「NB-CIoT」（Narrow Band Cellular IoT）。該方案的融合之處主要在於：通信上行採用FDMA多址方式，而下行採用OFDM多址方式。
2015年7月，愛立信聯合中興、諾基亞等公司，提出了「NB-LTE」（Narrow Band LTE）的技術方案。
在2015年9月的RAN#69次全會上，經過激烈的討論和協商，各方案的主導者將兩個技術方案（「NB-CIoT」、「NB-LTE」）進行了融合，3GPP對統一後的標準工作進行了立項。該標準作為統一的國際標準，稱為「NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，基於蜂窩的窄帶物聯網）」。自此，「NB-M2M」、「NB-OFDM」、「NB-CIoT」、「NB-LTE」都成為了歷史。
2016年6月，NB-IoT的核心標準作為物聯網專有協議，在3GPP Rel-13凍結。同年9月，完成NB-IoT性能部分的標準制定。2017年1月，完成NB-IoT一致性測試部分的標準制定。
在我看來，促成這幾種低功耗蜂窩技術「結盟」的關鍵，並不僅僅是日益增長的商業訴求，還有其它新生的（非授權頻段）低功耗接入技術的威脅。LoRa、SIGFOX、RPMA等新興接入技術的出現，促成了3PGG中相關成員企業和組織的抱團發展。
和其競爭對手一樣，NB-IoT著眼於低功耗、廣域覆蓋的通信應用。終端的通信機制相對簡單，無線通信的耗電量相對較低，適合小數據量、低頻率（低吞吐率）的信息上傳，信號覆蓋的範圍則與普通的移動網路技術基本一樣，行業內將此類技術統稱為「LPWAN技術」(Low Power Wide Area，低功耗廣域技術)。
NB-IoT針對M2M通信場景對原有的4G網路進行了技術優化，其對網路特性和終端特性進行了適當地平衡，以適應物聯網應用的需求。
在「距離、品質、特性」和「能耗、成本」中，保證「距離」上的廣域覆蓋，一定程度地降低「品質」（例如採用半雙工的通信模式，不支持高帶寬的數據傳送），減少「特性」（例如不支持切換，即連接態的移動性管理 ）。
網路特性「縮水」的好處就是：同時也降低了終端的通信「能耗」，並可以通過簡化通信模塊的複雜度來降低「成本」（例如簡化通信鏈路層的處理演算法）。
所以說，為了滿足部分物聯網終端的個性要求（低能耗、低成本），網路做出了「妥協」。NB-IoT是「犧牲」了一些網路特性，來滿足物聯網中不同以往的應用需要。
1.部署方式
為了便於運營商根據自由網路的條件靈活運用，NB-IoT可以在不同的無線頻帶上進行部署，分為三種情況：獨立部署(Stand alone)、保護帶部署(Guard band)、帶內部署(In band)。
Stand alone模式：利用獨立的新頻帶或空閑頻段進行部署，運營商所提的「GSM頻段重耕」也屬於此類模式；
Guard band模式：利用LTE系統中邊緣的保護頻段。採用該模式，需要滿足一些額外的技術要求(例如原LTE頻段帶寬要大於5Mbit/s)，以避免LTE和NB-IoT之間的信號干擾。
In band模式：利用LTE載波中間的某一段頻段。為了避免干擾，3GPP要求該模式下的信號功率譜密度與LTE信號的功率譜密度不得超過6dB。
除了Stand alone模式外，另外兩種部署模式都需要考慮和原LTE系統的兼容性，部署的技術難度相對較高，網路容量相對較低。
2.覆蓋增強
為了增強信號覆蓋，在NB-IoT的下行無線信道上，網路系統通過重複向終端發送控制、業務消息（「重傳機制」），再由終端對重複接受的數據進行合併，來提高數據通信的質量。
這樣的方式可以增加信號覆蓋的範圍，但數據重傳勢必將導致時延的增加，從而影響信息傳遞的實時性。在信號覆蓋較弱的地方，雖然NB-IoT能夠保證網路與終端的連通性，但對部分實時性要求較高的業務就無法保證了。
在NB-IoT的上行信道上，同樣也支持無線信道上的數據重傳。此外，終端信號在更窄的LTE帶寬中發送，可以實現單位頻譜上的信號增強，使PSD（Power Spectrum Density，功率譜密度）增益更大。通過增加功率譜密度，更利於網路接收端的信號解調，提升了上行無線信號在空中的穿透能力。
通過上行、下行信道的優化設計，NB-IoT信號的「耦合損耗（coupling loss）」最高可以達到164dB。
（備註: 耦合損耗,指能量從一個電路系統傳播到另一個電路系統時發生的能量損耗。這裡是指無線信號在空中傳播的能量損耗）
為了進一步利用網路系統的信號覆蓋能力，NB-IoT還根據信號覆蓋的強度進行了分級（CE Level），並實現「尋呼優化」：引入PTW（尋呼傳輸窗），允許網路在一個PTW內多次尋呼UE，並根據覆蓋等級調整尋呼次數。
常規覆蓋（Normal Coverage）,其MCL(Maximum Coupling Loss，最大耦合損耗)小於144dB，與目前的GPRS覆蓋一致。
擴展覆蓋（Extended Coverage），其MCL介於144dB與154dB之間，相對GPRS覆蓋有10dB的增強
極端覆蓋（Extreme Coverage），其MCL最高可達164dB，相對GPRS覆蓋強度提升了20dB。
3. NB-IoT低功耗的實現
要終端通信模塊低功耗運行，最好的辦法就是盡量地讓其「休眠」。NB-IoT有兩種模式，可以使得通信模塊只在約定的一段很短暫的時間段內，監聽網路對其的尋呼，其它時間則都處於關閉的狀態。這兩種「省電」模式為：PSM（power saving mode，省電模式）和eDRX（Extended Discontinuous Reception，擴展的不連續接收）
（1） PSM模式
在PSM模式下，終端設備的通信模塊進入空閑狀態一段時間後，會關閉其信號的收發以及接入層的相關功能。當設備處於這種局部關機狀態的時候，即進入了省電模式-PSM。終端以此可以減少通信元器件（天線、射頻等）的能源消耗。
終端進入省電模式期間，網路是無法訪問到該終端。從語音通話的角度來說，即「無法被叫」。
大多數情況下，採用PSM的終端，超過99%的時間都處於休眠的狀態，主要有兩種方式可以激活他們和網路的通信：
當終端自身有連接網路的需求時，它會退出PSM的狀態，並主動與網路進行通信，上傳業務數據。
在每一個周期性的TAU (Tracking Area Update，跟蹤區更新)中，都有一小段時間處於激活的狀態。在激活狀態中，終端先進入「連接狀態（Connect）」，與通信網路交互其網路、業務的數據。在通信完成後，終端不會立刻進入PSM狀態，而是保持一段時間為「空閑狀態（IDLE）」。在空閑狀態狀態下，終端可以接受網路的尋呼。
在PSM的運行機制中，使用「激活定時器（Active Timer，簡稱AT）」控制空閑狀態的時長，並由網路和終端在網路附著（Attach，終端首次登記到網路）或TAU時協商決定激活定時器的時長。終端在空閑狀態下出現AT超時的時候，便進入了PSM狀態。
根據標準，終端的一個TAU周期最大可達310H(小時)；「空閑狀態」的時長最高可達到3.1小時（11160s）。
從技術原理可以看出，PSM適用於那些幾乎沒有下行數據流量的應用。雲端應用和終端的交互，主要依賴於終端自主性地與網路聯繫。絕大多數情況下，雲端應用是無法實時「聯繫「到終端的。
（2） PSM模式
在PSM模式下，網路只能在每個TAU最開始的時間段內尋呼到終端（在連接狀態後的空閑狀態進行尋呼）。eDRX模式的運行不同於PSM，它引入了eDRX機制，提升了業務下行的可達性。
（備註：DRX(Discontinuous Reception)，即不連續接收。eDRX就是擴展的不連續接收。）
eDRX模式，在一個TAU周期內，包含有多個eDRX周期，以便於網路更實時性地向其建立通信連接（尋呼）。
eDRX的一個TAU包含一個連接狀態周期和一個空閑狀態周期，空閑狀態周期中則包含了多個eDRX尋呼周期，每個eDRX尋呼周期又包含了一個PTW周期和一個PSM周期。PTW和PSM的狀態會周期性地交替出現在一個TAU中，使得終端能夠間歇性地處於待機的狀態，等待網路對其的呼叫。
eDRX模式下，網路和終端建立通信的方式同樣：終端主動連接網路；終端在每個eDRX周期中的PTW內，接受網路對其的尋呼。
在TAU中，最小的eDRX周期為20.48秒，最大周期為2.91小時
在eDRX中，最小的PTW周期為2.56秒，最大周期為40.96秒
在PTW中，最小的DRX周期為1.28秒，最大周期為10.24秒
總體而言，在TAU一致的情況下，eDRX模式相比較PSM模式，其空閑狀態的分布密度更高，終端對尋呼的響應更為及時。eDRX模式適用的業務，一般下行數據傳送的需求相對較多，但允許終端接受消息有一定的延時（例如雲端需要不定期地對終端進行配置管理、日誌採集等）。根據技術差異，eDRX模式在大多數情況下比PSM模式更耗電。
4. 終端簡化帶來低成本
針對數據傳輸品質要求不高的應用，NB-IoT具有低速率、低帶寬、非實時的網路特性，這些特性使得NB-IoT終端不必向個人用戶終端那樣複雜，簡單的構造、簡化的模組電路依然能夠滿足物聯網通信的需要。
NB-IoT採用半雙工的通信方式，終端不能夠同時發送或接受信號數據，相對全雙工方式的終端，減少了元器件的配置，節省了成本。
業務低速率的數據流量，使得通信模組不需要配置大容量的緩存。低帶寬，則降低了對均衡演算法的要求，降低了對均衡器性能的要求。（均衡器主要用於通過計算抵消無線信道干擾）
NB-IoT通信協議棧基於LTE設計，但它系統性地簡化了協議棧，使得通信單元的軟體和硬體也可以相應的降低配置：終端可以使用低成本的專用集成電路來替代高成本的通用計算晶元，來實現協議簡化後的功能。這樣還能夠減少通信單元的整體功耗，延長電池使用壽命。
5.業務在核心網路中的簡化
在NB-IoT的核心網路（EPC- Evolved Packet Core，即4G核心網）中，針對物聯網業務的需求特性，蜂窩物聯網（CIoT）定義了兩種優化方案：
CIoT EPS用戶面功能優化（User Plane CIoT EPS optimisation）
CIoT EPS控制面功能優化（Control Plane CIoT EPS optimisation）
（1） 用戶面功能優化
「用戶面功能優化」與原LTE業務的差異並不大，它的主要特性是引入RRC (無線資源控制)的「掛起/恢復（Suspend/Resume）流程」，減少了終端重複進行網路接入的信令開銷。
當終端和網路之間沒有數據流量時，網路將終端置為掛起狀態（Suspend），但在終端和網路中仍舊保留原有的連接配置數據。
當終端重新發起業務時，原配置數據可以立即恢復通信連接（Resume），以此減去了重新進行RRC重配、安全驗證等流程，降低了無線空口上的信令交互量。
（2） 控制面功能優化
「控制面功能優化」包括兩種實現方式（消息傳遞路徑）。通過這兩種方式，終端不必在無線空口上和網路建立業務承載，就可以將業務數據直接傳遞到網路中。
備註：通信系統的特性之一是控制與承載（業務）分離，直觀的來說就是業務的控制消息（建立業務、釋放業務、修改業務）和業務數據本身並不在同一條鏈路上混合傳遞。NB-IoT的控制面功能優化則簡化了這種慣常的信息業務架構。
CP模式的兩種實現方式，即兩種數據傳遞的路徑：
A.在核心網內，由MME、SCEF網元負責業務數據的轉接
在該方式中，NB-IoT引入了新的網元：SCEF（Service Capa- bility Exposure Function，服務能力開放平台）。物聯網終端接受或發送業務數據，是通過無線信令鏈路進行的，而非無線業務鏈路。
當終端需要上傳數據時，業務數據由無線信令消息攜帶，直接傳遞到核心網的網元MME(Mobility Management Entity，4G核心網中的移動性管理實體)，再由MME通過新增的SCEF網元轉發到CIoT服務平台（CIoT Services，也稱為AP-應用服務）。雲端向終端發送業務數據的方向則和上傳方向正好相反。
路徑：UE(終端)-MME-SCEF- CIoT Services
B.在核心網內，通過MME與業務面交互業務數據
在該方式中，終端同樣通過無線信令鏈路收發業務數據。對於業務數據的上傳，是由MME設備將終端的業務數據送入核心網的業務面網元SGW，再通過PGW進入互聯網平台；對於下傳業務數據，則由SGW傳遞給MME，再由MME通過無線信令消息送給終端。業務數據上傳和下傳的路徑也是一致的。
路徑：UE(終端)-MME-SGW-PGW-CIoT Services
按照傳統流程（包括用戶面優化方案），終端需要和網路先建立SRB(Signaling Radio Bearer)再建立DRB(Data Radio Bearer)，才能夠在無線通道上傳輸數據。而採用控制面優化方案（CP模式），只需要建立SRB就可以實現業務數據的收發。
（3）功能優化模式總結
CP方式借鑒了短距通信的一些設計思路，非常適合低頻次、小數據包的上傳業務，類似於簡訊業務。但網路中「信令面」的帶寬有限，CP方式所以並不適合傳遞較大的業務數據包。UP模式則可以滿足大數據業務的傳遞。
不論是UP模式，還是CP模式，本質上都是通過無線通信流程的簡化，節省了終端的通信計算和能量消耗，提升了數據傳遞效率。
6.連接態的移動性管理
最初，NB-IoT的規範是針對靜態的應用場景(如智能抄表)進行設計和制定的，所以在Rel-13版本（2016年6月）中它並不支持連接狀態下的移動性管理，即不支持「無線切換」。在隨後的Rel-14版本中，NB-IoT會支持基站小區間的切換，以保證業務在移動狀態下的連續性。
從NB-IoT的特性中可以看出，其通過「信號增強」、「尋呼優化」加強了通信覆蓋的深度。主要通過三個方面，來「照顧」終端對低耗電、低成本的要求：
1、引入了低功耗的「睡眠」模式（PSM、eDRX）；
2、降低了對通信品質要求，簡化了終端設計（半雙工模式、協議棧簡化等）；
3、通過兩種功能優化模式（CP模式、UP模式）簡化流程，減少了終端和網路的交互量。
這些對廣域移動通信技術的「優化」設計，使得NB-IoT更加適合於部分物聯網的場景應用，也就是LPWA（低功耗廣域網）類型的應用。並且由於引入了睡眠模式，降低了通信品質的要求（主要是實時性要求），使得NB-IoT的基站比傳統基站，能夠接入更多的（承載LPWA業務的）終端。
採用NB-IoT的終端可以在滿足低功耗的需求下，用於較高密度部署、低頻次數據採集的應用（包括固定位置的抄表、倉儲和物流管理、城市公共設置的信息採集等），或者是較低密度部署、長距離通信連接的應用（包括農情監控、地質水文監測等）。
當然，作為一種LPWAN技術，NB-IoT有其固有的局限性，它顯然並不適用於要求低時延、高可靠性的業務（車聯網、遠程醫療），而且中等需求的業務（智能穿戴、智能家居）對於它來說也稍顯「吃力」。
在物聯網技術生態中，沒有一種通信接入技術能夠「通吃」所有的應用場景，各種接入技術之間存在一定的互補效應，NB-IoT能夠依靠其技術特性在物聯網領域中佔據著一席之地。
文：王一鳴
我拉你進入江湖群聊
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