聽班妹來講講NB-IoT的那些事

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最近秦老師那篇《NB向左，GPRS向右，誰會率先突破百億連接數》很火，引起了很多人的討論。班妹一時手癢，忍不住狗尾續貂一下，想跟大家嘮嘮，為什麼同是通信技術，NB-IoT就很優秀，很突出！

先來看一下我們今天的重點：

一、 NB-IoT的行業應用

1、NB-IoT的基本應用架構模型

2、NB-IoT的典型應用舉例

1）數據上報類應用

2）移動跟蹤類應用

3）下行控制類應用

3、目前應用上的一些缺陷

二、 NB-IoT為什麼可以實現海量連接？

三、 NB-IoT為什麼可以實現深度覆蓋？

四、 NB-IoT為什麼可以實現低功耗？

五、 小結

一、 NB-IoT的行業應用

1、NB-IoT的基本應用架構模型

NB-IoT終端產品數據交互的基本應用架構模型如圖1：

（行業應用不同時，其架構可能稍有不同）

圖1

其數據交互的過程為：

NB-IoT終端產品（模組/晶元）將數據發送至NB-IoT網路，NB-IoT網路再將數據傳至IoT平台，IoT平台再將數據轉發到業務平台進行處理；反之亦然，NB-IoT終端與業務平台的數據交互過程如下：

NB-IoT終端（模組/晶元）<-> NB-IoT蜂窩網路 <-> IoT平台 <-> 業務平台

2、NB-IoT的典型應用舉例

根據不同典型行業的業務特徵，其行業應用可基本分為：數據上報類、移動跟蹤類、下行控制類。

1）數據上報類應用

其應用特徵是NB-IoT終端產品主動發起業務，進行數據上報，主要應用在實現檢測功能的感測器網路中。

根據實際應用，數據的上報形式可分為周期型上報和突髮型上報：

周期型數據上報主要應用於對某事物/設備/環境的長期檢測，以保證設備的長期穩定運行，比較典型的應用有智能抄表（水、電、汽、熱）、空氣檢測、智慧農業等。

突髮型數據上報主要應用在通過檢測某一件事情的發生，從而根據該事情進行判斷並執行某一項針對性動作，比較典型的應用有智慧停車，通過地磁感測器檢測車輛是否停在車位，以實現開始計費；火情檢測，通過煙霧感測器檢測煙霧狀況，從而判斷是否有火情發生，並進行及時報警。

2）移動跟蹤類應用

其應用特徵是通過NB-IoT網路實現NB-IoT終端產品移動和位置跟蹤，比較典型的應用為共享單車。

3）下行控制類應用

其應用特徵是用戶通過NB-IoT網路實現對NB-IoT終端產品實現遠程操作，比較典型的應用為智慧路燈、白色家電。

3、目前應用上的一些缺陷

NB-IoT技術的海量連接、深度覆蓋、低功耗優勢明顯，但目前也存在部分的缺陷，如NB-IoT網路在使用基站定位應用上的精度差，延時大（延時高達10s，實時性差）、無法支持TCP協議、不支持高速移動態連接應用等；且其功耗低的特點是建立在數據上報的頻度上，通過長時間的「罷工」來換取的等。

現實中沒有一種技術能夠適用所有應用場景，需在了解該技術長短處之後，針對場景進行最適合的方案選型可能才是解決之道。

二、 NB-IoT為什麼可以實現海量連接？

5萬用戶/小區的海量連接特性，一方面依靠優化的技術，另一方面則是因為低頻次、小數據包的應用場景，技術的優化則體現在如下方面：

1、NB-IoT使用窄帶技術

NB-IoT上行載波帶寬僅為3.75/15KHz，相比現有 2G/3G/4G 上行200KHz的PRB（物理資源塊），等效功率提升，大大提升信道容量

2、NB-IoT減小了空口信令開銷，提升了頻譜使用效率

3、NB-IoT基站側進行了優化

使用了獨立的准入擁塞控制，以及終端的上下行信息存儲

4、NB-IoT的核心網進行了優化

可實現終端上下行信息存儲，且下行數據緩存

三、 NB-IoT為什麼可以實現深度覆蓋？

3GPP 標準組織對NB-IoT協議進行了定義，要求相比現有GSM、寬頻 LTE 等網路覆蓋要增強 20dB+。（20dB只是大概數字）

而根據 3GPP 標準定義，NB-IoT 的上行 MCL 為-164dBm，GSM、寬頻LTE網路的上行MCL均為為-144dBm，因此所謂的20dB增益是相比GSM和現有LTE網路而言的，該增益=PSD（功率譜密度）增益+重發增益。

那NB-IoT是否擁有比其他制式的無線蜂窩技術高20dB的增益，相較於其他技術，是不是都高20db，上行和下行是否又不同呢？

說明：

MCL：Maximum Coupling Loss，最大耦合損失。是指接收端為了能正確地解調發射端發出的信號，整個傳輸鏈路上允許的最大路徑損耗(dBm)。

PSD：power spectral density，功率譜密度。表示每單位頻率波攜帶的功率(W/Hz)。

1、NB-IoT擁有更高的功率譜密度

班妹先帶大家了解下NB-IoT、GSM、LTE等幾種技術的功率譜密度：

下行功率譜密度：

NB-IoT：43dBm/180KHz；GSM：43dBm/200KHz；LTE：43dBm/10MHz。

上行功率譜密度：（NB-IoT以15KHz single tone為例）

NB-IoT：23dBm/15KHz；GSM：33dBm/200KHz；LTE：23dBm/180KHz。

NB-IoT以15KHz single tone為例，由上述數據可見：

1） 以NB-IoT Stand alone模式下行鏈接看：NB-IoT相對於LTE（假設帶寬為10MHz）PSD增益=10*log[(43dBm/180KHz)/(43dBm/10MHz)]=17.45dB的提升；但NB-IoT下行狀態下相較於GSM沒有功率譜密度提升。

2） NB-IoT相對於LTE的上行PSD增益=10*log(180/15)=10.8dB；NB-IoT相對於GSM的上行PSD增益=10*log[(23dBm/15KHz)/(33dBm/200KHz)]=9.7dB。

可參考如下圖2

圖2

2、更多重傳次數帶來HARQ增益（重發增益）

相比傳統蜂窩制式，NB-IoT支持更多次數的重傳。重傳次數每翻一倍，速率就會減半，同時帶來 3dB 的增益，通俗點講就是說一遍聽不清，就多說幾遍，提高聽清的概率。

NB-IoT重複傳輸的理論最大增益，可以通過計算公式：重發增益=10*log（重發次數）得到。

標準中定義上行重傳次數最大可達 128 次，但考慮邊緣場景下的速率以及小區容量，上行重傳次數最大一般限為 16 次，對應 9dB 的增益（10*log16=12，實際比理論低了約3dB，損耗約50%）。可參考如下圖3：

圖3

3、可使用更低的速率

NB-IoT適用於對接收SNR要求均很低的極端覆蓋場景，通常常規單次傳輸是無法達到解調要求的，此時就需要根據實際情況進行多次重複傳輸以實現數據的正常收發，多次重傳獲得了重發增益，卻也犧牲了傳輸速率。

四、 NB-IoT為什麼可以實現低功耗？

1、NB-IoT可延長周期定時期

相較於傳統的IDLE模式，NB-IoT終端根據應用場景及業務模型，可靈活適配長周期請求定時器RAU/TAU的時間範圍，減少喚醒次數，達到省電目的。

TAU（Tracking Area Update）周期請求定時器（T3412）由網路側在 ATTCH 和 TAU 消息中指定，3GPP協議規定默認為 54min，最大可達 310H。

2、NB-IoT支持PSM（Power Saving Mode）模式

PSM 即低功耗模式，是 3GPP R12 引入的技術，是一種新的比Idle態更省電的省電模式。

其原理是允許 UE 在進入空閑態一段時間後，關閉信號的收發和接入層相關功能，類似於部分關機，以減少天線、射頻、信令處理等的功耗消耗

通俗的講，在該模式下，NB-IoT終端仍舊註冊在網，但不接受信令消息，從而使終端更長時間駐留在深睡眠狀態以達到省電的目的

所以，UE 工作在 PSM 期間，不接收任何網路尋呼，對於網路側來說，UE 此時是不接入數據的。

1）PSM模式的退出

那UE在何種狀態下退出PSM模式，切換到其他模式？

只有當 TAU 周期請求定時器（T3412）時間到期、超時，或者 UE 有數據上報業務要處理而主動退出時，才會退出 PSM 模式、進入空閑態，進而進入連接態處理上下行業務。

TAU（Tracking Area Update）周期請求定時器（T3412）由網路側在 ATTCH 和 TAU 消息中指定，3GPP協議規定默認為 54min，最大可達 310H，該定時器時間可按需配置。

2）PSM模式的進入

如何進入PSM模式？

那麼 UE 處理完數據之後，什麼時候進入 PSM 模式呢？這是由另一個定時器Activer Timer(T3324，激活定時器，0-255 秒)決定的。UE 處理完成數據之後，RRC 連接會被釋放、進入空閑態，與此同時啟動 Active Timer，此定時器到期、超時後，UE 即進入上述 PSM 模式。如圖4所示：

圖4

3、NB-IoT支持eDRX（Extended Discontinuous Reception)模式

eDRX 即非連續接收，是 3GPP R13 引入的新技術。R13 之前已經有 DRX 技術，從字面上即可看出，eDRX 是對原 DRX 技術的增強：支持的尋呼周期可以更長，從而達到節電目的。

1）eDRX空閑模式下不連續接收周期時間變長

相較於DRX，eDRX空閑模式不連續接收周期由秒級可擴展到分鐘級甚至高達3小時。

2）eDRX連接模式下不連續接收周期時間變長

eDRX連接模式下不連續接收時間周期支持5.12s/10.24s（DRX為1.28s/2.56s，即最大為2.56s）。

3）eDRX偵聽尋呼周期時間變長

eDRX 的尋呼周期由網路側在 ATTACH 和 TAU 消息中指定（UE 可以指定建議值），可為 20s，40s，80s，…最大可達 40min，相較1.28s/2.56s 等 DRX

尋呼周期配置，eDRX 耗電量降低很多。如圖5所示：

圖5

4、3GPP中DRX、eDRX、PSM幾種模式的對比

如下圖6，可對比idle、eDRX及PSM模式的空閑模式、不連續接收及偵聽呼叫及耗電量對比：

圖6

五、 小結

在決定是否選用NB-IoT技術前需先了解自身產品的應用場景、NB-IoT技術優勢以及NB-IoT技術是否能解決該應用場景的一些難點。

拋開成本問題不談，NB-IoT的海量連接、深度覆蓋、低功耗等優勢都是需要前提條件的，了解這些前提條件與應用場景是否相衝突就顯的比較重要。

呼，終於整完了。以往看別人寫的乾貨文章時，只覺得內心很爽，沒想到，整理乾貨的背後這麼不容易哇 。整理不易，覺得看爽了的大佬，麻煩點個贊再走哇。（害羞.jpg）

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