NB IoT窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)概述 ISSUE

NB-IoT窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)概述

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IoT是未來5年全球發(fā)展的趨勢之一，將帶來巨大的商業(yè)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(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)也將在未來5年獲得快速的增長，符合GSMA的預(yù)測，未

來5年，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)將增長7倍，到2020年，將有約3billion的聯(lián)接承載在運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)，

工業(yè)（Smart Agriculture、Smart Meter），個人應(yīng)用（Smart Band、Smart Watch），

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

Parking ）等多個方面。

基于這些巨大的聯(lián)接，將給運(yùn)營商帶來巨大的商業(yè)價值，包括聯(lián)接的價值，數(shù)據(jù)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(wǎng)是運(yùn)營商的最大優(yōu)勢，可以幫助蜂窩物聯(lián)網(wǎng)迅

速普及，形成全球化的效應(yīng)，這是其他的任何技術(shù)所不能比擬的。所以基于這種網(wǎng)絡(luò)去

部署NB-IoT也將形成絕對的優(yōu)勢，幫助運(yùn)營商進(jìn)入蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的市場；我們也注意到，

當(dāng)前運(yùn)營商的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)份額還是非常小，這是不合理的，背后的原因包括技術(shù)和驅(qū)動。

基于NB-IoT、eMTC等技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)共同的努力，相信2020年蜂窩物聯(lián)網(wǎng)將達(dá)到30%，

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3billion

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NB-IoT: 最大化重用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)。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(hù)帶中部署NB-IOT。

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

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100K 連接 / 扇區(qū)，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(jī)設(shè)計的，這意味著芯片處理能力要求更高，包括支持寬帶，大數(shù)

率，MIMO等，而NB-IOT的芯片是專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計的，只針對窄帶、低速率、并針對

物聯(lián)網(wǎng)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(dá)到芯片

價格到$1的低價。

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注： $1是目標(biāo)成本，目前成本還達(dá)不到這么低。

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OneM2M定義了物聯(lián)網(wǎng)的幾個協(xié)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(fā)數(shù)據(jù)），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(shí)現(xiàn)這個協(xié)議。

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COAP（Constrained Application Protocol）：由于物聯(lián)網(wǎng)中的很多設(shè)備都是資源受限型

的，即只有少量的內(nèi)存空間和有限的計算能力，所以傳統(tǒng)的HTTP協(xié)議應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)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(gòu)的CoAP協(xié)議。

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

即時通訊協(xié)議，有可能成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。該協(xié)議支持所有平臺，幾乎可以把

所有聯(lián)網(wǎng)物品和外部連接起來，被用來當(dāng)做傳感器和致動器（比如通過Twitter讓房屋聯(lián)

網(wǎng)）的通信協(xié)議。

AMQP，即Advanced Message Queuing Protocol,一個提供統(tǒng)一消息服務(wù)的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)高

級消息隊列協(xié)議,是應(yīng)用層協(xié)議的一個開放標(biāo)準(zhǔn),為面向消息的中間件設(shè)計。基于此協(xié)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(chǎn)品，不同開發(fā)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(jī)(Single Chip

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Microcomputer )或者單片機(jī)。

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架構(gòu)

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扁平化，同LTE-SAE

支持基于IP的M2M應(yīng)用

支持SingleRAN和Standalone兩種部署，滿足低成本建站

為IoT優(yōu)化的核心網(wǎng)

最優(yōu)化終端功耗和成本，擴(kuò)大蜂窩物聯(lián)網(wǎng)市場

低成本部署站點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)，提升投資收益

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價值

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NB-IoT RF模塊路標(biāo)

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(biāo)

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Site: NB-IoT 基帶板路標(biāo)

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(fā)，部署基于CloudEdge平臺的NB-IOT專用分組核心網(wǎng)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(wǎng)不會對現(xiàn)網(wǎng)造成任何影響；

3）基于CloudEdge平臺，更容易擴(kuò)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(hù)帶。

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Guard band是指NB-IoT部署在LTE的頻譜兩側(cè)的保護(hù)帶內(nèi)，為避免干擾，與LTE

RB之間需要保留100K保護(hù)帶，在LTE保護(hù)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(nèi)，利用至少1個RB資源發(fā)送NB-IoT信

號。Inband部署，與周邊RB之間不需要保護(hù)帶，但Inband發(fā)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(hù)帶，實(shí)際資源帶寬180kHz。In band

180kHz。

下行采用15KHz OFDMA技術(shù)，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(yīng)該成為NB-IoT UE的基線功能

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商業(yè)成功角度

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終端成本低是商業(yè)成功的基礎(chǔ)，許多物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用要求的是極低成本的

模塊

當(dāng)前NB-IoT的一些功能已經(jīng)向LTE/eMTC對齊，由此帶來的成本上的挑戰(zhàn)

已經(jīng)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(shù)原理門檻不高，許多之前進(jìn)行Sub-1GHz unlicend頻譜

收發(fā)信機(jī)生產(chǎn)的生產(chǎn)商可以將原有技術(shù)積累應(yīng)用到NB-IoT的終端芯片開

發(fā)中

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產(chǎn)業(yè)生態(tài)角度

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采用的物理層基本技術(shù)是多是成熟技術(shù)（涉及知識產(chǎn)權(quán)的問題很少），

可以降低生產(chǎn)商的知識產(chǎn)權(quán)糾紛風(fēng)險

Single-Tone的技術(shù)成熟，可以降低之前沒有生產(chǎn)過基于小區(qū)通信modem

器件的生產(chǎn)商在進(jìn)行開發(fā)生產(chǎn)中的風(fēng)險

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Single-Tone技術(shù)可以降低終端復(fù)雜度

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支持簡單并高能源利用效率的收發(fā)信機(jī)架構(gòu)

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使用低相位/幅度調(diào)制帶寬的極化調(diào)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(gòu)被用于許多低成本Sub-1GHz非小區(qū)通信的解決方案中

一塊SoC應(yīng)該集成包括PA在內(nèi)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(shù)的低調(diào)制帶寬和低PAPR，采用極化調(diào)制方案，未來

可以進(jìn)一步做到高度集成（通過將幅度調(diào)制與PA結(jié)合，相位調(diào)制與本地

振蕩器結(jié)合）

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允許高發(fā)射功率（23dBm）的PA集成到SoC中

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Single-Tone技術(shù)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行傳輸，而且這應(yīng)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(yīng)該采用Single-tone的傳輸模式

以獲得相應(yīng)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(shù)的UE可以通過降低發(fā)射功率來減少能耗，

因此在相同的IoT業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)該采用Single-tone的傳輸模式，

在這種情況下對網(wǎng)絡(luò)容量的影響與Multi-tone無關(guān)

支持Multi-tone的UE可以采用Multi-tone傳輸數(shù)據(jù)，也可以采用Single-tone

傳輸，使用Single-tone傳輸?shù)?/span>UE發(fā)送時間會長，占據(jù)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(diǎn)（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(yīng)該是作為NB-IoT終端的高級擴(kuò)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(yīng)用場景下都是低速率的短報文傳輸

服務(wù)）

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對于Multi-Tone的終端而言，終端的復(fù)雜性主要取決于Multi-tone，實(shí)現(xiàn)兼容

Single-tone功能是向下兼容，并不會增加UE的復(fù)雜度

網(wǎng)絡(luò)側(cè)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(yīng)0dB覆蓋增強(qiáng)場景，一組PRACH資源占用6個組，每組3個符號，對應(yīng)時域

占用4.8ms；

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格式1：對應(yīng)10dB覆蓋增強(qiáng)場景，一組PRACH資源占用12個組，每組6個符號，對應(yīng)時

域占用19.2ms；

格式2：對應(yīng)20dB覆蓋增強(qiáng)場景，一組PRACH資源占用120個組，每組6個符號，對應(yīng)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(qū)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(qū)指示。

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

20ms，固定在20ms周期最后無線幀的9#子幀發(fā)送。

UE與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步，需要解調(diào)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(fù)，固定在每個無線幀的0#發(fā)送。

每個80周期內(nèi)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(yàn)16bits，實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)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(fā)射功率最大可以到33dBm，NB-IOT發(fā)射功率最大23dBm，所以實(shí)

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(shù)天然的優(yōu)勢：窄帶

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)等寬帶業(yè)務(wù)的，所以對于終端的數(shù)據(jù)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(dāng)這些數(shù)據(jù)在一些寬帶的資源上發(fā)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(dá)幾Kbps速率的業(yè)務(wù)，對于物聯(lián)網(wǎng)

業(yè)務(wù)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(fā)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(shù)（相同的數(shù)據(jù)包重復(fù)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(guī)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(nèi)覆

蓋，能夠多穿透1至2堵墻，那么部署在墻內(nèi)或地下室的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備完全不需要額外的

站點(diǎn)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(shè)備可以輕松覆

蓋。

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還有上行4Rx，CoMP等技術(shù)可以用于提升覆蓋性能。

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1、鏈路預(yù)算出處：協(xié)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(xié)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(shù)，物聯(lián)網(wǎng)終端在發(fā)送數(shù)據(jù)包后，立刻進(jìn)入一種休眠狀態(tài)，不在進(jìn)行任何

通信活動，等到它有上報數(shù)據(jù)的請求的時刻，它會喚醒它自己，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)，然后又

進(jìn)入睡眠狀態(tài)。按照物聯(lián)網(wǎng)終端的行為習(xí)慣，將會達(dá)到99%的時間在休眠狀態(tài)，使得功

耗會非常低。

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UE進(jìn)入PSM模式后，只有在UE需要發(fā)送MO數(shù)據(jù)，或者周期TAU/RAU定時器超時后需要

執(zhí)行周期TAU/RAU時，才會退出PSM模式。因?yàn)?/span>UE不監(jiān)聽系統(tǒng)消息，即使UE移動導(dǎo)致

TA/RA變化，也不會退出PSM模式。

PSM的缺點(diǎn)主要是對MT業(yè)務(wù)響應(yīng)不及時。主要應(yīng)用于表類等對下行實(shí)時性要求不高的

業(yè)務(wù)

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節(jié)電技術(shù)針對非時延敏感類終端業(yè)務(wù)優(yōu)化了更長的休眠周期。MME根據(jù)UE業(yè)務(wù)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(jiān)聽一段時

間后才會再次休眠。對下行業(yè)務(wù)的響應(yīng)比PSM快一些，主要用于跟蹤類業(yè)務(wù)；

終端經(jīng)過一段時間（PTW）的DRX后，進(jìn)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(fā)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，節(jié)電模式可以更有效的控制模塊的開關(guān)。

PSM是UE和核心網(wǎng)之間的功能，eNB不感知。

UE和CN(MME/SGSN)通過NAS消息協(xié)商一個active timer，該timer在UE轉(zhuǎn)為空閑態(tài)后啟動。

active timer超時后，MME/SGSN判定UE進(jìn)入PSM，拒絕下行業(yè)務(wù)和尋呼；UE側(cè)，該timer

超時后，UE關(guān)閉接入層（AS）功能（如小區(qū)選擇等）進(jìn)行省電，這樣UE和網(wǎng)絡(luò)關(guān)于UE

進(jìn)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(lián)網(wǎng)的模式進(jìn)行設(shè)計的。物聯(lián)網(wǎng)的話務(wù)模型是和手機(jī)不同

的，它的話務(wù)模型是終端很多，但是每個終端發(fā)送的包小，發(fā)送包對時延的要求不敏感。

當(dāng)前的2G/3G/4G基站是設(shè)計保障用戶可以同時做業(yè)務(wù)并且保障時延，基于這樣的方式，

用戶的聯(lián)接數(shù)或者接入數(shù)目是控制在1K左右的。但是基于NB-IOT，基于對業(yè)務(wù)時延不

敏感，可以設(shè)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(qū)，大量終端處于休眠態(tài)，但是上下文信息由基站和核心網(wǎng)維持，一旦

有數(shù)據(jù)發(fā)送，可以迅速進(jìn)入激活態(tài)。

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另外，2G/3G/4G的調(diào)度顆粒較大，NB-IOT因?yàn)榛谡瓗В{(diào)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(shù)少或者沒有，頻

譜效率也更高。

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對于少量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)將通過NAS of RRC Conn Setup Complete消息在控制面?zhèn)鬏敚?/span>

達(dá)到增強(qiáng)傳輸效率，降低開銷的目的。

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端到端的多層流控機(jī)制保證了海量連接的可靠性。

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芯片模組成本是產(chǎn)業(yè)能否發(fā)展的決定性因素。

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

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Cellular IoT架構(gòu)：

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面度不同需求，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)接入側(cè)有不同的技術(shù)。對于寬帶寬高速率的業(yè)務(wù)，

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

時延業(yè)務(wù)需求，采用LTE-V。

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IoT Core有兩種方案。一是現(xiàn)有EPC軟件升級，二是采用新EPC。

面對不同的業(yè)務(wù)需求，采用統(tǒng)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(jīng)基于預(yù)商用產(chǎn)品和預(yù)商用的終端與多個運(yùn)

營商開展了項目，包括VDF西班牙、德電德國、中國聯(lián)通上海、ET阿聯(lián)酋等。

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通過這些項目，NB IoT的E2E能力進(jìn)行了充分驗(yàn)證，另外應(yīng)用的u ca也正在變得更豐

富，包括智能抄表、跟蹤類應(yīng)用、智能手環(huán)等逐漸成熟。

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