4NB

NB-IoT窄帶蜂窩物聯網概述

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NB-IoT窄帶蜂窩物聯網概述

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IoT是未來5年全球發展的趨勢之一，將帶來巨大的商業價值。2025 市場空間11.1 萬億

美元 （Mc Kiny Global Rearch 2015 ）。

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基于運營商網絡的蜂窩物聯網也將在未來5年獲得快速的增長，符合GSMA的預測，未

來5年，蜂窩物聯網將增長7倍，到2020年，將有約3billion的聯接承載在運營商的網絡，

工業（Smart Agriculture、Smart Meter），個人應用（Smart Band、Smart Watch），

智能家庭（Smart Band、Smart Watch），公共事業（Ast Tracking、Smart

Parking ）等多個方面。

基于這些巨大的聯接，將給運營商帶來巨大的商業價值，包括聯接的價值，數據的價值

和利益分享的價值。

覆蓋了90%人口，70%地理覆蓋的蜂窩網是運營商的最大優勢，可以幫助蜂窩物聯網迅

速普及，形成全球化的效應，這是其他的任何技術所不能比擬的。所以基于這種網絡去

部署NB-IoT也將形成絕對的優勢，幫助運營商進入蜂窩物聯網的市場；我們也注意到，

當前運營商的蜂窩物聯網份額還是非常小，這是不合理的，背后的原因包括技術和驅動。

基于NB-IoT、eMTC等技術以及產業共同的努力，相信2020年蜂窩物聯網將達到30%，

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3billion

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NB-IoT: 最大化重用現有網絡資產。最具成本競爭力的LPWA解決方案。

NB-IoT支持三種部署場景

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Standalone：通常是Refarming GSM的頻譜或者使用空閑零散的頻譜資源部署NB-

IOT。

Guard band：在LTE的保護帶中部署NB-IOT。

In-band：在LTE的RB資源上部署NB-IOT，相應LTE可利用的RB資源會減少。

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100K 連接 / 扇區，與4G相比提升100x倍。

深覆蓋，20dB+ 增益，與2G相比多穿透一堵墻。

2G/3G/4G的芯片是為手機設計的，這意味著芯片處理能力要求更高，包括支持寬帶，大數

率，MIMO等，而NB-IOT的芯片是專門為物聯網設備設計的，只針對窄帶、低速率、并針對

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。通過這樣的方式達到芯片

價格到$1的低價。

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注： $1是目標成本，目前成本還達不到這么低。

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OneM2M定義了物聯網的幾個協議，CoAP，MQTT，HTTP，但是MQTT和HTTP是基于

TCP的（面向連接的，先建連接后發數據），時延較大，無法滿足NB的訴求，所以針對

NB-IoT只能使用CoAP。芯片和平臺都要實現這個協議。

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COAP（Constrained Application Protocol）：由于物聯網中的很多設備都是資源受限型

的，即只有少量的內存空間和有限的計算能力，所以傳統的HTTP協議應用在物聯網上

就顯得過于龐大而不適用。 IETF的CoRE工作組提出了一種基于REST架構的CoAP協議。

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MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）是IBM開發的一個

即時通訊協議，有可能成為物聯網的重要組成部分。該協議支持所有平臺，幾乎可以把

所有聯網物品和外部連接起來，被用來當做傳感器和致動器（比如通過Twitter讓房屋聯

網）的通信協議。

AMQP，即Advanced Message Queuing Protocol,一個提供統一消息服務的應用層標準高

級消息隊列協議,是應用層協議的一個開放標準,為面向消息的中間件設計。基于此協議

的客戶端與消息中間件可傳遞消息，并不受客戶端/中間件不同產品，不同開發語言等

條件的限制

微控制單元(Microcontroller Unit；MCU) ，又稱單片微型計算機(Single Chip

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Microcomputer )或者單片機。

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架構

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扁平化，同LTE-SAE

支持基于IP的M2M應用

支持SingleRAN和Standalone兩種部署，滿足低成本建站

為IoT優化的核心網

最優化終端功耗和成本，擴大蜂窩物聯網市場

低成本部署站點和網絡，提升投資收益

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價值

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NB-IoT RF模塊路標

RRU3269, RRU3249, LRFUe

RRU3268, RRU3262

RRU3220,

RRU3268, LRFUe,

RRU3908 v2, MRFU v2

RRU3942, RRU3936, MRFUd, RRU3652,RRU3938(Korea)

RRU3908 v2, MRFU v2

RRU3936, RRU3938, RRU3929, RRU3959, RRU3953,

RRU3928, RRU3926, MRFUd, MRFUe

RRU3936, RRU3971

RRU3630, RRU3632, RRU3632B, RRU3638

RRU3929, RRU3939, RRU3959, RRU3953

US700(Band12/13)

APT700(Band28)

DD800(Band 20)

850M(Band 5)

900M(Band 8)

1800M(Band 3)

SRAN12.0 SRAN12.1

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NB-IoT 主控板路標

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Site: NB-IoT 基帶板路標

Cell Configuration(LTE

Only)

Cell Configuration(LTE + NB-IoT)

3*10M 2T2R+3*200k NB-IOT LBBPd1 3*20M 2T2R

3*10M 4T4R+3*200k NB-IOT LBBPd2 3*20M 4T4R

3*20M 2T2R+3*10M 2T2R+3*200k NB-IOT

3*10M 2T2R+3*200k NB-IOT UBBPd3 3*20M 2T2R

3*10M 4T4R+3*200k NB-IOT UBBPd4 3*20M 4T4R

3*20M 2T2R+3*10M 2T2R+3*200k NB-IOT

3x20M 4T4R+3x10M 4T4R+3x200k NB-IoT

3*20M 2T2R+3*200k NB-IoT UBBPe1 3*20M 2T2R

3*20M 4T4R+3*200k NB-IoT UBBPe2 3*20M 4T4R

LBBPd3 6*20M 2T2R

UBBPd5 6*20M 2T2R

UBBPd6 6*20M 4T4R

UBBPe3 6*20M 2T2R 6*20M 2T2R+3*200k NB-IoT

UBBPe4 6*20M 4T4R 6*20M 4T4R+3*200k NB-IoT

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從降低TTM的角度出發，部署基于CloudEdge平臺的NB-IOT專用分組核心網是最佳的選擇：

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1）使用CloudEdge平臺可以做到All In One Box（vUSN + vUGW + vHSS），交

付速度快；

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2）新建的專用網不會對現網造成任何影響；

3）基于CloudEdge平臺，更容易擴展NB-IOT中的一些新功能，比如Coap Proxy

等

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NB-IoT的部署方式有三種，standalone、guardband和Inband

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Standalone是指NBIoT載波部署于UMTS/LTE載波外，可以利用多余的頻譜資源，

也可以通過refarming GSM載波獲取，通過refarming GSM頻譜部署NB-IoT時，與

周圍GSM載波之間需要保留100K保護帶。

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Guard band是指NB-IoT部署在LTE的頻譜兩側的保護帶內，為避免干擾，與LTE

RB之間需要保留100K保護帶，在LTE保護帶部署，LTE的帶寬至少需要10M。

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Inband是指NBIoT載波部署在LTE工作帶寬內，利用至少1個RB資源發送NB-IoT信

號。Inband部署，與周邊RB之間不需要保護帶，但Inband發射功率譜密度最多

只能比LTE RB功率譜密度大6dB。

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Guard band/Standalone 200kHz,兩位各10kHz保護帶，實際資源帶寬180kHz。In band

180kHz。

下行采用15KHz OFDMA技術，每個信道15KHz，共12個子信道。

上行支持分為single-tone和multi-tone兩種，其中single-tone包括3.75KHz和15KHz兩種，

multi-tone為15KHz SC-FDMA。

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TR 23.720

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Single-Tone功能應該成為NB-IoT UE的基線功能

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商業成功角度

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終端成本低是商業成功的基礎，許多物聯網的應用要求的是極低成本的

模塊

當前NB-IoT的一些功能已經向LTE/eMTC對齊，由此帶來的成本上的挑戰

已經很大，需要將低成本的Single-Tone方案作成為一個基線功能

Single-Tone技術原理門檻不高，許多之前進行Sub-1GHz unlicend頻譜

收發信機生產的生產商可以將原有技術積累應用到NB-IoT的終端芯片開

發中

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產業生態角度

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采用的物理層基本技術是多是成熟技術（涉及知識產權的問題很少），

可以降低生產商的知識產權糾紛風險

Single-Tone的技術成熟，可以降低之前沒有生產過基于小區通信modem

器件的生產商在進行開發生產中的風險

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Single-Tone技術可以降低終端復雜度

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支持簡單并高能源利用效率的收發信機架構

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使用低相位/幅度調制帶寬的極化調制器（Polar modulator）

輸出頻譜干凈，因此減少了使用濾波器造成的額外能耗損失，提高了能

源利用效率

該架構被用于許多低成本Sub-1GHz非小區通信的解決方案中

一塊SoC應該集成包括PA在內的幾乎所有的基線IoT解決方案，這種做法

與Bluetooth Smart解決方案類似

Single-tone的PAPR是非常低的，因此可以將PA工作在很高的效率（>55%）

由于集成PA，可以降低封裝時PCB的占用面積，這也有利于降低芯片熱

損耗

由于Single-tone技術的低調制帶寬和低PAPR，采用極化調制方案，未來

可以進一步做到高度集成（通過將幅度調制與PA結合，相位調制與本地

振蕩器結合）

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允許高發射功率（23dBm）的PA集成到SoC中

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Single-Tone技術對終端的覆蓋能力和電池壽命的影響

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覆蓋上不受影響

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Single-tone技術的優點就是由于噪聲帶寬小因此覆蓋性能比較好，在最

差的覆蓋等級上，UE會采用Single-tone模式進行傳輸，而且這應該成為

在最差覆蓋等級下所有UE的基本傳輸模式。

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電池壽命不受影響

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在>154dB耦合損耗的場景下，所有UE都應該采用Single-tone的傳輸模式

以獲得相應覆蓋和容量性能，所以對于耦合損耗>154dB的場景，電池壽

命是一致的。

對于UE處于低耦合損耗的場景，Single-tone的傳輸時長就會比Multi-tone

的長，但是采用Single-tone技術的UE可以通過降低發射功率來減少能耗，

因此在相同的IoT業務模型和電池漏電模型下，電池壽命同樣是很長的

（>=10年）

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對網絡容量的影響

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在耦合損耗>=154dB的場景

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在>154dB耦合損耗的場景下，所有UE都應該采用Single-tone的傳輸模式，

在這種情況下對網絡容量的影響與Multi-tone無關

支持Multi-tone的UE可以采用Multi-tone傳輸數據，也可以采用Single-tone

傳輸，使用Single-tone傳輸的UE發送時間會長，占據時域資源更多。

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在耦合損耗<=144dB的場景

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從整體而言，使用Single-tone時，只在中近點（MCL<=144dB）時會有一定影響，

但是總體而言影響不是很大。

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Multi-Tone功能的定位

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Multi-Tone功能應該是作為NB-IoT終端的高級擴展功能，用終端成本的提升以獲

得較高的傳輸速率（雖然在絕大多是NB-IoT應用場景下都是低速率的短報文傳輸

服務）

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對于Multi-Tone的終端而言，終端的復雜性主要取決于Multi-tone，實現兼容

Single-tone功能是向下兼容，并不會增加UE的復雜度

網絡側需同時兼容Multi-tone和Single-tone兩種功能以保證兩種模式間的互操作

和切換

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PSD Power Spectral Density 功率譜密度

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格式0：對應0dB覆蓋增強場景，一組PRACH資源占用6個組，每組3個符號，對應時域

占用4.8ms；

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格式1：對應10dB覆蓋增強場景，一組PRACH資源占用12個組，每組6個符號，對應時

域占用19.2ms；

格式2：對應20dB覆蓋增強場景，一組PRACH資源占用120個組，每組6個符號，對應時

域占用192ms。

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MCL：最大耦合損耗

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In-band NB-IoT 通過打孔與LTE兼容。

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1、PSCH用于UE和基站間的同步，同步信號包括NB-PSS（NB主同步信號）和NB-SSS

（NB輔助同步信號）兩種。NB-PSS用于小區檢測、子幀和符號級的同步，載波和頻率

采樣的頻率同步；NB-SSS用于無線幀級別時間同步和物理小區指示。

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2、NB-PSS發送周期為10ms，固定在每個無線幀的5#子幀發送。NB-SSS發送周期為

20ms，固定在20ms周期最后無線幀的9#子幀發送。

UE與網絡進行同步，需要解調NB-PSS和NB-SSS的信息。則終端需要的最短平均接收時

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間為40ms 。

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NB-PBCH主要用于廣播MIB消息，周期為640ms，8次重復，固定在每個無線幀的0#發送。

每個80周期內，傳輸的數據相同，但是編碼不同。

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MIB消息長度不超過34bits，加上CRC校驗16bits，實際傳輸數據不超過50bits.

終端接收MIB消息，需要至少接收80ms。

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注： 由于GSM終端發射功率最大可以到33dBm，NB-IOT發射功率最大23dBm，所以實

際NB-IOT終端比GSM終端功率譜密度高7dB。

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深度覆蓋能力主要來源于NB-IOT技術天然的優勢：窄帶

物聯網設備發送的數據包是非常小的，通常在幾個到幾百個byte之間，而無論是GSM還

是LTE也好，都是面向語音數據等寬帶業務的，所以對于終端的數據包請求分配的資源

是較大的，例如GSM和LTE是以180kHZ的頻譜資源顆粒來分配的。但是終端的功率又是

恒定的，例如200mW，這樣當這些數據在一些寬帶的資源上發送，這200mW的功率不

得不分配到180kHz的帶寬上，平均的功率就會較低。

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而NB-IOT分配資源的顆粒是5kHz，這個帶寬能承載達幾Kbps速率的業務，對于物聯網

業務以及足夠。而另一方面，對于終端的200mW功率，是在僅僅5kHz的帶寬上發送，

所以平均功率會高很多。

通過窄帶可以獲得17dB的增益，另外通過重傳技術（相同的數據包重復傳輸若干次）

獲得額外的9~12個dB(8到16次重傳)的覆蓋增益。

在無線規格上最終NB-IOT將超過GSM、LTE等20+dB的覆蓋能力，這意味著對于室內覆

蓋，能夠多穿透1至2堵墻，那么部署在墻內或地下室的物聯網設備完全不需要額外的

站點加密就能獲得良好覆蓋。對于室外情況也類似，一些部署在地底的設備可以輕松覆

蓋。

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還有上行4Rx，CoMP等技術可以用于提升覆蓋性能。

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1、鏈路預算出處：協議45.820-d00

GPRS：

下行：P464 Table B.1: Link budget table for legacy GPRS downlink

上行：P465 Table B.2: Link budget table for legacy GPRS uplink

LTE：

協議36.888

P12 Table 5.2.1.2-2: MCL calculation for normal LTE FDD (e Note 1)

NB-IoT：

standalone：P6 R1-156800 Downlink Performance Evaluations for Standalone Operation

guardband：P4 R1-156801 Downlink Performance Evaluations for Guard-band Operation

Inband： P5 R1-156802 Downlink Performance Evaluations for In-band Operation

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基于NB IoT技術，物聯網終端在發送數據包后，立刻進入一種休眠狀態，不在進行任何

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，隨后發送數據，然后又

進入睡眠狀態。按照物聯網終端的行為習慣，將會達到99%的時間在休眠狀態，使得功

耗會非常低。

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UE進入PSM模式后，只有在UE需要發送MO數據，或者周期TAU/RAU定時器超時后需要

執行周期TAU/RAU時，才會退出PSM模式。因為UE不監聽系統消息，即使UE移動導致

TA/RA變化，也不會退出PSM模式。

PSM的缺點主要是對MT業務響應不及時。主要應用于表類等對下行實時性要求不高的

業務

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節電技術針對非時延敏感類終端業務優化了更長的休眠周期。MME根據UE業務類型

（APN）決定周期長度。

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LTE尋呼DRX周期目前最大是2.56s，而eDRX周期最大為2.92小時，醒來后要監聽一段時

間后才會再次休眠。對下行業務的響應比PSM快一些，主要用于跟蹤類業務；

終端經過一段時間（PTW）的DRX后，進入PSM模式，PTW長度可配，PTW包含多個普

通尋呼周期（TDRX）。

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對于主要由終端觸發的物聯網業務，節電模式可以更有效的控制模塊的開關。

PSM是UE和核心網之間的功能，eNB不感知。

UE和CN(MME/SGSN)通過NAS消息協商一個active timer，該timer在UE轉為空閑態后啟動。

active timer超時后，MME/SGSN判定UE進入PSM，拒絕下行業務和尋呼；UE側，該timer

超時后，UE關閉接入層（AS）功能（如小區選擇等）進行省電，這樣UE和網絡關于UE

進入省電模式的信息是同步的。

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首先，NB-IOT的基站是基于物聯網的模式進行設計的。物聯網的話務模型是和手機不同

的，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。

當前的2G/3G/4G基站是設計保障用戶可以同時做業務并且保障時延，基于這樣的方式，

用戶的聯接數或者接入數目是控制在1K左右的。但是基于NB-IOT，基于對業務時延不

敏感，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作用的終

端同時在一個小區，大量終端處于休眠態，但是上下文信息由基站和核心網維持，一旦

有數據發送，可以迅速進入激活態。

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另外，2G/3G/4G的調度顆粒較大，NB-IOT因為基于窄帶，調度顆粒小很多，在同樣的

資源情況下，資源的利用率會更高。在同樣覆蓋增益要求下，重傳次數少或者沒有，頻

譜效率也更高。

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對于少量數據業務，數據將通過NAS of RRC Conn Setup Complete消息在控制面傳輸，

達到增強傳輸效率，降低開銷的目的。

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端到端的多層流控機制保證了海量連接的可靠性。

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芯片模組成本是產業能否發展的決定性因素。

只有NB-IoT的模組成本可以達到$5，能形成對于Sigfox，LoRa最有力的競爭力。

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Cellular IoT架構：

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面度不同需求，蜂窩物聯網接入側有不同的技術。對于寬帶寬高速率的業務，

采用LTE；對于窄帶寬低功耗的業務，采用NB-IoT,MTC/eMTC;對于高可靠性，低

時延業務需求，采用LTE-V。

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IoT Core有兩種方案。一是現有EPC軟件升級，二是采用新EPC。

面對不同的業務需求，采用統一的IoT平臺來支撐。

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除了芯片、模組最早具備能力外，NB IoT已經基于預商用產品和預商用的終端與多個運

營商開展了項目，包括VDF西班牙、德電德國、中國聯通上海、ET阿聯酋等。

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通過這些項目，NB IoT的E2E能力進行了充分驗證，另外應用的u ca也正在變得更豐

富，包括智能抄表、跟蹤類應用、智能手環等逐漸成熟。

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