细说NB-IoT为何如此优秀的原因

zhaoxianden · 发表于 2018-9-13 22:20:40

今天班妹来跟大家分享下NB-IoT那些基础知识。
绝对的超级大干货，不枉费大家的等待。

闲话少叙，今日重点：

一、 NB-IoT的行业应用
二、 NB-IoT为什么可以实现海量连接？
三、 NB-IoT为什么可以实现深度覆盖？
四、 NB-IoT为什么可以实现低功耗？
五、小结

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NB-IoT的行业应用

1、NB-IoT的基本应用架构模型

NB-IoT终端产品数据交互的基本应用架构模型如图1：（行业应用不同时，其架构可能稍有不同）

图1

其数据交互的过程为：

NB-IoT终端产品（模组/芯片）将数据发送至NB-IoT网络，NB-IoT网络再将数据传至IoT平台，IoT平台再将数据转发到业务平台进行处理；反之亦然，NB-IoT终端与业务平台的数据交互过程如下：

NB-IoT终端（模组/芯片）<-> NB-IoT蜂窝网络 <-> IoT平台 <-> 业务平台

2、NB-IoT的典型应用举例

根据不同典型行业的业务特征，其行业应用可基本分为：数据上报类、移动跟踪类、下行控制类。

1）数据上报类应用

其应用特征是NB-IoT终端产品主动发起业务，进行数据上报，主要应用在实现检测功能的传感器网络中。根据实际应用，数据的上报形式可分为周期型上报和突发型上报：

周期型数据上报主要应用于对某事物/设备/环境的长期检测，以保证设备的长期稳定运行，比较典型的应用有智能抄表（水、电、汽、热）、空气检测、智慧农业等。

突发型数据上报主要应用在通过检测某一件事情的发生，从而根据该事情进行判断并执行某一项针对性动作，比较典型的应用有智慧停车，通过地磁传感器检测车辆是否停在车位，以实现开始计费；火情检测，通过烟雾传感器检测烟雾状况，从而判断是否有火情发生，并进行及时报警。

2）移动跟踪类应用

其应用特征是通过NB-IoT网络实现NB-IoT终端产品移动和位置跟踪，比较典型的应用为共享单车。

3）下行控制类应用

其应用特征是用户通过NB-IoT网络实现对NB-IoT终端产品实现远程操作，比较典型的应用为智慧路灯、白色家电。

3、目前应用上的一些缺陷

NB-IoT技术的海量连接、深度覆盖、低功耗优势明显，但目前也存在部分的缺陷，如NB-IoT网络在使用基站定位应用上的精度差，延时大（延时高达10s，实时性差）、无法支持TCP协议、不支持高速移动态连接应用等；且其功耗低的特点是建立在数据上报的频度上，通过长时间的“**”来换取的等。

现实中没有一种技术能够适用所有应用场景，需在了解该技术长短处之后，针对场景进行最适合的方案选型可能才是解决之道。

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NB-IoT为什么可以实现海量连接？

5万用户/小区的海量连接特性，一方面依靠优化的技术，另一方面则是因为低频次、小数据包的应用场景，技术的优化则体现在如下方面：

1、NB-IoT使用窄带技术

NB-IoT 上行载波带宽仅为3.75/15KHz，相比现有 2G 上行200KHz以及4G 180KHz的PRB（物理资源块）带宽，等效功率提升，大大提升信道容量。

2、NB-IoT减小了空口信令开销，提升了频谱使用效率

3、NB-IoT基站侧进行了优化

使用了独立的准入拥塞控制，以及终端的上下行信息存储

4、NB-IoT的核心网进行了优化

可实现终端上下行信息存储，且下行数据缓存

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NB-IoT为什么可以实现深度覆盖？

3GPP 标准组织对NB-IoT协议进行了定义，要求相比现有GSM、宽带 LTE 等网络覆盖要增强 20dB+。（20dB只是大概数字）

而根据 3GPP 标准定义，NB-IoT 的上行 MCL 为-164dBm，GSM、宽带LTE网络的上行MCL均为为-144dBm，因此所谓的20dB增益是相比GSM和现有LTE网络而言的，该增益=PSD（功率谱密度）增益+重发增益。

那NB-IoT是否拥有比其他制式的无线蜂窝技术高20dB的增益，相较于其他技术，是不是都高20db，上行和下行是否又不同呢？

说明：

MCL：Maximum Coupling Loss，最大耦合损失。是指接收端为了能正确地解调发射端发出的信号，整个传输链路上允许的最大路径损耗(dBm)。

PSD：power spectral density，功率谱密度。表示每单位频率波携带的功率(W/Hz)。

1、NB-IoT拥有更高的功率谱密度

班妹先带大家了解下NB-IoT、GSM、LTE等几种技术的功率谱密度：

参考如下图2

图2

2、更多重传次数带来HARQ增益（重发增益）

相比传统蜂窝制式，NB-IoT支持更多次数的重传。重传次数每翻一倍，速率就会减半，同时带来 3dB 的增益，通俗点讲就是说一遍听不清，就多说几遍，提高听清的概率。

NB-IoT重复传输的理论最大增益，可以通过计算公式：重发增益=10*log（重发次数）得到。
标准中定义上行重传次数最大可达 128 次，但考虑边缘场景下的速率以及小区容量，上行重传次数最大一般限为 16 次，对应 9dB 的增益（10*log16=12，实际比理论低了约3dB，损耗约50%）。可参考如下图3：

图3

3、可使用更低的速率

NB-IoT适用于对接收SNR要求均很低的极端覆盖场景，通常常规单次传输是无法达到解调要求的，此时就需要根据实际情况进行多次重复传输以实现数据的正常收发，多次重传获得了重发增益，却也牺牲了传输速率。

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NB-IoT为什么可以实现低功耗？

1、NB-IoT可延长周期定时期

相较于传统的IDLE模式，NB-IoT终端根据应用场景及业务模型，可灵活适配长周期请求定时器RAU/TAU的时间范围，减少唤醒次数，达到省电目的。
TAU（Tracking Area Update）周期请求定时器（T3412）由网络侧在 ATTCH 和 TAU 消息中指定，3GPP协议规定默认为 54min，最大可达 310H。

2、NB-IoT支持PSM（Power Saving Mode）模式

PSM 即低功耗模式，是 3GPP R12 引入的技术，是一种新的比Idle态更省电的省电模式。

其原理是允许 UE 在进入空闲态一段时间后，关闭信号的收发和接入层相关功能，类似于部分关机，以减少天线、射频、信令处理等的功耗消耗通俗的讲，在该模式下，NB-IoT终端仍旧注册在网，但不接受信令消息，从而使终端更长时间驻留在深睡眠状态以达到省电的目的。

所以，UE 工作在 PSM 期间，不接收任何网络寻呼，对于网络侧来说，UE 此时是不接入数据的。

1）PSM模式的退出

那UE在何种状态下退出PSM模式，切换到其他模式？

只有当 TAU 周期请求定时器（T3412）时间到期、超时，或者 UE 有数据上报业务要处理而主动退出时，才会退出 PSM 模式、进入空闲态，进而进入连接态处理上下行业务。

TAU（Tracking Area Update）周期请求定时器（T3412）由网络侧在 ATTCH 和 TAU 消息中指定，3GPP协议规定默认为 54min，最大可达 310H，该定时器时间可按需配置。

2）PSM模式的进入

如何进入PSM模式？

那么 UE 处理完数据之后，什么时候进入 PSM 模式呢？这是由另一个定时器Activer Timer(T3324，激活定时器，0-255 秒)决定的。UE 处理完成数据之后，RRC 连接会被释放、进入空闲态，与此同时启动 Active Timer，此定时器到期、超时后，UE 即进入上述 PSM 模式。如图4所示：

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

eDRX 即非连续接收，是 3GPP R13 引入的新技术。R13 之前已经有 DRX 技术，从字面上即可看出，eDRX 是对原 DRX 技术的增强：支持的寻呼周期可以更长，从而达到节电目的。

1）eDRX空闲模式下不连续接收周期时间变长

相较于DRX，eDRX空闲模式不连续接收周期由秒级可扩展到分钟级甚至高达3小时。

2）eDRX连接模式下不连续接收周期时间变长

eDRX连接模式下不连续接收时间周期支持5.12s/10.24s（DRX为1.28s/2.56s，即最大为2.56s）。

3）eDRX侦听寻呼周期时间变长

eDRX 的寻呼周期由网络侧在 ATTACH 和 TAU 消息中指定（UE 可以指定建议值），可为 20s，40s，80s，…最大可达 40min，相较1.28s/2.56s 等 DRX寻呼周期配置，eDRX 耗电量降低很多。如图5所示：

图5

4、3GPP中DRX、eDRX、PSM几种模式的对比

如下图6，可对比idle、eDRX及PSM模式的空闲模式、不连续接收及侦听呼叫及耗电量对比：

图6

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小结

在决定是否选用NB-IoT技术前需先了解自身产品的应用场景、NB-IoT技术优势以及NB-IoT技术是否能解决该应用场景的一些难点。

抛开成本问题不谈，NB-IoT的海量连接、深度覆盖、低功耗等优势都是需要前提条件的，了解这些前提条件与应用场景是否相冲突就显的比较重要。

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