NB-IoT協(xié)議和模組應用雜談

什么是NB-IoT

NB-IoT是一種無線蜂窩網(wǎng)絡通信協(xié)議，是NArrow Band Internet of Things的縮寫，意思是窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（LPWA），窄帶只指使用的帶寬為180KHz，工作在運營商的授權(quán)頻段內(nèi)，技術(shù)主要貢獻者為華為和高通。

近兩年隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，NB-IoT在IT行業(yè)內(nèi)也被推上了風口浪尖。NB-IoT技術(shù)是基于LTE的R13實現(xiàn)的，因此和現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡很容易兼容，在物聯(lián)網(wǎng)通信中占據(jù)著越來越重要的地位，因此三大運營商都在加緊NB-IoT的網(wǎng)絡部署。

NB-IoT協(xié)議的本質(zhì)是什么

當某種資源是有限的、多個個體都需要時，為了更合理的利用資源往往會建立各種各樣的規(guī)則，在通信中，信息交互所需的傳輸介質(zhì)、傳輸時間等都是有限的，且是各通信方爭搶的，此時就需要建立一套通信協(xié)議即通信規(guī)則，各通信參與方為了信息交互共同遵守這種約定，以此達到在有限的資源范圍內(nèi)信息交互高有效性和高可靠性的平衡，實現(xiàn)資源的最優(yōu)利用。

NB-IoT協(xié)議就是充分利用好寶貴的無線頻譜資源和時間資源、滿足LPWA需要而設計的一套無線蜂窩網(wǎng)絡通信規(guī)則，其作用就是為信息交互制定了一套語法、語義和時序，簡單的說就是規(guī)定了通信參與方用什么語言交流，說的話代表什么意思、以及誰說誰聽、說多長時間的規(guī)則。

NB-IoT的演進過程

2013年初，華為聯(lián)合相關廠商、運營商開始蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的研究，命名為LTE-M；

2014年5月，由華為、沃達豐、中國移動、Orange、TelecoMItaly等公司主導的工作組SI在3GPPGERAN立項，LTE-M演進為CellularIoT，簡稱CIoT；

2015年5月，華為和高通共同宣布一項融合解決方案，融合之后的方案叫NB-CIoT；

2015年8月，在GERANSI階段最后一次會議上，愛立信聯(lián)合中興、諾基亞、三星、INTEL等提出NB-LTE的概念；

2015年9月，RAN#68上NB-CIoT和NB-LTE兩個技術(shù)方案進行融合行成NB-IoT；

2016年6月16日，NB-IoT的3GPP標準核心部分正式凍結(jié)，標志著商用階段正式開始。

NB-IoT的技術(shù)特點

LPWA終端設備應用時，往往存在用戶數(shù)量多且密集分布、外接電源困難、所處位置較隱蔽、成本敏感等特點，為了應對這些需求，NB-IoT網(wǎng)絡的設計具有如下特點：

超低功耗：加入PSM功能，處于此模式的終端耗流在3uA左右，即便使用干電池也能驅(qū)動模組工作10年之久；

海量連接：單小區(qū)180KHz的帶寬可支持10萬用戶接入，是LTE連接數(shù)的數(shù)千倍；

深度覆蓋：NB-IoT支持0、1、2三個CE Level（覆蓋增強等級），分別對應可以對抗144dB、154dB、164dB的信號衰減，相比GSM和LTE提高了20dB，覆蓋面積提升了100倍，同等條件下NB-IoT能提供更深的覆蓋；

超低成本：通過簡化協(xié)議、去掉對物聯(lián)網(wǎng)應用意義不大的功能等方式降低終端的制造難度和成本，目前已降至3美元以內(nèi)，未來可降至1美元以內(nèi)；

低速率：LPWA應用時多傳輸控制類參數(shù)，數(shù)據(jù)量小、通信頻次低、時延不敏感，因此NB-IoT網(wǎng)絡將業(yè)務時延放寬到了10s；

上行為主：與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡以“人”的連接不同，物聯(lián)網(wǎng)以“物”的應用多以上行數(shù)據(jù)為主，因此NB-IoT的流量模型是以上行為主的；

半雙工：NB-IoT采用的是FDD模式，通信時采用的是半雙工，半雙工所需的元件成本更低，且可降低電量功耗，進一步壓縮了終端的成本和耗電量；

ST/MT兩種模式： Single Tone（單頻）模式下，可以同時為更多的用戶提供業(yè)務傳輸服務，能提供上行15kbps左右的傳輸速率；Multiple Tone（多頻）模式下能充分利用頻譜資源，提升用戶傳輸速率，能為用戶提供上行62kbps左右的傳輸速率；NB-IoT上行支持3.75kHz和15kHz兩種子載波空間，其中MT模式下必須為15kHz；

不支持小區(qū)切換：物聯(lián)網(wǎng)的應用場景中，終端多為靜止狀態(tài)，通過去除復雜的切換功能能進一步降低能耗、減少終端復雜度；

三種部署方式：獨立部署占用200kHz帶寬，適用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200KHz，這剛好為NB-IoT 180KHz帶寬辟出空間，且兩邊各有10KHz的保護間隔；LTE帶內(nèi)部署占用180KHz帶寬，可利用LTE載波中間的任何資源塊實現(xiàn)；LTE保護帶部署占用180KHz帶寬，利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊進行部署。

總而言之，NB-IoT是“懶”、“簡”、“慢”、“廉”、“多”為特點的LPWA通信協(xié)議技術(shù)。

NB-IoT的網(wǎng)絡架構(gòu)

終端與基站之間為無線傳輸，單小區(qū)總帶寬為180KHz，上行采用3.75KHz子載波時最大支持48個終端同時上傳數(shù)據(jù)，采用15KHz子載波時最大支持12個終端同時上傳數(shù)據(jù)，支持最多600個左右的終端處于激活態(tài)（不進行數(shù)據(jù)交互），支持10萬個終端在網(wǎng)絡中注冊（終端處于PSM態(tài)）。

為避免終端并發(fā)數(shù)過高導致?lián)砣?，高并發(fā)可能導致用戶數(shù)據(jù)傳輸延遲甚至丟失，因此應盡量避免高并發(fā)產(chǎn)生，需要增加錯峰機制，比如數(shù)據(jù)交互時刻采用北京時間加隨機數(shù)等方式。

NAT IP老化是什么

IPV4的地址總共是32位，因此其最多能產(chǎn)生2的32次方個地址，即最多42.9億多一點的IP數(shù)量，總量本就不多，有些IP段又是特殊用途不能開放，再加上前期分配時IP地址浪費嚴重，因此上世紀90年代前后開始意識到IP地址將要被分配完的問題，為了減緩IP地址不足的問題，NAT（Network Address Translation，網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換）應運而生，其基本思想是區(qū)分公網(wǎng)和局域網(wǎng)，預留三段公網(wǎng)不能使用的IP地址在局域網(wǎng)內(nèi)使用，局域網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)終端收發(fā)數(shù)據(jù)采用預留的IP地址，局域網(wǎng)內(nèi)的終端與公網(wǎng)通信時，在局域網(wǎng)的出口處將源IP更改為公網(wǎng)IP，并記錄對應關系，當公網(wǎng)訪問局域網(wǎng)內(nèi)的終端時，根據(jù)對應關系將目的地址更改為對應終端的私網(wǎng)地址即可，此機制一個局域網(wǎng)僅需少量的IP甚至是一個IP就可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的終端與公網(wǎng)進行通信。

但這種機制的缺點也很明顯，首先是公網(wǎng)地址設備不能主動與局域網(wǎng)內(nèi)的終端進行數(shù)據(jù)交互，需要局域網(wǎng)內(nèi)的用戶先發(fā)起一次通信生成公網(wǎng)IP與私網(wǎng)IP對應關系后才能相互通信；其次由于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互非常頻繁，因此IP對應關系記錄表很容易積累的非常大導致無法存儲，所以實際應用時，多使用動態(tài)NAT機制，當規(guī)定時長內(nèi)公網(wǎng)設備與局域網(wǎng)設備沒有再進行數(shù)據(jù)交互，此IP對應關系表將會被刪除，導致公網(wǎng)不能主動發(fā)數(shù)據(jù)到終端。

對抗NAT IP對應關系表老化問題的方式就分為兩種，①開通GRE隧道，使用專用APN；②終端在IP對應關系表老化前發(fā)一次數(shù)據(jù)到公網(wǎng)，即發(fā)送心跳包。使用GRE隧道卡的方式終端只需關閉PSM和eDRX即可，使用心跳包則有可能導致高并發(fā)，兩種方式終端均無法進入PSM態(tài)，功耗會增加，尤其是心跳包的形式，功耗增加尤為明顯。

在實際應用中，如有條件，可采用終端平時處于休眠模式，需要接收公網(wǎng)設備的數(shù)據(jù)時，先觸發(fā)終端發(fā)一條數(shù)據(jù)到公網(wǎng)，然后再接收公網(wǎng)設備發(fā)過來的數(shù)據(jù)，此種業(yè)務邏輯即可保證收到下行數(shù)據(jù)，又能使終端在無數(shù)據(jù)收發(fā)時處于PSM的超低功耗狀態(tài)。

國內(nèi)運營商擁有的可使用的NB-IoT頻段

NB-IoT與LTE、LoRa的技術(shù)對比

Lora是非授權(quán)頻段使用的通信協(xié)議，其在覆蓋范圍、功耗、連接數(shù)量、傳輸速率等方面與NB-IoT相當，是目前廣泛使用的一種長距離通信協(xié)議之一。

由于Lora發(fā)展的較早，且得到了很多設備廠商和歐美運營商的支持，由于其在非授權(quán)頻段工作，可以私有化部署，不通過運營商的網(wǎng)絡進行連接，所以曾經(jīng)有段時間在使用范圍上領先過，但由于部署基站成本高、頻譜易受干擾，加上工信部出臺的《微功率短距離無線電發(fā)射設備技術(shù)要求》規(guī)定在470MHz~510MHz不允許組網(wǎng)，至使Lora的發(fā)展困難重重（我國的Lora應用大多部署在470MHz~510MHz），目前NB-IoT的優(yōu)勢越來越明顯。