NB-IOT詳解

 NB-IoT詳解

1. NB-IoT一路走來

從2G到4G，移動通信網絡不斷更新換代…

2G：GSM

          

2G：GPRS/EDGE

          

3G：UMTS/HSPA

          

4G：LTE

          

到了4G時代，移動通信網絡的發展出現了分支。

          

 

一邊是大流量，一邊是小數據。一邊是移動寬帶，一邊是物聯網時代。

從2G到4G，移動通信網絡都只是爲了連接“人”而生。但隨着萬物互聯時代的到來，移動通信網絡需面向連接“物”而演進。

爲此，3GPP在Release 13制定了NB-IoT標準來應對現階段的物聯網需求，在終端支持上也多了一個與NB-IoT對應的終端等級——cat-NB1。

3GPP在Release 13定義了三種蜂窩物聯網標準：EC-GSM、eMTC（LTE-M，對應Cat-M1）和NB-IoT（Cat-NB1）。

          

●GSM是最早的廣域M2M無線連接技術，EC-GSM增強了其功能和競爭力。

●UMTS沒有衍生出低功耗物聯網“變體”。

●LTE-M (Cat-M1)基於LTE技術演進，屬於LTE的子集。

●NB-IoT (Cat-NB1)儘管和LTE緊密相關，且可集成於現有的LTE系統之上，但認爲是獨立的新空口技術。

1. 初識NB-IoT

3GPP是怎樣設計NB-IoT的呢？

NB-IoT，甚至說目前低功耗廣域網（LPWAN），其設計原則都是基於“妥協”的態度。

首先，比較傳統2/3/4G網絡，一些物聯網主要有三大特點：

① 懶

終端都很懶，大部分時間在睡覺，每天傳送的數據量極低，且允許一定的傳輸延遲（比如，智能水錶）。

② 靜止

並不是所有的終端都需要移動性，大量的物聯網終端長期處於靜止狀態。

③ 上行爲主

與“人”的連接不同，物聯網的流量模型不再是以下行爲主，可能是以上行爲主。

          

這三大特點支撐了低速率和傳輸延遲上的技術“妥協”，從而實現覆蓋增強、低功耗、低成本的蜂窩物聯網。

爲了應對日漸強烈的物聯網需求，於是國際移動通信標準化組織3GPP決定製訂一個新的蜂窩物聯網（CIOT：Cellular Internet of Thing）的標準。

這個新標準要實現四個目標：

超強覆蓋，相對於原來GPRS系統，增加20dB的信號增益

超低功耗，終端節點要能達到10年的電池壽命

超低成本，終端芯片的目標定價爲1美元，模塊定價爲2美元

超大連接，200kHz小區容量可達100k用戶設備

1）減少信令開銷

NB-IoT信令流程基於LTE設計，去掉了一些不必要的信令，包括在控制面和用戶面均進行了優化。

原LTE信令流程：

          

NB-IoT信令流程①：

             

NB-IoT信令流程②：

            

2）三 & (e-)DRX

eDRX和PSM是NB-IoT的兩大省電技術。

       

DRX(Discontinuous Reception)，即不連續接收。

手機（終端）和網絡不斷傳送數據是很費電的。如果沒有DRX，即使我們沒有用手機上網，手機也需要不斷的監聽網絡（PDCCH子幀），以保持和網絡的聯繫，但是，這導致手機耗電太快。

          

因此，在LTE系統中設計了DRX，讓手機週期性的進入睡眠狀態（sleep state），不用時刻監聽網絡，只在需要的時候，手機從睡眠狀態中喚醒進入wake up state後才監聽網絡，以達到省電的目的。

eDRX意味着擴展DRX週期，意味着終端可睡更長時間，更省電。

PSM（Power Saving Mode），即省電模式。

一些物聯網終端本來就很懶，長期睡覺，而在PSM模式下，相當於關機狀態，所以更加省電。

其原理是，當終端進入空閒狀態，釋放RRC連接後，開始啓動定時器T3324，當T3324終止後，進入PSM模式，並啓動T3412（週期性TAU更新）。在此期間，終端停止檢測尋呼和執行任何小區/PLMN選擇或MM流程。

          

此時，網絡無法發送數據給終端或尋呼終端，網絡與終端幾乎失聯（終端仍註冊在網絡中）。

只有當週期性TAU更新定時器超時後，才退出PSM模式。這個定時器可設置最大12.1天，想想這是有多麼省電啊！

1. 物聯網構架

          

 

          

 

          

總的來說，物聯網分爲三層：感知層、網絡層和應用層。感知層負責採集信息，網絡層提供安全可靠的連接、交互與共享，應用層對大數據進行分析，提供商業決策。

          

4.NB-IoT技術詳解

4.1 網絡

4.1.1 核心網

爲了將物聯網數據發送給應用，蜂窩物聯網（CIoT）在EPS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）

     

如上圖所示，紅線表示CIoT EPS控制面功能優化方案，藍線表示CIoT EPS用戶面功能優化方案。在實際網絡部署時，爲了減少物理網元的數量，可以將核心網網元(如MME、SGW、PGW)合一不部署，稱爲CIoT服務網關節點C-SGN，如虛框中所示。從這裏可以看出，PGW可以合設，也可以集成到C-SGN中，圖中標示的爲PGW單獨設置。

對於CIoT EPS控制面功能優化，上行數據從eNB（CIoT RAN）傳送至MME，在這裏傳輸路徑分爲兩個分支：或者通過SGW傳送到PGW再傳送到應用服務器，或者通過SCEF（Service Capa- bility Exposure Function）連接到應用服務器（CIoT Services），後者僅支持非IP數據傳送。下行數據傳送路徑一樣，只是方向相反。

這一方案無需建立數據無線承載，數據包直接在信令無線承載上發送。因此，這一方案極適合非頻發的小數據包傳送。

SCEF是專門爲NB-IoT設計而新引入的，它用於在控制面上傳送非IP數據包，併爲鑑權等網絡服務提供了一個抽象的接口。

對於CIoT EPS用戶面功能優化，物聯網數據傳送方式和傳統數據流量一樣，在無線承載上發送數據，由SGW傳送到PGW再到應用服務器。因此，這種方案在建立連接時會產生額外開銷，不過，它的優勢是數據包序列傳送更快。

這一方案支持IP數據和非IP數據傳送。

4.1.1.1 CP和UP方案傳輸路徑對比：

1. 1. 1. 1. CP和UP方案協議棧對比：

CP方案的控制面協議棧，UE和eNodeB之間不需要建立DRB承載，沒有用戶面處理。

CP方案在UE和eNodeB之間不需要啓動安全功能，空口數據傳輸的安全性由NAS層負責。因此空口協議棧中沒有PDCP層，RLC層和RRC層直接交互，上行數據在上行RRC消息包含的NAS消息中攜帶，下行數據在下行RRC消息包含的NAS消息中攜帶。

 

UP方案的控制面協議棧，上下行數據通過DRB承載攜帶，需要啓動空口協議棧中PDCP層提供AS層安全模式。

 

1. 1. 1. 1. LTE、CP和UP信令流程對比：

1. 1. 1. 1. CP、UP綜合方案對比：從運營商來看，初期以CP方案爲主，後續需支持UP方案。

對比維度	CP方案	UP方案
3GPP標準化	必選方案	可選方案
信令開銷	傳輸數據時空口節省約50%的信令	傳輸數據時空口節省約50%的信令，相對CP方案，增加了PDN建立時用戶面承載建立信令
業務多樣性	單一QoS業務	支持多QoS業務
傳輸小包效率	高，RRC建立時隨路發送數據	低，先恢復RRC連接，再從用戶面發送數據
傳輸大包效率	低，數據需分多個包，每個包都需封裝在NAS信令中傳輸，效率低。(單個NAS PDU最大64kb)	高，多個數據包從用戶面直接傳輸，效率高
移動場景	適合	跨基站移動時，需通過X2接口傳遞用戶上下文，信令開銷較大
開發難度	核心網改造大，基站改造小	核心網改造小，基站改造大
存儲要求	無額外存儲要求	掛起是，基站、核心網都需要緩存用戶上下文信息

4.1.2 接入網

NB-IoT的接入網構架與LTE一樣。

          

eNB通過S1接口連接到MME/S-GW，只是接口上傳送的是NB-IoT消息和數據。儘管NB-IoT沒有定義切換，但在兩個eNB之間依然有X2接口，X2接口使能UE在進入空閒狀態後，快速啓動resume流程，接入到其它eNB（resume流程將在本文後面詳述）。

4.1.3 頻段

NB-IoT沿用LTE定義的頻段號，Release 13爲NB-IoT指定了14個頻段。

               

         

4.2 物理層

           

4.2.1 工作模式

部署方式（Operation Modes）

NB-IoT佔用180KHz帶寬，這與在LTE幀結構中一個資源塊的帶寬是一樣的。所以，以下三種部署方式成爲可能：

1）獨立部署（Stand alone operation）

適合用於重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬爲200KHz，這剛好爲NB-IoT 180KHz帶寬闢出空間，且兩邊還有10KHz的保護間隔。

                                    

2）保護帶部署（Guard band operation）

利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊。

3）帶內部署（In-band operation）

利用LTE載波中間的任何資源塊。

CE Level

CE Level，即覆蓋增強等級（Coverage Enhancement Level）。從0到2，CE Level共三個等級，分別對應可對抗144dB、154dB、164dB的信號衰減。基站與NB-IoT終端之間會根據其所在的CE Level來選擇相對應的信息重發次數。

雙工模式

Release 13 NB-IoT僅支持FDD 半雙工type-B模式。

FDD意味着上行和下行在頻率上分開，UE不會同時處理接收和發送。

半雙工設計意味着只需多一個切換器去改變發送和接收模式，比起全雙工所需的元件，成本更低廉，且可降低電池能耗。

                        

在Release 12中，定義了半雙工分爲type A和type B兩種類型，其中type B爲Cat.0所用。在type A下，UE在發送上行信號時，其前面一個子幀的下行信號中最後一個Symbol不接收，用來作爲保護時隙（Guard Period, GP），而在type B下，UE在發送上行信號時，其前面的子幀和後面的子幀都不接收下行信號，使得保護時隙加長，這對於設備的要求降低，且提高了信號的可靠性。

                

4.2.2 下行鏈路

對於下行鏈路，NB-IoT定義了三種物理信道：

1）NPBCH，窄帶物理廣播信道。

2）NPDCCH，窄帶物理下行控制信道。

3）NPDSCH，窄帶物理下行共享信道。

還定義了兩種物理信號：

1）NRS，窄帶參考信號。

2）NPSS和NSSS，主同步信號和輔同步信號。

相比LTE，NB-IoT的下行物理信道較少，且去掉了PMCH（Physical Multicast channel，物理多播信道），原因是NB-IoT不提供多媒體廣播/組播服務。

下圖是NB-IoT傳輸信道和物理信道之間的映射關係。

                

MIB消息在NPBCH中傳輸，其餘信令消息和數據在NPDSCH上傳輸，NPDCCH負責控制UE和eNB間的數據傳輸。

NB-IoT下行調製方式爲QPSK。NB-IoT下行最多支持兩個天線端口（Antenna Port），AP0和AP1。

和LTE一樣，NB-IoT也有PCI（Physical Cell ID，物理小區標識），稱爲NCellID（Narrowband physical cell ID），一共定義了504個NCellID。

4.3 小區接入

NB-IoT的小區接入流程和LTE差不多：小區搜索取得頻率和符號同步、獲取SIB信息、啓動隨機接入流程建立RRC連接。當終端返回RRC_IDLE狀態，當需要進行數據發送或收到尋呼時，也會再次啓動隨機接入流程。

4.3.1 協議棧和信令承載

總的來說，NB-IoT協議棧基於LTE設計，但是根據物聯網的需求，去掉了一些不必要的功能，減少了協議棧處理流程的開銷。因此，從協議棧的角度看，NB-IoT是新的空口協議。

以無線承載（RB）爲例，在LTE系統中，SRB（signalling radio bearers，信令無線承載）會部分複用，SRB0用來傳輸RRC消息，在邏輯信道CCCH上傳輸；而SRB1既用來傳輸RRC消息，也會包含NAS消息，其在邏輯信道DCCH上傳輸。

LTE中還定義了SRB2，但NB-IoT沒有。

此外，NB-IoT還定義一種新的信令無線承載SRB1bis，SRB1bis和SRB1的配置基本一致，除了沒有 PDCP，這也意味着在Control Plane CIoT EPS optimisation下只有SRB1bis，因爲只有在這種模式纔不需要。

▲NB-IoT協議棧

4.3.2 系統信息

NB-IoT經過簡化，去掉了一些對物聯網不必要的SIB，只保留了8個:

•SIBType1-NB：小區接入和選擇，其它SIB調度

•SIBType2-NB：無線資源分配信息

•SIBType3-NB：小區重選信息

•SIBType4-NB：Intra-frequency的鄰近Cell相關信息

•SIBType5-NB：Inter-frequency的鄰近Cell相關信息

•SIBType14-NB：接入禁止(Access Barring)

•SIBType16-NB：GPS時間/世界標準時間信息

需特別說明的是，SIB-NB是獨立於LTE系統傳送的，並非夾帶在原LTE的SIB之中。

4.3.3 小區重選和移動性

由於NB-IoT主要爲非頻發小數據包流量而設計，所以RRC_CONNECTED中的切換過程並不需要，被移除了。如果需要改變服務小區，NB-IoT終端會進行RRC釋放，進入RRC_IDLE狀態，再重選至其他小區。

在RRC_IDLE狀態，小區重選定義了intra frequency和inter frequency兩類小區，inter frequency指的是in-band operation下兩個180 kHz載波之間的重選。

NB-IoT的小區重選機制也做了適度的簡化，由於NB-IoT 終端不支持緊急撥號功能，所以，當終端重選時無法找到Suitable Cell的情況下，終端不會暫時駐紮(Camp)在Acceptable Cell，而是持續搜尋直到找到Suitable Cell爲止。根據3GPP TS 36.304定義，所謂Suitable Cell爲可以提供正常服務的小區，而Acceptable Cell爲僅能提供緊急服務的小區。

4.3.4 隨機接入過程

NB-IoT的RACH過程和LTE一樣，只是參數不同。

基於競爭的NB-IOT隨機接入過程

基於非競爭的NB-IOT隨機接入過程

4.3.5 連接管理

由於NB-IoT並不支持不同技術間的切換，所以RRC狀態模式也非常簡單。

    

RRC Connection Establishment

RRC Connection Establishment流程和LTE一樣，但內容卻不相同。

        

很多原因都會引起RRC建立，但是，在NB-IoT中，RRCConnectionRequest中的Establishment Cause裏沒有delayTolerantAccess，因爲NB-IOT被預先假設爲容忍延遲的。

另外，在Establishment Cause裏，UE將說明支持單頻或多頻的能力。

與LTE不同的是，NB-IoT新增了Suspend-Resume流程。當基站釋放連接時，基站會下達指令讓NB-IoT終端進入Suspend模式，該Suspend指令帶有一組Resume ID，此時，終端進入Suspend模式並存儲當前的AS context。

當終端需要再次進行數據傳輸時，只需要在RRC Connection Resume Request中攜帶Resume ID（如上圖第四步），基站即可通過此Resume ID來識別終端，並跳過相關配置信息交換，直接進入數據傳輸。

簡而言之，在RRC_Connected至RRC_IDLE狀態時，NB-IoT終端會儘可能的保留RRC_Connected下所使用的無線資源分配和相關安全性配置，減少兩種狀態之間切換時所需的信息交換數量，以達到省電的目的。

4.4 Data Transfer

如前文所述，NB-IoT定義了兩種數據傳輸模式：Control Plane CIoT EPS optimisation方案和User Plane CIoT EPS optimisation方案。對於數據發起方，由終端選擇決定哪一種方案。對於數據接收方，由MME參考終端習慣，選擇決定哪一種方案。

4.4.1 Control Plane CIoT EPS Optimisation

對於Control Plane CIoT EPS Optimisation，終端和基站間的數據交換在RRC級上完成。對於下行，數據包附帶在RRCConnectionSetup消息裏；對於上行，數據包附帶在RRCConnectionSetupComplete消息裏。如果數據量過大，RRC不能完成全部傳輸，將使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer消息繼續傳送。

      

這兩類消息中包含的是帶有NAS消息的byte數組，其對應NB-IoT數據包，因此，對於基站是透明的，UE的RRC也會將它直接轉發給上一層。

在這種傳輸模式下，沒有RRC connection reconfiguration流程，數據在RRC connection setup消息裏傳送，或者在RRC connection setup之後立即RRC connection release並啓動resume流程。

4.4.2 User Plane CIoT EPS optimisation

在User Plane CIoT EPS optimisation模式下，數據通過傳統的用戶面傳送，爲了降低物聯網終端的複雜性，只可以同時配置一個或兩個DRB。

此時，有兩種情況：

•當RRC連接釋放時，RRC連接釋放會攜帶攜帶Resume ID，並啓動resume流程，如果resume成功，更新密匙安全建立後，保留了先前RRC_Connected的無線承載也隨之建立。

      

      

•當RRC連接釋放時，如果RRC連接釋放沒有攜帶攜帶Resume ID，或者resume請求失敗，安全和無線承載建立過程如下圖所示：

      

首先，通過SecurityModeCommand和SecurityModeComplete建立AS級安全。

在SecurityModeCommand消息中，基站使用SRB1和DRB提供加密算法和對SRB1完整性保護。LTE中定義的所有算法都包含在NB-IoT裏。

當安全激活後，進入RRC connection reconfiguration流程建立DRBs。

          

在重配置消息中，基站爲UE提供無線承載，包括RLC和邏輯信道配置。PDCP僅配置於DRBs，因爲SRB採用默認值。在MAC配置中，將提供BSR、SR、DRX等配置。最後，物理配置提供將數據映射到時隙和頻率的參數。 

4.4.3 多載波配置

在RRCConnectionReconfiguration消息中，可在上下行設置一個額外的載波，稱爲非錨定載波（non-anchor carrier）。

基於多載波配置，系統可以在一個小區裏同時提供多個載波服務，因此，NB-IoT的載波可以分爲兩類：提供NPSS、NSSS與承載NPBCH和系統信息的載波稱爲Anchor Carrier，其餘的載波則稱爲Non-Anchor Carrier。

當提供non-anchor載波時，UE在此載波上接收所有數據，但同步、廣播和尋呼等消息只能在Anchor Carrier上接收。

NB-IoT終端一律需要在Anchor Carrier上面Random Access，基站會在Random Access過程中傳送Non-Anchor Carrier調度信息，以將終端卸載至Non-Anchor Carrier上進行後續數據傳輸，避免Anchor Carrier的無線資源吃緊。

另外，單個NB-IoT終端同一時間只能在一個載波上傳送數據，不允許同時在Anchor Carrier和Non-Anchor Carrier上傳送數據。

1. NB-IoT的應用

對於遠距離高速數據傳輸，LTE網絡以及未來的5G網絡可以滿足這方面的需求；而對於遠距離低速數據傳輸，特別是非實時低頻次數據傳輸，則是NB-IoT系統的用武之地。

NB-IoT非常適合應用於無線抄表（Metering）、傳感跟蹤（Sensor Tracking）這些領域，通過物聯網技術在這些領域的實施，可以大大降低管理成本，讓網絡管理者可以隨時掌握各種運營數據。

          

隨着三大運營商在國內積極推進NB-IoT網絡的基礎設施建設，以及NB-IoT芯片的成本降低，我們將會看到越來越多NB-IoT的應用落地。

雖然NB-IoT技術面臨着像LoRa技術的競爭，但在國內，我相信NB-IoT技術一定會成爲物聯網領域的最主流技術。