通信技術(shù)NB-IoT為什么可以這么優(yōu)秀?

NB-IoT的行業(yè)應(yīng)用

1、NB-IoT的基本應(yīng)用架構(gòu)模型

NB-IoT終端產(chǎn)品數(shù)據(jù)交互的基本應(yīng)用架構(gòu)模型如圖1：（行業(yè)應(yīng)用不同時(shí)，其架構(gòu)可能稍有不同）

圖1

其數(shù)據(jù)交互的過程為：

NB-IoT終端產(chǎn)品（模組/芯片）將數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)再將數(shù)據(jù)傳至IoT平臺(tái)，IoT平臺(tái)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到業(yè)務(wù)平臺(tái)進(jìn)行處理；反之亦然，NB-IoT終端與業(yè)務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互過程如下：

NB-IoT終端（模組/芯片）<-> NB-IoT蜂窩網(wǎng)絡(luò) <-> IoT平臺(tái) <-> 業(yè)務(wù)平臺(tái)

2、NB-IoT的典型應(yīng)用舉例

根據(jù)不同典型行業(yè)的業(yè)務(wù)特征，其行業(yè)應(yīng)用可基本分為：數(shù)據(jù)上報(bào)類、移動(dòng)跟蹤類、下行控制類。

1）數(shù)據(jù)上報(bào)類應(yīng)用

其應(yīng)用特征是NB-IoT終端產(chǎn)品主動(dòng)發(fā)起業(yè)務(wù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，主要應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)中。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，數(shù)據(jù)的上報(bào)形式可分為周期型上報(bào)和突發(fā)型上報(bào)：

周期型數(shù)據(jù)上報(bào)主要應(yīng)用于對(duì)某事物/設(shè)備/環(huán)境的長(zhǎng)期檢測(cè)，以保證設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，比較典型的應(yīng)用有智能抄表（水、電、汽、熱）、空氣檢測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)等。

突發(fā)型數(shù)據(jù)上報(bào)主要應(yīng)用在通過檢測(cè)某一件事情的發(fā)生，從而根據(jù)該事情進(jìn)行判斷并執(zhí)行某一項(xiàng)針對(duì)性動(dòng)作，比較典型的應(yīng)用有智慧停車，通過地磁傳感器檢測(cè)車輛是否停在車位，以實(shí)現(xiàn)開始計(jì)費(fèi)；火情檢測(cè)，通過煙霧傳感器檢測(cè)煙霧狀況，從而判斷是否有火情發(fā)生，并進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。

2）移動(dòng)跟蹤類應(yīng)用

其應(yīng)用特征是通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)NB-IoT終端產(chǎn)品移動(dòng)和位置跟蹤，比較典型的應(yīng)用為共享單車。

3）下行控制類應(yīng)用

其應(yīng)用特征是用戶通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)NB-IoT終端產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，比較典型的應(yīng)用為智慧路燈、白色家電。

3、目前應(yīng)用上的一些缺陷

NB-IoT技術(shù)的海量連接、深度覆蓋、低功耗優(yōu)勢(shì)明顯，但目前也存在部分的缺陷，如NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在使用基站定位應(yīng)用上的精度差，延時(shí)大（延時(shí)高達(dá)10s，實(shí)時(shí)性差）、無法支持TCP協(xié)議、不支持高速移動(dòng)態(tài)連接應(yīng)用等；且其功耗低的特點(diǎn)是建立在數(shù)據(jù)上報(bào)的頻度上，通過長(zhǎng)時(shí)間的“罷工”來換取的等。

現(xiàn)實(shí)中沒有一種技術(shù)能夠適用所有應(yīng)用場(chǎng)景，需在了解該技術(shù)長(zhǎng)短處之后，針對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行最適合的方案選型可能才是解決之道。

NB-IoT為什么可以實(shí)現(xiàn)海量連接？

5萬用戶/小區(qū)的海量連接特性，一方面依靠?jī)?yōu)化的技術(shù)，另一方面則是因?yàn)榈皖l次、小數(shù)據(jù)包的應(yīng)用場(chǎng)景，技術(shù)的優(yōu)化則體現(xiàn)在如下方面：

1、NB-IoT使用窄帶技術(shù)

NB-IoT 上行載波帶寬僅為3.75/15KHz，相比現(xiàn)有 2G 上行200KHz以及4G 180KHz的PRB（物理資源塊）帶寬，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(cè)進(jìn)行了優(yōu)化

使用了獨(dú)立的準(zhǔn)入擁塞控制，以及終端的上下行信息存儲(chǔ)

4、NB-IoT的核心網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化

可實(shí)現(xiàn)終端上下行信息存儲(chǔ)，且下行數(shù)據(jù)緩存

NB-IoT為什么可以實(shí)現(xiàn)深度覆蓋？

3GPP 標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)NB-IoT協(xié)議進(jìn)行了定義，要求相比現(xiàn)有GSM、寬帶 LTE 等網(wǎng)絡(luò)覆蓋要增強(qiáng) 20dB+。（20dB只是大概數(shù)字）

而根據(jù) 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義，NB-IoT 的上行 MCL 為-164dBm，GSM、寬帶LTE網(wǎng)絡(luò)的上行MCL均為為-144dBm，因此所謂的20dB增益是相比GSM和現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)而言的，該增益=PSD（功率譜密度）增益+重發(fā)增益。

那NB-IoT是否擁有比其他制式的無線蜂窩技術(shù)高20dB的增益，相較于其他技術(shù)，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(diào)發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)，整個(gè)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(shù)的功率譜密度：

參考如下圖2

圖2

2、更多重傳次數(shù)帶來HARQ增益（重發(fā)增益）

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

NB-IoT重復(fù)傳輸?shù)睦碚撟畲笤鲆?，可以通過計(jì)算公式：重發(fā)增益=10*log（重發(fā)次數(shù)）得到。

標(biāo)準(zhǔn)中定義上行重傳次數(shù)最大可達(dá) 128 次，但考慮邊緣場(chǎng)景下的速率以及小區(qū)容量，上行重傳次數(shù)最大一般限為 16 次，對(duì)應(yīng) 9dB 的增益（10*log16=12，實(shí)際比理論低了約3dB，損耗約50%）?？蓞⒖既缦聢D3：

圖3

3、可使用更低的速率

NB-IoT適用于對(duì)接收SNR要求均很低的極端覆蓋場(chǎng)景，通常常規(guī)單次傳輸是無法達(dá)到解調(diào)要求的，此時(shí)就需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行多次重復(fù)傳輸以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常收發(fā)，多次重傳獲得了重發(fā)增益，卻也犧牲了傳輸速率。

NB-IoT為什么可以實(shí)現(xiàn)低功耗？

1、NB-IoT可延長(zhǎng)周期定時(shí)期

相較于傳統(tǒng)的IDLE模式，NB-IoT終端根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及業(yè)務(wù)模型，可靈活適配長(zhǎng)周期請(qǐng)求定時(shí)器RAU/TAU的時(shí)間范圍，減少喚醒次數(shù)，達(dá)到省電目的。

TAU（Tracking Area Update）周期請(qǐng)求定時(shí)器（T3412）由網(wǎng)絡(luò)側(cè)在 ATTCH 和 TAU 消息中指定，3GPP協(xié)議規(guī)定默認(rèn)為 54min，最大可達(dá) 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(shù)，是一種新的比Idle態(tài)更省電的省電模式。

其原理是允許 UE 在進(jìn)入空閑態(tài)一段時(shí)間后，關(guān)閉信號(hào)的收發(fā)和接入層相關(guān)功能，類似于部分關(guān)機(jī)，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終端仍舊注冊(cè)在網(wǎng)，但不接受信令消息，從而使終端更長(zhǎng)時(shí)間駐留在深睡眠狀態(tài)以達(dá)到省電的目的。

所以，UE 工作在 PSM 期間，不接收任何網(wǎng)絡(luò)尋呼，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)側(cè)來說，UE 此時(shí)是不接入數(shù)據(jù)的。

1）PSM模式的退出

那UE在何種狀態(tài)下退出PSM模式，切換到其他模式？

只有當(dāng) TAU 周期請(qǐng)求定時(shí)器（T3412）時(shí)間到期、超時(shí)，或者 UE 有數(shù)據(jù)上報(bào)業(yè)務(wù)要處理而主動(dòng)退出時(shí)，才會(huì)退出 PSM 模式、進(jìn)入空閑態(tài)，進(jìn)而進(jìn)入連接態(tài)處理上下行業(yè)務(wù)。

TAU（Tracking Area Update）周期請(qǐng)求定時(shí)器（T3412）由網(wǎng)絡(luò)側(cè)在 ATTCH 和 TAU 消息中指定，3GPP協(xié)議規(guī)定默認(rèn)為 54min，最大可達(dá) 310H，該定時(shí)器時(shí)間可按需配置。

2）PSM模式的進(jìn)入

如何進(jìn)入PSM模式？

那么 UE 處理完數(shù)據(jù)之后，什么時(shí)候進(jìn)入 PSM 模式呢？這是由另一個(gè)定時(shí)器Activer Timer(T3324，激活定時(shí)器，0-255 秒)決定的。UE 處理完成數(shù)據(jù)之后，RRC 連接會(huì)被釋放、進(jìn)入空閑態(tài)，與此同時(shí)啟動(dòng) Active Timer，此定時(shí)器到期、超時(shí)后，UE 即進(jìn)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(xù)接收，是 3GPP R13 引入的新技術(shù)。R13 之前已經(jīng)有 DRX 技術(shù)，從字面上即可看出，eDRX 是對(duì)原 DRX 技術(shù)的增強(qiáng)：支持的尋呼周期可以更長(zhǎng)，從而達(dá)到節(jié)電目的。

1）eDRX空閑模式下不連續(xù)接收周期時(shí)間變長(zhǎng)

相較于DRX，eDRX空閑模式不連續(xù)接收周期由秒級(jí)可擴(kuò)展到分鐘級(jí)甚至高達(dá)3小時(shí)。

2）eDRX連接模式下不連續(xù)接收周期時(shí)間變長(zhǎng)

eDRX連接模式下不連續(xù)接收時(shí)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(shí)間變長(zhǎng)

eDRX 的尋呼周期由網(wǎng)絡(luò)側(cè)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(dá) 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(duì)比

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

圖6

小結(jié)

在決定是否選用NB-IoT技術(shù)前需先了解自身產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景、NB-IoT技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及NB-IoT技術(shù)是否能解決該應(yīng)用場(chǎng)景的一些難點(diǎn)。

拋開成本問題不談，NB-IoT的海量連接、深度覆蓋、低功耗等優(yōu)勢(shì)都是需要前提條件的，了解這些前提條件與應(yīng)用場(chǎng)景是否相沖突就顯的比較重要。