1. NB-IoT

1.1 NB-IoT背景知識

“NB”的全稱是Narrow Band，表明NB-IoT是一項基於窄帶的通信技術。其次，NB-IoT與前面提到的同爲LPWA的SigFox和LoRa有所不同，NB-IoT是構建於電信運營商的蜂窩移動網絡，所以，NB-IoT的研究和標準化工作是3GPP標準組織進行的。

NB-IoT的標準演進

最初，華爲與vodafone合作研究基於窄帶的機器間通訊技術：NB-M2M(Narrow Band-Machine to Machine)；
在2015年5月份，這項通訊技術與高通公司當時研究的基於窄帶正交頻分複用的NB-OFDM進行技術融合，形成NB-CIoT;
在2015年9月，NB-CIoT與愛立信公司研究的基於窄帶和LTE制式的NB-LTE進行技術融合，形成我們現在認識的NB-IoT；在2015年9月，NB-IoT在3GPP上正式立項；
到2016年6月份，核心標準凍結，這也是3GPP史上凍結最快的一項通信協議。

目前，全球多數運營商選擇NB-IoT作爲蜂窩物聯網演進的第一步，其在全球正在飛速發展。

1.2 NB-IoT的網絡總體架構

NB-IoT的總體架構與之前學習的物聯網層次架構劃分是類似的：

NB-IoT終端屬於感知層，負責數據信息的採集處理，並且通過NB-IoT通信模組進行無線連接，發送數據。

NB-IoT基站與EPC核心網，屬於網絡層，負責數據信息的接入、傳輸和轉發，其中NB-IoT的eNodeB基站是低成本站點解決方案，可以在原有的2G或者4G的基站上，通過軟件或更換基帶板進行升級，並且相比之前支持更大容量的連接。

NB-IoT核心網包含了四個主要網元(MME、HSS、S-GW、P-GW)，這四個網元也是LTE的網元

MME是LTE接入網絡的關鍵控制節點，它負責空閒模式的終端設備的定位、傳呼過程，包括中繼。簡單地說，MME是負責信令處理部分。

HSS用戶歸屬網絡中存儲用戶信息的核心數據庫，用於在歸屬網絡中保存用戶的簽約信息。

S-GW負責和無線建立連接，把用戶的數據包轉發至PGW。

P-GW,PDN網關是3GPP與non-3GPP網絡間的用戶面數據鏈路的錨點，負責管理3GPP和non-3GPP間的數據路由，還負責策略執行，計費等功能。

可以說NB-IoT的核心網承載了終端得到安全接入、連接管理、流量調度、網絡鑑權、流量計費等功能

爲什麼NB-IoT這項低功耗廣域網技術如此受關注？

2. NB-IoT中的Niubility技術

接着上一節的問題，NB-IoT有哪些關鍵特性使得它如此受關注呢？

超強覆蓋
超低成本
超低功耗
超大連接
SC-FDMA
OFDMA
這些特定的背後後包含哪些技術呢？我們來看這一節的學習內容：

2.1 NB-IoT物理層

2.1.1 NB-IoT上行技術

通常上行傳輸有單載波與多載波兩種傳輸技術：
單載波表示終端設備上行數據傳輸僅佔用一個子載波，多載波表示可以佔用多個子載波進行上行數據傳輸。
在相同功率的前提下，單載波比多載波擁有更高的功率譜密度增益。

NB-IoT上行支持單載波和多載波傳輸，其中單載波作爲終端設備的必備功能，而多載波爲可選功能。

2.1.2 NB-IoT下行技術

NB-IoT下行技術採用OFDMA，OFDMA是OFDM技術的演進，將OFDM和FDMA技術結合，OFDMA在利用OFDM對信道進行子載波化後，再在部分子載波上加載傳輸數據，NB-IoT利用OFDMA將180KHz的帶寬分爲12個子載波，每個子載波15KHz。

2.1.2 NB-IoT的物理信道

對比LTE，爲了減少實現的複雜性，NB-IoT精簡了不必要的物理信道，在下行只有三種物理信道和兩種參考信號，在上行只有兩種物理信道和一種參考信號。

2.2 NB-IoT網絡

NB-IoT構建於蜂窩移動網絡，支持基於目前LTE制式平滑演進，並根據不同運營商的需求，支持靈活的頻段部署。

NB-IoT支持3種部署方式：

獨立部署
獨立部署模式可以利用單獨的頻帶，適合用於GSM頻段的重耕；
保護帶部署
保護帶部署模式可以利用LTE系統中邊緣無用頻帶；
帶內部署
帶內部署模式可以利用LTE載波中間的任何資源塊。

2.3 NB-IoT關鍵特性

從NB-IoT獨特的物理層基礎和它靈活的部署方式，我們發現NB-IoT確實與衆不同，與衆不同必有獨特，那NB-IoT有哪些關鍵特性呢？

2.3.1 超低成本特性

基於華爲提供的Single RAM解決方案，支持在現有網絡設備上進行升級改造，從而降低網絡建設和維護成本，並且NB-IoT的芯片是專門爲物聯網設備設計的，只針對窄帶、低速率，並針對物聯網需求，只支持單天線半雙工方式，另外簡化了信令處理，大幅降低終端芯片價格。

2.3.2 超低功耗特性

物聯網設備的通信需求和手機不同，物聯網通常只會做上行發送數據包，而且是否發送數據包是由它自身來決定，不需隨時standby，等待其他終端的呼叫。

針對小包、偶發的物聯網應用場景，NB-IoT設計兩種獨特的省電模式PSM與eDRX，其中PSM模式最爲省電。

在PSM模式下，終端處於激活態時發送數據包，隨後進入尋呼監控態，監控網絡側有無消息下發，此外爲了降低功耗，增加尋呼監控的時長，PSM模式在尋呼監控態中插入了空閒態，在尋呼監控之後，終端設備會進入休眠狀態，不再進行任何通信活動，等到它有上報數據的請求的時刻，它會喚醒它自己，隨後發送數據，處於PSM模式的休眠態時，終端仍舊註冊在網，但此時信令不可達。

當終端處於PSM省電模式下時，業務平臺下發的控制指令並不能都實時到達終端，下行的控制指令需要先緩存在IoT平臺中。

按照物聯網終端的行爲習慣，終端將會達到99%的時間在休眠狀態，使得功耗會非常低，實現了設備超低功耗。

eDRX擴展非連續接收，對應的還有DRX非連續接收。
DRX技術指的是不連續接收尋呼消息，因爲解碼尋呼信道的消息會耗費大量的能量，因而DRX也是無線通信終端節省電量的重要方法。而eDRX是在DRX基礎上進行擴展，進一步延長終端在空閒模式下的休眠週期，減少接收單元不必要的啓動，相對於PSM模式而言則大幅度增加了下行可達性。

對於PSM與eDRX這兩種省電模式，NB-IoT終端可以分別獨立使用，它們的應用場景也有所不同。
例如，在智慧水錶的業務，帶有NB-IoT的水錶會採用PSM模式工作；
共享單車，物流跟蹤的業務，NB-IoT的終端則會採用eDRX模式工作。

NB-IoT終端也可以同時使用eDRX和PSM，當PSM的激活期大於eDRX週期的時候，終端設備可以進入eDRX週期，以便能夠最大限度的降低功率。

2.3.3 超強覆蓋特性

針對物聯網的部署特點，現有接入技術不足以滿足深度覆蓋的要求，NB-IoT專門爲物聯網特別是LPWA連接進行設計，通過時域重傳技術和提升功率譜密度，相比GSM與LTE網絡的MCL有20dB增益的提升。

2.3.3.1 最大耦合損耗

最大耦合損耗可以衡量覆蓋範圍，數值越大覆蓋範圍越大。

NB-IoT高出的20dB的增益可以比GSM多穿透兩堵牆，而這部分增益通過功率譜密度提升與重複發送來實現。

2.3.3.2 功率譜密度提升

NB-IoT通過15KHz的子載波進行數據傳輸，相比用180KHz帶寬傳輸，可以提升11dB的增益，

2.3.3.3 重複發送

引入重複發送的編碼方式，通過重複發送提升信道在條件惡劣時的傳輸可靠性，能夠提升9dB的下行增益和12dB的上行增益

NB-IoT的超強覆蓋特性，意味着更少站點可以覆蓋更廣區域和具備更強穿透性，可穿透樓層到達地下室，這將使隱蔽位置的設備，如水錶，以及要求廣覆蓋的寵物跟蹤等業務得到應用。

2.3.4 超大連接特性

NB-IoT的基站是基於物聯網的模式進行設計的，物聯網的話務模型與手機不同，它的話務模型是終端很多，但是每個終端發送的包小，發送包對時延的要求不敏感。

基於物聯網的話務模型，可以設計更多的用戶接入，保存更多的用戶上下文，這樣可以讓100K左右的終端同時在一個小區。

2.3.4.1 關鍵技術1>上行業務調度單元小

NB-IoT因爲基於窄帶，調度顆粒很小，上行業務單元調度通常只有15KHz，在同樣的資源情況下，資源的利用率會更高。

2.3.4.2 關鍵技術2>PSM/eDRX降低設備對基站的資源使用

PSM與eDRX模式降低了每個設備對基站的資源使用。

2.3.4.3 關鍵技術3>減小空口信令開銷

NB-IoT物理層精簡了許多物理層信道與信號，減小了空口信令的開銷。

2.3.4.4 關鍵技術34>基站、核心網優化

大量終端處於休眠態，上下文信息需要由基站和核心網維持，所以通過對基站與核心網的優化，能夠緩存終端上下文信息，並且具備獨立的准入擁塞控制，使得一但有數據發送，終端可以立馬可以連上基站迅速進入激活態。

3. eLTE-IoT中的execllent技術

工業物聯網市場正在蓬勃發展，工業設備的接入量也在迅速增長，對於工業物聯網的建設，目前自建工業物聯專網，實現園區產業升級是主流趨勢，那麼工業物聯專網採用什麼技術？如何搭建呢？

3.1 eLTE-IoT解決方案

eLTE-IoT解決方案是華爲專門爲行業物聯市場開發的基於3GPP標準的窄帶無線物聯解決方案。
eLTE-IoT基於1GHz以下的非授權ISM頻譜，採用靈活易部署的輕量化設備，並支持標準物聯網協議與企業現有應用平臺進行對接。

3.2 eLTE-IoT的應用

eLTE-IoT目標市場爲企業自建窄帶物聯網市場，它可以應用在製造、電力、水務、智慧城市等行業。

3.2.1 eLTE-IoT在製造行業的應用

eLTE-IoT能夠提供海量的低功耗物聯方案，對產線上不計其數的傳感器數據進行收集，不論是機械臂的位移還是物料狀態甚至是車間溫度，都能盡在掌握，讓管理者能夠實現對生產狀態的監控與能效的管理

3.2.2 eLTE-IoT在電力行業的應用

對於電力行業，利用eLTE-IoT實現電力遠程抄表，主要的優勢是覆蓋廣、海量連接、易於部署和擴展。

單小區3-5Km的覆蓋半徑，有效降低站點數量從而降低建網和維護成本提供比傳統網絡更大的容量，最大支持一千多電錶接入，並且小型化設備易部署，星型拓撲結構適配更多場景。

3.3 eLTE-IoT解決方案的特性

3.3.1 可靠連接

eLTE-IoT基於開發的ISM頻譜，可以支持中國、歐洲和美洲的三種頻段。

eLTE-IoT採用調頻技術避免外部干擾提高可靠性，並具備強大的收發機制保證可靠連接。
跳頻技術是終端在每個發送機會窗口裏，根據僞隨機的跳頻機制，在系統所配置的信道範圍內選取一個信道來發送，從而實現上行跳頻，通過跳頻，上行數據發送時使用的物理信道不斷變化，避免受到持續干擾。

3.3.2 海量物聯

eLTE-IoT海量物聯主要通過小包數據快傳技術實現。爲了保證終端發送的業務包在無線傳輸過程中的可靠性，一般都會進行糾錯編碼，並且針對傳錯的包都會進行重傳，如果無線鏈路中發送的包很長，即使其中只錯了一兩個比特，還是要重傳整個包，從而使系統做了很多無效工作，採用小包快傳機制，即將無線鏈路發送的包長控制在較小的範圍，一般是幾十字節，然後針對每個小包，基站快速反饋其是否成功接收，如果失敗則終端重傳，否則繼續發送。小包快傳機制，控制了發包長度，減少了數據包發送過程中的被幹擾的概率，同時快速反饋接收結果，從而提升了上行的傳輸效率，縮短了終端的發送時間，也進而降低了終端功耗。

3.3.3 更低功耗

eLTE-IoT也引入了NB-IoT中採用的節能技術PSM模式與DRX模式

3.3.4 更廣覆蓋

eLTE-IoT還通過提升功率譜密度來提升覆蓋

同時eLTE-IoT也採用了時域重傳技術來提升覆蓋。
可以說eLTE-IoT是NB-IoT技術在ISM頻譜上的適配增強

3.4 eLTE-IoT網絡架構

NB-IoT構建於蜂窩移動網絡，而eLTE-IoT構建於免授權的ISM頻譜。

【物聯網學習筆記——人人學IoT系列】三、窄帶無線，海量物聯

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