part3／ nb－iot技术特性
和其竞争对手一样，nb－iot着眼于低功耗、广域覆盖的通信应用。终端的通信机制相对简单，无线通信的耗电量相对较低，适合小数据量、低频率（低吞吐率）的信息上传，信号覆盖的范围则与普通的移动网络技术基本一样，行业内将此类技术统称为“lpwan技术”（low power wide area，低功耗广域技术）。
nb－iot针对m2m通信场景对原有的4g网络进行了技术优化，其对网络特性和终端特性进行了适当地平衡，以适应物联网应用的需求。
在“距离、品质、特性”和“能耗、成本”中，保证“距离”上的广域覆盖，一定程度地降低“品质”（例如采用半双工的通信模式，不支持高带宽的数据传送），减少“特性”（例如不支持切换，即连接态的移动性管理 ）。
网络特性“缩水”的好处就是：同时也降低了终端的通信“能耗”，并可以通过简化通信模块的复杂度来降低“成本”（例如简化通信链路层的处理算法）。
所以说，为了满足部分物联网终端的个性要求（低能耗、低成本），网络做出了“妥协”。nb－iot是“牺牲”了一些网络特性，来满足物联网中不同以往的应用需要。
1、部署方式
为了便于运营商根据自由网络的条件灵活运用，nb－iot可以在不同的无线频带上进行部署，分为三种情况：独立部署（stand alone）、保护带部署（guard band）、带内部署（in band）。
stand alone模式：利用独立的新频带或空闲频段进行部署，运营商所提的“gsm频段重耕”也属于此类模式；
guard band模式：利用lte系统中边缘的保护频段。采用该模式，需要满足一些额外的技术要求（例如原lte频段带宽要大于5mbit／s），以避免lte和nb－iot之间的信号干扰。
in band模式：利用lte载波中间的某一段频段。为了避免干扰，3gpp要求该模式下的信号功率谱密度与lte信号的功率谱密度不得超过6db。
除了stand alone模式外，另外两种部署模式都需要考虑和原lte系统的兼容性，部署的技术难度相对较高，网络容量相对较低。
2、覆盖增强
为了增强信号覆盖，在nb－iot的下行无线信道上，网络系统通过重复向终端发送控制、业务消息（“重传机制”），再由终端对重复接受的数据进行合并，来提高数据通信的质量。
这样的方式可以增加信号覆盖的范围，但数据重传势必将导致时延的增加，从而影响信息传递的实时性。在信号覆盖较弱的地方，虽然nb－iot能够保证网络与终端的连通性，但对部分实时性要求较高的业务就无法保证了。
在nb－iot的上行信道上，同样也支持无线信道上的数据重传。此外，终端信号在更窄的lte带宽中发送，可以实现单位频谱上的信号增强，使psd（power spectrum density，功率谱密度）增益更大。通过增加功率谱密度，更利于网络接收端的信号解调，提升了上行无线信号在空中的穿透能力。
通过上行、下行信道的优化设计，nb－iot信号的“耦合损耗（coupling loss）”最高可以达到164db。
（备注： 耦合损耗，指能量从一个电路系统传播到另一个电路系统时发生的能量损耗。这里是指无线信号在空中传播的能量损耗）
为了进一步利用网络系统的信号覆盖能力，nb－iot还根据信号覆盖的强度进行了分级（ce level），并实现“寻呼优化”：引入ptw（寻呼传输窗），允许网络在一个ptw内多次寻呼ue，并根据覆盖等级调整寻呼次数。
常规覆盖（normal coverage），其mcl（maximum coupling loss，最大耦合损耗）小于144db，与目前的gprs覆盖一致。
扩展覆盖（extended coverage），其mcl介于144db与154db之间，相对gprs覆盖有10db的增强
极端覆盖（extreme coverage），其mcl最高可达164db，相对gprs覆盖强度提升了20db。
3、nb－iot低功耗的实现
要终端通信模块低功耗运行，最好的办法就是尽量地让其“休眠”。nb－iot有两种模式，可以使得通信模块只在约定的一段很短暂的时间段内，监听网络对其的寻呼，其它时间则都处于关闭的状态。这两种“省电”模式为：psm（power saving mode，省电模式）和edrx（extended discontinuous reception，扩展的不连续接收）
（1） psm模式
在psm模式下，终端设备的通信模块进入空闲状态一段时间后，会关闭其信号的收发以及接入层的相关功能。当设备处于这种局部关机状态的时候，即进入了省电模式－psm。终端以此可以减少通信元器件（天线、射频等）的能源消耗。
终端进入省电模式期间，网络是无法访问到该终端。从语音通话的角度来说，即“无法被叫”。
大多数情况下，采用psm的终端，超过99％的时间都处于休眠的状态，主要有两种方式可以激活他们和网络的通信：
当终端自身有连接网络的需求时，它会退出psm的状态，并主动与网络进行通信，上传业务数据。
在每一个周期性的tau （tracking area update，跟踪区更新）中，都有一小段时间处于激活的状态。在激活状态中，终端先进入“连接状态（connect）”，与通信网络交互其网络、业务的数据。在通信完成后，终端不会立刻进入psm状态，而是保持一段时间为“空闲状态（idle）”。在空闲状态状态下，终端可以接受网络的寻呼。
在psm的运行机制中，使用“激活定时器（active timer，简称at）”控制空闲状态的时长，并由网络和终端在网络附着（attach，终端首次登记到网络）或tau时协商决定激活定时器的时长。终端在空闲状态下出现at超时的时候，便进入了psm状态。
根据标准，终端的一个tau周期最大可达310h（小时）；“空闲状态”的时长最高可达到3．1小时（11160s）。
从技术原理可以看出，psm适用于那些几乎没有下行数据流量的应用。云端应用和终端的交互，主要依赖于终端自主性地与网络联系。绝大多数情况下，云端应用是无法实时“联系“到终端的。
（2） psm模式
在psm模式下，网络只能在每个tau最开始的时间段内寻呼到终端（在连接状态后的空闲状态进行寻呼）。edrx模式的运行不同于psm，它引入了edrx机制，提升了业务下行的可达性。
（备注：drx（discontinuous reception），即不连续接收。edrx就是扩展的不连续接收。）
edrx模式，在一个tau周期内，包含有多个edrx周期，以便于网络更实时性地向其建立通信连接（寻呼）。
edrx的一个tau包含一个连接状态周期和一个空闲状态周期，空闲状态周期中则包含了多个edrx寻呼周期，每个edrx寻呼周期又包含了一个ptw周期和一个psm周期。ptw和psm的状态会周期性地交替出现在一个tau中，使得终端能够间歇性地处于待机的状态，等待网络对其的呼叫。
edrx模式下，网络和终端建立通信的方式同样：终端主动连接网络；终端在每个edrx周期中的ptw内，接受网络对其的寻呼。
在tau中，最小的edrx周期为20．48秒，最大周期为2．91小时
在edrx中，最小的ptw周期为2．56秒，最大周期为40．96秒
在ptw中，最小的drx周期为1．28秒，最大周期为10．24秒
总体而言，在tau一致的情况下，edrx模式相比较psm模式，其空闲状态的分布密度更高，终端对寻呼的响应更为及时。edrx模式适用的业务，一般下行数据传送的需求相对较多，但允许终端接受消息有一定的延时（例如云端需要不定期地对终端进行配置管理、日志采集等）。根据技术差异，edrx模式在大多数情况下比psm模式更耗电。
4、终端简化带来低成本
针对数据传输品质要求不高的应用，nb－iot具有低速率、低带宽、非实时的网路特性，这些特性使得nb－iot终端不必向个人用户终端那样复杂，简单的构造、简化的模组电路依然能够满足物联网通信的需要。
nb－iot采用半双工的通信方式，终端不能够同时发送或接受信号数据，相对全双工方式的终端，减少了元器件的配置，节省了成本。
业务低速率的数据流量，使得通信模组不需要配置大容量的缓存。低带宽，则降低了对均衡算法的要求，降低了对均衡器性能的要求。（均衡器主要用于通过计算抵消无线信道干扰）
nb－iot通信协议栈基于lte设计，但它系统性地简化了协议栈，使得通信单元的软件和硬件也可以相应的降低配置：终端可以使用低成本的专用集成电路来替代高成本的通用计算芯片，来实现协议简化后的功能。这样还能够减少通信单元的整体功耗，延长电池使用寿命。
5、业务在核心网络中的简化
在nb－iot的核心网络（epc－ evolved packet core，即4g核心网）中，针对物联网业务的需求特性，蜂窝物联网（ciot）定义了两种优化方案：
ciot eps用户面功能优化（user plane ciot eps optimisation）
ciot eps控制面功能优化（control plane ciot eps optimisation）
（1） 用户面功能优化
“用户面功能优化”与原lte业务的差异并不大，它的主要特性是引入rrc （无线资源控制）的“挂起／恢复（suspend／resume）流程”，减少了终端重复进行网络接入的信令开销。
当终端和网络之间没有数据流量时，网络将终端置为挂起状态（suspend），但在终端和网络中仍旧保留原有的连接配置数据。
当终端重新发起业务时，原配置数据可以立即恢复通信连接（resume），以此减去了重新进行rrc重配、安全验证等流程，降低了无线空口上的信令交互量。
（2） 控制面功能优化
“控制面功能优化”包括两种实现方式（消息传递路径）。通过这两种方式，终端不必在无线空口上和网络建立业务承载，就可以将业务数据直接传递到网络中。
备注：通信系统的特性之一是控制与承载（业务）分离，直观的来说就是业务的控制消息（建立业务、释放业务、修改业务）和业务数据本身并不在同一条链路上混合传递。nb－iot的控制面功能优化则简化了这种惯常的信息业务架构。
cp模式的两种实现方式，即两种数据传递的路径：
a．在核心网内，由mme、scef网元负责业务数据的转接
在该方式中，nb－iot引入了新的网元：scef（service capa－ bility exposure function，服务能力开放平台）。物联网终端接受或发送业务数据，是通过无线信令链路进行的，而非无线业务链路。
当终端需要上传数据时，业务数据由无线信令消息携带，直接传递到核心网的网元mme（mobility management entity，4g核心网中的移动性管理实体），再由mme通过新增的scef网元转发到ciot服务平台（ciot services，也称为ap－应用服务）。云端向终端发送业务数据的方向则和上传方向正好相反。
路径：ue（终端）－mme－scef－ ciot services
b．在核心网内，通过mme与业务面交互业务数据
在该方式中，终端同样通过无线信令链路收发业务数据。对于业务数据的上传，是由mme设备将终端的业务数据送入核心网的业务面网元sgw，再通过pgw进入互联网平台；对于下传业务数据，则由sgw传递给mme，再由mme通过无线信令消息送给终端。业务数据上传和下传的路径也是一致的。
路径：ue（终端）－mme－sgw－pgw－ciot services
按照传统流程（包括用户面优化方案），终端需要和网络先建立srb（signaling radio bearer）再建立drb（data radio bearer），才能够在无线通道上传输数据。而采用控制面优化方案（cp模式），只需要建立srb就可以实现业务数据的收发。
（3）功能优化模式总结
cp方式借鉴了短距通信的一些设计思路，非常适合低频次、小数据包的上传业务，类似于短信业务。但网络中“信令面”的带宽有限，cp方式所以并不适合传递较大的业务数据包。up模式则可以满足大数据业务的传递。
不论是up模式，还是cp模式，本质上都是通过无线通信流程的简化，节省了终端的通信计算和能量消耗，提升了数据传递效率。
6、连接态的移动性管理
最初，nb－iot的规范是针对静态的应用场景（如智能抄表）进行设计和制定的，所以在rel－13版本（2016年6月）中它并不支持连接状态下的移动性管理，即不支持“无线切换”。在随后的rel－14版本中，nb－iot会支持基站小区间的切换，以保证业务在移动状态下的连续性。
part4／ nb－iot的技术特性总结
从nb－iot的特性中可以看出，其通过“信号增强”、“寻呼优化”加强了通信覆盖的深度。主要通过三个方面，来“照顾”终端对低耗电、低成本的要求：
1、引入了低功耗的“睡眠”模式（psm、edrx）；
2、降低了对通信品质要求，简化了终端设计（半双工模式、协议栈简化等）；
3、通过两种功能优化模式（cp模式、up模式）简化流程，减少了终端和网络的交互量。
这些对广域移动通信技术的“优化”设计，使得nb－iot更加适合于部分物联网的场景应用，也就是lpwa（低功耗广域网）类型的应用。并且由于引入了睡眠模式，降低了通信品质的要求（主要是实时性要求），使得nb－iot的基站比传统基站，能够接入更多的（承载lpwa业务的）终端。
采用nb－iot的终端可以在满足低功耗的需求下，用于较高密度部署、低频次数据采集的应用（包括固定位置的抄表、仓储和物流管理、城市公共设置的信息采集等），或者是较低密度部署、长距离通信连接的应用（包括农情监控、地质水文监测等）。
当然，作为一种lpwan技术，nb－iot有其固有的局限性，它显然并不适用于要求低时延、高可靠性的业务（车联网、远程医疗），而且中等需求的业务（智能穿戴、智能家居）对于它来说也稍显“吃力”。
在物联网技术生态中，没有一种通信接入技术能够“通吃”所有的应用场景，各种接入技术之间存在一定的互补效应，nb－iot能够依靠其技术特性在物联网领域中占据着一席之地。

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