一、“物網（物聯網）”的差異化需求

一直以來，人們通過相應的終端(電腦、手機、平板等)使用網絡服務，“個人”一直是網絡的用戶主體。個人對網絡質量的要求“高”且“統一”：玩網絡游戲必需要低時延，下載文件或看網絡視頻則期望高帶寬，通話需要聲音清晰，而接收的短信絕不能有遺漏。

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對于移動通信網絡，運營商們盡可能地維系著低時延、高帶寬、廣覆蓋、隨取隨用的網絡特性，以保證良好的用戶體驗，以及營造出豐富多姿的移動應用生態。

對于個人通信業務，雖然用戶的要求很高，但整體上對網絡質量的需求是一致的，運營商只需要建立一套網絡質量標準體系來建設、優化網絡，就能滿足大多數人對連接的需要。

隨著網絡中用戶終端(手機、PAD等)數量的增長逐漸趨緩，M2M應用成為了運營商網絡業務的增長發力點，大量的M2M應用終端則成為了網絡的用戶。M2M應用終端(傳感設備、智能終端)，本質上就是物聯網終端，它們通過裝配無線通信模組和SIM卡，連接到運營商網絡，從而構建出各類集中化、數字化的行業應用。

不同于個人通信業務，在物聯網終端構建的行業應用中，各領域應用對信息采集、傳遞、計算的質量要求差異很大;系統和終端部署的環境也各不相同，特別是千差萬別的工業環境;此外，企業在構建應用時，還需要考量技術限制(供電問題、終端體積等)和成本控制(包括建設成本和運營成本)。因此，千姿百態的行業應用具有“個性化”的一面，使得連接的需求朝著多樣性的方向發展。

1. 物聯網業務需求的差異化，體現在兩個方面

一方面，不同的終端和應用對網絡特性有不同的要求。傳統的網絡特性包括：網絡接入的距離、上下行的網絡帶寬、移動性的支持、還有數據收發的頻率(或稱為周期性)、以及安全性和數據傳輸質量(完整性、穩定性、時效性等)。這幾個方面可濃縮成三個方面，為“接入距離”、“網絡特性”、“網絡品質”。“接入距離”主要分為近距接入和遠距接入兩種。網絡的“特性”和“品質”則是體現需求差異化的主要因素，例如傳感器終端的“網絡特性”可能是：只有向云端發送的“上行數據”，而沒有接收的“下行數據”。

另一方面，網絡還需要“照顧”原本不太被關注的終端特性，以適應各類的行業應用需求：對“能耗”和“成本”的控制。

(1) 能耗

個人用戶大多數時間都是處于宜居的環境中，智能終端常伴左右，并且在人類活動的環境中總能找到充電的“電源插頭”，所以這些終端的生產廠家對電池的電量并不敏感。

而物聯網終端的工作環境相比較個人終端的工作環境，則要復雜的多。有些物聯網終端會部署在高溫高壓的工業環境中，有些則遠離城市、放置在人跡罕至的邊遠地區，還有一些可能深嵌地下或落戶在溪流湖泊之中。

很多設備需要電池的長期供電來工作，因為地理位置和工作環境無法向它們提供外部電源，更換電池的成本也異常高昂。所以“低功耗”是保證他們持續工作的一個關鍵需求。在不少應用場景中，一小粒電池的電量需要維持某個終端“一生”的能量供給。

(2) 成本

個人使用的終端，不論是電腦還是手機，其功能豐富、計算能力強大、應用廣泛，通信模塊只是其所有電子元件和機械構建中的一小部分，在總的制造成本中占比較低。

個人終端作為較高價值的產品，用戶、廠家對其通信單元的固定成本并不特別敏感。而物聯網終端則不同，許多不具備聯網功能的終端原本只是簡易的傳感器設備，其功能簡單、成本低廉，相對于傳感設備，價格不菲的通信模塊加入其中，就可能引起成本驟升。

在應用場景中大量部署聯網的傳感設備，往往需要企業下決心提高終端的成本投入。而與此矛盾的是：簡單的傳感器終端上傳網絡的數據量通常都很小;它們連接網絡的周期長(網絡的使用頻次低);每一次上傳信息的價值都很低。終端成本和信息價值不成比例，使得企業會在大量部署物聯網終端的決策上猶豫不前。如何降低這些啞終端(單一的傳感器終端)的通信成本，是一個迫在眉睫的難題。

此前提及的能耗問題，如果不妥善解決，也會影響到物聯網應用的運營成本：如果終端耗電過快，就需要不斷地重新部署投放或更換電池。

2. 低功耗、低成本是物聯網通信的一大需求

原本的網絡對應用并不敏感，只要提供統一的高質量網絡通道(標準唯一)，就可以滿足大多數用戶的需求。不論用戶喜歡使用什么樣的業務，都可以通過高品質的網絡質量來獲得通信服務，網絡能夠滿足個人用戶的大多數要求。

然而隨著行業應用的深入，網絡設計和建設者必須關注到應用、終端的差異性，也就是網絡需要針對終端、應用做出相應的調整和適配。

在此前提到的網絡特性和終端特性中：“距離、品質、特性”和“能耗、成本”，前后兩類特性存在密切的關聯關系：通信基站的信號覆蓋越廣(“距離長”)，則基站和終端的功耗越高(“能耗高”);要實現高品質、安全可靠的網絡服務(“品質高”)，需要健壯的通信協議實現差錯效驗、身份驗證、重傳機制、以建立端到端的可靠連接，保證的基礎就是通信模塊的配置就不能低(“成本高”)

二、NB-IoT發展歷程

運營商在推廣M2M服務(物聯網應用)的時候，發現企業對M2M的業務需求，不同與個人用戶的需求。企業希望構建集中化的信息系統，與自身資產建立長久的通信連接，以便于管理和監控。

這些資產，往往分布各地，而且數量巨大;資產上配備的通信設備可能沒有外部供電的條件(即電池供電，而且可能是一次性的，既無法充電也無法更換電池);單一的傳感器終端需要上報的數據量小、周期長;企業需要低廉的通信成本(包括通信資費、裝配通信模塊的成本費用)。

以上這種應用場景在網絡層面具有較強的統一性，所以通信領域的組織、企業期望能夠對現有的通信網絡技術標準進行一系列優化，以滿足此類M2M業務的一致性需求。

• 2013年，沃達豐與華為攜手開始了新型通信標準的研究，起初他們將該通信技術稱為“NB-M2M(LTE for Machine to Machine)”。
• 2014年5月份，3GPP的GERAN組成立了新的研究項目：“FS_IoT_LC”，該項目主要研究新型的無線電接入網系統，“NB-M2M”成為了該項目研究方向之一。稍后，高通公司提交了“NB-OFDM”(Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 窄帶正交頻分復用)的技術方案。
• (3GPP,“第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project)”標準化組織;TSG-GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network):負責GSM/EDGE無線接入網技術規范的制定)
• 2015年5月，“NB-M2M”方案和“NB-OFDM方案”融合成為“NB-CIoT”(Narrow Band Cellular IoT)。該方案的融合之處主要在于：通信上行采用FDMA多址方式，而下行采用OFDM多址方式。
• 2015年7月，愛立信聯合中興、諾基亞等公司，提出了“NB-LTE”(Narrow Band LTE)的技術方案。
• 在2015年9月的RAN#69次全會上，經過激烈的討論和協商，各方案的主導者將兩個技術方案(“NB-CIoT”、“NB-LTE”)進行了融合，3GPP對統一后的標準工作進行了立項。該標準作為統一的國際標準，稱為“NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，基于蜂窩的窄帶物聯網)”。自此，“NB-M2M”、“NB-OFDM”、“NB-CIoT”、“NB-LTE”都成為了歷史。
• 2016年6月，NB-IoT的核心標準作為物聯網專有協議，在3GPP Rel-13凍結。同年9月，完成NB-IoT性能部分的標準制定。2017年1月，完成NB-IoT一致性測試部分的標準制定。

在我看來，促成這幾種低功耗蜂窩技術“結盟”的關鍵，并不僅僅是日益增長的商業訴求，還有其它新生的(非授權頻段)低功耗接入技術的威脅。LoRa、SIGFOX、RPMA等新興接入技術的出現，促成了3PGG中相關成員企業和組織的抱團發展。

三、NB-IoT技術特性

和其競爭對手一樣，NB-IoT著眼于低功耗、廣域覆蓋的通信應用。終端的通信機制相對簡單，無線通信的耗電量相對較低，適合小數據量、低頻率(低吞吐率)的信息上傳，信號覆蓋的范圍則與普通的移動網絡技術基本一樣，行業內將此類技術統稱為“LPWAN技術”(Low Power Wide Area，低功耗廣域技術)。

NB-IoT針對M2M通信場景對原有的4G網絡進行了技術優化，其對網絡特性和終端特性進行了適當地平衡，以適應物聯網應用的需求。

在“距離、品質、特性”和“能耗、成本”中，保證“距離”上的廣域覆蓋，一定程度地降低“品質”(例如采用半雙工的通信模式，不支持高帶寬的數據傳送)，減少“特性”(例如不支持切換，即連接態的移動性管理 )。

網絡特性“縮水”的好處就是：同時也降低了終端的通信“能耗”，并可以通過簡化通信模塊的復雜度來降低“成本”(例如簡化通信鏈路層的處理算法)。

所以說，為了滿足部分物聯網終端的個性要求(低能耗、低成本)，網絡做出了“妥協”。NB-IoT是“犧牲”了一些網絡特性，來滿足物聯網中不同以往的應用需要。

1. 部署方式

為了便于運營商根據自由網絡的條件靈活運用，NB-IoT可以在不同的無線頻帶上進行部署，分為三種情況：獨立部署(Stand alone)、保護帶部署(Guard band)、帶內部署(In band)。

• Stand alone模式：利用獨立的新頻帶或空閑頻段進行部署，運營商所提的“GSM頻段重耕”也屬于此類模式;
• Guard band模式：利用LTE系統中邊緣的保護頻段。采用該模式，需要滿足一些額外的技術要求(例如原LTE頻段帶寬要大于5Mbit/s)，以避免LTE和NB-IoT之間的信號干擾。
• In band模式：利用LTE載波中間的某一段頻段。為了避免干擾，3GPP要求該模式下的信號功率譜密度與LTE信號的功率譜密度不得超過6dB。

除了Stand alone模式外，另外兩種部署模式都需要考慮和原LTE系統的兼容性，部署的技術難度相對較高，網絡容量相對較低。

2. 覆蓋增強

為了增強信號覆蓋，在NB-IoT的下行無線信道上，網絡系統通過重復向終端發送控制、業務消息(“重傳機制”)，再由終端對重復接受的數據進行合并，來提高數據通信的質量。

這樣的方式可以增加信號覆蓋的范圍，但數據重傳勢必將導致時延的增加，從而影響信息傳遞的實時性。在信號覆蓋較弱的地方，雖然NB-IoT能夠保證網絡與終端的連通性，但對部分實時性要求較高的業務就無法保證了。

在NB-IoT的上行信道上，同樣也支持無線信道上的數據重傳。此外，終端信號在更窄的LTE帶寬中發送，可以實現單位頻譜上的信號增強，使PSD(Power Spectrum Density，功率譜密度)增益更大。通過增加功率譜密度，更利于網絡接收端的信號解調，提升了上行無線信號在空中的穿透能力。

通過上行、下行信道的優化設計，NB-IoT信號的“耦合損耗(coupling loss)”***可以達到164dB。

(備注: 耦合損耗,指能量從一個電路系統傳播到另一個電路系統時發生的能量損耗。這里是指無線信號在空中傳播的能量損耗)

為了進一步利用網絡系統的信號覆蓋能力，NB-IoT還根據信號覆蓋的強度進行了分級(CE Level)，并實現“尋呼優化”：引入PTW(尋呼傳輸窗)，允許網絡在一個PTW內多次尋呼UE，并根據覆蓋等級調整尋呼次數。

• 常規覆蓋(Normal Coverage),其MCL(Maximum Coupling Loss，***耦合損耗)小于144dB，與目前的GPRS覆蓋一致。
• 擴展覆蓋(Extended Coverage)，其MCL介于144dB與154dB之間，相對GPRS覆蓋有10dB的增強
• 極端覆蓋(Extreme Coverage)，其MCL***可達164dB，相對GPRS覆蓋強度提升了20dB。

3. NB-IoT低功耗的實現

要終端通信模塊低功耗運行，***的辦法就是盡量地讓其“休眠”。NB-IoT有兩種模式，可以使得通信模塊只在約定的一段很短暫的時間段內，監聽網絡對其的尋呼，其它時間則都處于關閉的狀態。這兩種“省電”模式為：PSM(power saving mode，省電模式)和eDRX(Extended Discontinuous Reception，擴展的不連續接收)

(1) PSM模式

在PSM模式下，終端設備的通信模塊進入空閑狀態一段時間后，會關閉其信號的收發以及接入層的相關功能。當設備處于這種局部關機狀態的時候，即進入了省電模式-PSM。終端以此可以減少通信元器件(天線、射頻等)的能源消耗。

終端進入省電模式期間，網絡是無法訪問到該終端。從語音通話的角度來說，即“無法被叫”。

大多數情況下，采用PSM的終端，超過99%的時間都處于休眠的狀態，主要有兩種方式可以激活他們和網絡的通信：

• 當終端自身有連接網絡的需求時，它會退出PSM的狀態，并主動與網絡進行通信，上傳業務數據。
• 在每一個周期性的TAU (Tracking Area Update，跟蹤區更新)中，都有一小段時間處于激活的狀態。在激活狀態中，終端先進入“連接狀態(Connect)”，與通信網絡交互其網絡、業務的數據。在通信完成后，終端不會立刻進入PSM狀態，而是保持一段時間為“空閑狀態(IDLE)”。在空閑狀態狀態下，終端可以接受網絡的尋呼。

在PSM的運行機制中，使用“激活定時器(Active Timer，簡稱AT)”控制空閑狀態的時長，并由網絡和終端在網絡附著(Attach，終端***登記到網絡)或TAU時協商決定激活定時器的時長。終端在空閑狀態下出現AT超時的時候，便進入了PSM狀態。

根據標準，終端的一個TAU周期***可達310H(小時);“空閑狀態”的時長***可達到3.1小時(11160s)。

從技術原理可以看出，PSM適用于那些幾乎沒有下行數據流量的應用。云端應用和終端的交互，主要依賴于終端自主性地與網絡聯系。絕大多數情況下，云端應用是無法實時“聯系“到終端的。

(2) PSM模式

在PSM模式下，網絡只能在每個TAU最開始的時間段內尋呼到終端(在連接狀態后的空閑狀態進行尋呼)。eDRX模式的運行不同于PSM，它引入了eDRX機制，提升了業務下行的可達性。

(備注：DRX(Discontinuous Reception)，即不連續接收。eDRX就是擴展的不連續接收。)

eDRX模式，在一個TAU周期內，包含有多個eDRX周期，以便于網絡更實時性地向其建立通信連接(尋呼)。

eDRX的一個TAU包含一個連接狀態周期和一個空閑狀態周期，空閑狀態周期中則包含了多個eDRX尋呼周期，每個eDRX尋呼周期又包含了一個PTW周期和一個PSM周期。PTW和PSM的狀態會周期性地交替出現在一個TAU中，使得終端能夠間歇性地處于待機的狀態，等待網絡對其的呼叫。

eDRX模式下，網絡和終端建立通信的方式同樣：終端主動連接網絡;終端在每個eDRX周期中的PTW內，接受網絡對其的尋呼。

• 在TAU中，最小的eDRX周期為20.48秒，***周期為2.91小時
• 在eDRX中，最小的PTW周期為2.56秒，***周期為40.96秒
• 在PTW中，最小的DRX周期為1.28秒，***周期為10.24秒

總體而言，在TAU一致的情況下，eDRX模式相比較PSM模式，其空閑狀態的分布密度更高，終端對尋呼的響應更為及時。eDRX模式適用的業務，一般下行數據傳送的需求相對較多，但允許終端接受消息有一定的延時(例如云端需要不定期地對終端進行配置管理、日志采集等)。根據技術差異，eDRX模式在大多數情況下比PSM模式更耗電。

4. 終端簡化帶來低成本

針對數據傳輸品質要求不高的應用，NB-IoT具有低速率、低帶寬、非實時的網路特性，這些特性使得NB-IoT終端不必向個人用戶終端那樣復雜，簡單的構造、簡化的模組電路依然能夠滿足物聯網通信的需要。

• NB-IoT采用半雙工的通信方式，終端不能夠同時發送或接受信號數據，相對全雙工方式的終端，減少了元器件的配置，節省了成本。
• 業務低速率的數據流量，使得通信模組不需要配置大容量的緩存。低帶寬，則降低了對均衡算法的要求，降低了對均衡器性能的要求。(均衡器主要用于通過計算抵消無線信道干擾)
• NB-IoT通信協議棧基于LTE設計，但它系統性地簡化了協議棧，使得通信單元的軟件和硬件也可以相應的降低配置：終端可以使用低成本的專用集成電路來替代高成本的通用計算芯片，來實現協議簡化后的功能。這樣還能夠減少通信單元的整體功耗，延長電池使用壽命。

5. 業務在核心網絡中的簡化

在NB-IoT的核心網絡(EPC- Evolved Packet Core，即4G核心網)中，針對物聯網業務的需求特性，蜂窩物聯網(CIoT)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)

(1) 用戶面功能優化

“用戶面功能優化”與原LTE業務的差異并不大，它的主要特性是引入RRC (無線資源控制)的“掛起/恢復(Suspend/Resume)流程”，減少了終端重復進行網絡接入的信令開銷。

當終端和網絡之間沒有數據流量時，網絡將終端置為掛起狀態(Suspend)，但在終端和網絡中仍舊保留原有的連接配置數據。

當終端重新發起業務時，原配置數據可以立即恢復通信連接(Resume)，以此減去了重新進行RRC重配、安全驗證等流程，降低了無線空口上的信令交互量。

(2) 控制面功能優化

“控制面功能優化”包括兩種實現方式(消息傳遞路徑)。通過這兩種方式，終端不必在無線空口上和網絡建立業務承載，就可以將業務數據直接傳遞到網絡中。

備注：通信系統的特性之一是控制與承載(業務)分離，直觀的來說就是業務的控制消息(建立業務、釋放業務、修改業務)和業務數據本身并不在同一條鏈路上混合傳遞。NB-IoT的控制面功能優化則簡化了這種慣常的信息業務架構。

CP模式的兩種實現方式，即兩種數據傳遞的路徑：

A. 在核心網內，由MME、SCEF網元負責業務數據的轉接

在該方式中，NB-IoT引入了新的網元：SCEF(Service Capa- bility Exposure Function，服務能力開放平臺)。物聯網終端接受或發送業務數據，是通過無線信令鏈路進行的，而非無線業務鏈路。

當終端需要上傳數據時，業務數據由無線信令消息攜帶，直接傳遞到核心網的網元MME(Mobility Management Entity，4G核心網中的移動性管理實體)，再由MME通過新增的SCEF網元轉發到CIoT服務平臺(CIoT Services，也稱為AP-應用服務)。云端向終端發送業務數據的方向則和上傳方向正好相反。

路徑：UE(終端)-MME-SCEF- CIoT Services

B. 在核心網內，通過MME與業務面交互業務數據

在該方式中，終端同樣通過無線信令鏈路收發業務數據。對于業務數據的上傳，是由MME設備將終端的業務數據送入核心網的業務面網元SGW，再通過PGW進入互聯網平臺;對于下傳業務數據，則由SGW傳遞給MME，再由MME通過無線信令消息送給終端。業務數據上傳和下傳的路徑也是一致的。

路徑：UE(終端)-MME-SGW-PGW-CIoT Services

按照傳統流程(包括用戶面優化方案)，終端需要和網絡先建立SRB(Signaling Radio Bearer)再建立DRB(Data Radio Bearer)，才能夠在無線通道上傳輸數據。而采用控制面優化方案(CP模式)，只需要建立SRB就可以實現業務數據的收發。

(3) 功能優化模式總結

CP方式借鑒了短距通信的一些設計思路，非常適合低頻次、小數據包的上傳業務，類似于短信業務。但網絡中“信令面”的帶寬有限，CP方式所以并不適合傳遞較大的業務數據包。UP模式則可以滿足大數據業務的傳遞。

不論是UP模式，還是CP模式，本質上都是通過無線通信流程的簡化，節省了終端的通信計算和能量消耗，提升了數據傳遞效率。

6. 連接態的移動性管理

最初，NB-IoT的規范是針對靜態的應用場景(如智能抄表)進行設計和制定的，所以在Rel-13版本(2016年6月)中它并不支持連接狀態下的移動性管理，即不支持“無線切換”。在隨后的Rel-14版本中，NB-IoT會支持基站小區間的切換，以保證業務在移動狀態下的連續性。

四、NB-IoT的技術特性總結

從NB-IoT的特性中可以看出，其通過“信號增強”、“尋呼優化”加強了通信覆蓋的深度。主要通過三個方面，來“照顧”終端對低耗電、低成本的要求：

• 引入了低功耗的“睡眠”模式(PSM、eDRX);
• 降低了對通信品質要求，簡化了終端設計(半雙工模式、協議棧簡化等);
• 通過兩種功能優化模式(CP模式、UP模式)簡化流程，減少了終端和網絡的交互量。

這些對廣域移動通信技術的“優化”設計，使得NB-IoT更加適合于部分物聯網的場景應用，也就是LPWA(低功耗廣域網)類型的應用。并且由于引入了睡眠模式，降低了通信品質的要求(主要是實時性要求)，使得NB-IoT的基站比傳統基站，能夠接入更多的(承載LPWA業務的)終端。

采用NB-IoT的終端可以在滿足低功耗的需求下，用于較高密度部署、低頻次數據采集的應用(包括固定位置的抄表、倉儲和物流管理、城市公共設置的信息采集等)，或者是較低密度部署、長距離通信連接的應用(包括農情監控、地質水文監測等)。

當然，作為一種LPWAN技術，NB-IoT有其固有的局限性，它顯然并不適用于要求低時延、高可靠性的業務(車聯網、遠程醫療)，而且中等需求的業務(智能穿戴、智能家居)對于它來說也稍顯“吃力”。

在物聯網技術生態中，沒有一種通信接入技術能夠“通吃”所有的應用場景，各種接入技術之間存在一定的互補效應，NB-IoT能夠依靠其技術特性在物聯網領域中占據著一席之地。

【本文是51CTO專欄作者王峰的原創文章，轉載請聯系作者本人獲取授權】

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