物聯網通信技術最全科普！你一定要了解的NB-IoT

摘要： NB-IoT（窄帶蜂窩物聯網）產業正在迅速崛起，

我們這一期的文章主要是普及一些NB-IoT通信技術的相關知識點，也希望你能get到屬于自己的知識盲點！

一、前言

NB-IoT（窄帶蜂窩物聯網）產業正在迅速崛起，該技術在有效地提供深度室內覆寫的同時，可以支持大量的低吞吐率、超低成本設備連接，并且具有低功耗、優化的網路架構等獨特優勢，

二、NB-IoT產業發展

1.未來IoT連接應用分類

高速率需求（>10Mbps）

視頻監控

電子廣告牌

車聯網

...

主要技術 ——3G：HSPA/EVDO/TDS 4G：LTE/LTE-A Wi-Fi802.11

中速率需求（～1Mbps）低功耗

電梯衛士

可穿戴設備

健康檢測

...

主要技術 ——MTC/eMTC2G:GPRS/CDMAK1X

低速率需求（<100kbps）深覆寫 低功耗 低成本

傳感器，抄表

資產跟蹤

智能停車

智慧農業

...

主要技術——NB-IoT SigFox LoRa 短距無線，如ZigBee

2.大多數運營商選擇NB-IoT作為首個蜂窩物聯網

NB-IoT First+eMTC

eMTC First+NB-IoT

LoRA First+eMTC

3.運營商NB-IoT頻譜選擇策略

APT700

Telefonica

etlsalat

800M

vodafone Telefonica T SFR TELECOM orange TDC etlsalat TURKCELL

850M

U+ 中國電信 TELUS BELL KDDI

900M

T Telefonica NS 移動 聯通 SoftBank KT AIS Ture

1800M

聯通 KT STC

4.Boudica:全球第一款NB-IoT芯片

SOC：BB+RF+PMU+AP/SP/CP+eFlash+SRAM

Three ARM Cores：AP+CP+SP

芯片：華為 Quallcom Seauans nordic rdx

模組：blox Quectel Telit gemalto sierra simcom

5.NB-IoT正在全球飛速發展

歐洲：一排運營商領跑

中國：3大運營商快速部署

日本&韓國 澳大利亞 中東 非洲

二、NB-IoT架構與協議演進

1.NB-IoT解決方案總體架構

2.NB-IoT技術優勢

不同無線物聯網接入技術對比

Wi-Fi UMTS/LTE Bluetooth ZigBee（短距低速） GSM LPWA（長距低速）

NB-IoT 相對短距通信、私有技術優勢明顯

國際標準 NB-IoT 可與現蜂窩網融洽演進的低成本電信級高可靠、高安全性廣域物聯網技術

私有技術

LoRa

需獨立建網、無執照波段的高風險局域網物聯技術

Sigfox

不適配國內無執照波段、由Sigfox建網與運營商合作的高成本高風險的物聯網技術，

3.NB-IoT標準演進

2014年5月 3GPP R13

2015年5月 NB CIoT

2015年9月 NB-IoT Work Item

2016年6月 NB-IoT 標準凍結

2017年Rel-14 特性增強

2020年Rel-16 持續演進

4.NB-IoT標準介紹

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆寫物聯網（IoT）市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術，相關主要協議如下：

5.NB-IoT物理層介紹

物理層設計

系統帶寬:180kHz

下行技術：OFDMA ，子載波間隔達15KHz，共12個子載波

上行技術：SC-FDMA（單載波頻分多址）

物理信道與物理信號

為了減少實作的復雜性，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，

兩種上行物理信道

NPUSVCH（窄帶物理上行共享信道）

NPRACH（窄帶物理隨機接入信道）

一種上行物理信號

NDMRS（窄帶參考信號）

三種下行物理信道

NPBCH（窄帶物理廣播信道）

NPDCCH（窄帶物理下行控制信道）

NPDSCH（窄帶物理下行共享信道）

兩種下行物理信號

NRS（窄帶參考信號）

NSS（窄帶同步信號）

總之，NB-IoT的物理信道通過降低目標速率、多次傳輸、采用低階調制方式等措施，以達到增加覆寫、降低成本、降低功耗的目的，

6.NB-IoT部署方式介紹

NB-IoT支持基于目前LTE制式平滑演進，并根據不同運營商的需求，支持靈活的頻段部署，

獨立部署

保護帶部署

帶內部署

三、NB-IoT關鍵技術介紹

超低功耗

PSM省電模式：激活態（資料傳送） 空閑態（尋呼監控） 休眠態

eDRX擴展非連續接收——3GPP協議定義空閑態eDRX功能，將尋呼周期從傳統的2.56秒擴展到最大2.92小時，減少空閑態UE周期監聽尋呼信道的次數，能長時間處于低功耗深睡眠狀態，節省UE耗電，

超低成本

終端芯片低至$1

低成本芯片關鍵技術

180kHz窄帶寬，基帶復雜度低，

低采樣率，快取Flash/RAM要求小（28kByte）

單天線，半雙工，RF成本低，

峰均比低，功放效率高，23dBm發射功率可支持SoC內置功放PA

協議堆疊簡化（500kByte），減少片內FLASH/RAM，

超強覆寫

相對GSM/LTE覆寫增益高20dB

NB-IoT是GRPS3倍覆寫距離

LTEMCL=142.7

GSM MCL=144

NB-IoT MCL=164

功率譜密度提升

深覆寫解決方案

提升11dB增益

180KHz——15KHz

覆寫對比

比GPRS多穿透兩堵墻

重復發送

提升9dB下行增益

提升12dB上行增益

超大連接：50k+用戶容量*/200kHz小區

50k+用戶容量*/200kHz小區

時延不敏感 50k設備/小區 15分鐘-1天

關鍵技術1:上行業務調度單元NB-IoT：15kHz，LTE：180kHz

關鍵技術2: 減小空口信令開銷

關鍵技術3: PSM/eDRX降低了每個設備的資源使用情況

關鍵技術4:基站優化

獨立的準入擁塞控制

終端背景關系資訊存盤

關鍵技術5:核心網優化

終端背景關系存盤

下行資料快取

四、行業應用

1.NB-IoT應用案例推薦

水表

三川水表，寧波水表，匯中水表

氣表

金卡氣表

電表

華立電表

智能停車

方格爾，Q-Free，創泰科技

智能路燈

中微光電子，浙大網新易盛

手環/寵物環

歐孚

空氣檢測

iRex

煙感器

上海昊想

共享單車

ofo

2.NB-IoT為水務提供智能抄表

深圳水務的訴求

智能抄表 抄表到戶

管網監測 減少漏損

例外提醒：小流量、高流速、大流量

深圳水表存量 存量水表：220萬

深圳水務的商業價值

減少漏損13%--10% 1400萬噸 ￥3200萬/年

減少人工210人 ￥1500萬/年

電信云服務價值

電信云更安全

端到端自動化

可信賴云服務

運營商的商業模式

應用

連接

海量水表連接

提升抄表成功率

延長電池使用壽命

連接

水表

3.NB-IoT助力共享單車運維

地圖搜索——單車查找——掃二維碼——遠程開鎖——騎行計費——關鎖支付

機械鎖

固定密碼，密碼共享，造成免費使用，導致使用單車費用流失

定位缺失，存在單車偷盜風險

GPRS電子鎖

電子鎖成本高

一代單車使用電機，前30分鐘5公里充電騎車滯澀，體驗差

二代Lite使用太陽能電池板，受到外來因素（天氣、遮擋）影響

NB-IoT鎖

內置13000mAh電池供電2年

20db覆寫增益確保 遠程開車、定位等業務的通信

共享經濟創新

無樁

確定位置

遠程開鎖

移動支付

供電

運營商業務模式

服務

云服務 IoT平臺

能力開放：例如后付費用戶免身份認證/押金

云服務：行業云應用部署、資料存盤

物聯網平臺：保障千萬級并發業務；鎖的設備管理

連接

保障開鎖成功率和電池壽命

鎖

NB-IoT模組

單車

4.NB-IoT助力白色家電全生命周期管理

業務痛點

貨物分發 區域串貨

貨物交付 Wi-Fi配置

設備維護 設備聯網

端到端白電生命周期管理

設計

生產

運輸倉儲

使用

回收

白電行業

RFID 串貨引起市場混亂

Wi-Fi 家庭Wi-Fi 配置復雜 生產廠家 聯網率低

定位和電子圍欄

工廠預置通信模組

出廠連接自動激活

運營商商業模式

服務

資料流量 資料存盤 主機服務 其它服務

IoT平臺

設備管理 地理位置 電子圍欄 大資料分析

連接

低功耗 廣覆寫 跟蹤定位 監控和控制

家電

5.智能煙感：提高消防監控覆寫

83.7%火災 九小場所 小醫院/幼兒園/小商店/小餐飲場所/小旅館/小歌舞娛樂場所/小網吧/小美容洗浴場所/小生產加工企業

200萬 獨立煙感 上海市圍欄5年獨立煙感空間

即插即用，低維護成本

電池功耗：2Ah電池支持2年應用

上報資料：告警信號

話務模型：4小時1條，每條資料量<20位元組

小商鋪等火災高危區

政府高度關注

復雜場景難以布電力線，需要無線高質量、高可靠性連接

6.智能路燈：基于云服務，創造連接plus價值

從傳統組控升級到智能單燈控制

10%電力節約，50%維護成本節約

傳統群組控制

智能路燈單燈控制

遠程控制每路燈開關 遠程配置路燈開/關、明亮度 實時獲取路燈狀態 遠程故障排除 遠程軟體升級

最佳路燈控制解決方案

PLC 電力線組網

電纜要求高，施工難度大

電力線傳輸干擾嚴重

傳輸距離有限，需密集布放

資料上報失敗率可達20%

存在資料錯誤、難以矯正

ZigBee 兩跳組網

兩跳組網成本高

ZigBee傳播距離短、干擾嚴重

Mesh組網容量受限（超過200盞等有廣播風暴）

NB-IoT—跳組網

易部署易維護

高可靠電信網路

低成本（5$終端模組）

7.NB-IoT智能環境監測

公眾對環境的需求在不斷提升

空氣污染成為中國城市發展的重大問題

政府大力投入 北京2017年大氣污染治理預算1882.2億，較2016增長10%

民眾環保意識增強

目前環境監測點的痛點

專業設備數量少，監測范圍有限 建站成本高，站點獲取困難

普通設備聯網不方便

環境部門智能環境監測

引電成本

部署成本

部署周期

中小企業及家庭

對一站式空氣檢測（從設備到應用）服務的需求

多種引數（PM2.5，甲醛，苯等等）

運營商商業模式

服務

面向政府環保部門

面向中小企業及家庭

IoT平臺

為政府用戶提供IoT云平臺及網路連接服務，進行環境監測器管理，與專業應用集成對接

為中小企業及家庭用戶提供一站式服務：應用APP 管理服務 網路連接 空氣監測設備

連接

環境監測器

集成NB-IoT模組的設備可選

整個服務可以作為運營商云服務的一部分，為最終用戶打包提供

五、NB-IoT網路結構

1.NB-IOT 網路部署方案

NB-IoT UE

NB-IoT RAN

SGW (Serving GateWay)

PGW (PDN Gateway)

MME (Mobility Management Entity)

HSS/PCRF (Home Subscriber Server /Policy and Charging Rules Function)

IoT Platform

Application Platform

C-SGN (Cellular Serving Gateway Node)

2.NB-IOT 網路結構模式

UE就是NB-IoT設備

UE的資料上傳到應用服務器：
A.CP模式

1）.UE-基站-MME-SCEF-應用服務器

別稱：控制面，信令無線承載面，控制面承載，法多多

專門針對NB-IoT傳輸

把用戶資料放到控制資料（具體是NAS層）里面一起發送

只支持Non-IP資料

2）.UE-基站-MME-SGW-PGW-應用服務器

別稱：控制面，信令無線承載面，控制面承載

把用戶資料放到控制資料（具體是NAS層）里面一起發送

優點：資料越少，傳輸速度越快；不用建立第三條路線

B.UP模式

UE-基站-SGW-PGW-應用服務器

別稱：用戶面，資料面，資料無線承載

用戶資料和控制資料分開發送，這個路徑只上傳用戶資料

優點：資料越多傳輸越快

基本上手機就是這個路徑

總結：NB-IoT常用路徑為CP模式中的第二種方式

六、NB-IOT 網路協議堆疊

1.NB-IoT 端到端網路協議堆疊

終端 Device/Chipset/Module

管道 Cellular Network

云端 Services Platform

業務 Vertical Service

2.NB-IoT 管道協議堆疊概覽

CP面協議堆疊

NAS （Network Attached Storage）

RRC （Radio Resource Control）

RLC （Radio Link Control）

MAC （Medium Access Control）

L1

UP面協議堆疊

Application

IP

PDCP （Packet Data Convergence Protocol）

RLC

MAC

L1

3.RRC層功能

系統訊息塊

不支持異系統重選

不支持基于RSRQ重選

不支持基于優先級重選

支持SRB1bits（CP-opt）

支持最多2個DRB（UP-opt）

支持尋呼擴展流程

4.PDCP層功能

控制面：

加密

完整性檢查

用戶面：

IP包頭壓縮

加密

排序和重復檢測

5.RLC層功能

TM（透傳模式）

AM（確認模式）

分段和重組

級聯

糾錯

重復檢測

6.MAC層功能

信道映射

上下行信道簡化

復用解復用

HARQ

單HARQ行程

只支持異步自適應重傳

調度

調度周期和資源

MCS和TBS

覆寫等級和重復次數

DRX

連接態只支持長周期DRX

空閑態和連接態eDRX

隨機接入

PRACH資源

區分覆寫等級RSRP（Reference Signal Receiving Power)

七、NB-IoT 物理幀結構

1.NB-IoT 部署方式

Standlone 部署方式

不依賴LTE，與LTE可以完全解耦 適合用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200KHz，這剛好為NB-IoT 180KHz帶寬辟出空間，且兩邊還有10KHz的保護間隔

Guardband部署方式（LTE 10M及以上帶寬）

不占LTE資源 利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊

Intraband部署方式（LTE 3M及以上帶寬）

占用LTE的1個PRB資源 可與LTE同PCI（Peripheral Component Interconnect），也可與LTE不同PCI，一般來說如果采用的是IB方式，傾向于設定為與LTE同PCI

In-Band 需要額外流出LTE CRS、PDCCH symbol的位置，每ms開銷約為28.6%

2.NB-IoT 頻譜資源

下行：占用200KHz帶寬（兩邊各留10KHz保護帶，實際占用180KHz，在LTE Inband部署時占用180KHz，即一個RB）

子載波帶寬：15KHz

子載波數量：12

上行2種帶寬

3.75Hz（功率譜更大，覆寫更好，PRACH）

Physical Random Access Channel物理隨機接入信道

UE一開始發起呼叫時的接入信道，UE接收到FPACH回應訊息后，會根據Node B 指示的資訊在PRACH信道發送RRC Connection Request 訊息，進行RRC連接的建立

15KHz（速率高、時延小，PUSCH）

Physical Uplink Shared Channel

上行2種模式

Single Tone（1個用戶使用1個子載波，低速應用）

Multi-Tone（1個用戶使用多個15KHz的子載波，速率較高應用）

3.NB-IoT 下行時域資源

一個NB-IoT無線幀長度為10ms，一個子幀長度為1ms

一個子幀包括2個時隙，0.5ms為一個時隙

4.NB-IoT 上行時域資源

上行子載波帶寬為3.75KHz時：

1RU=8ms

1無線幀=10ms=10子幀

1子幀=1ms=2時隙

1時隙=7個OFDM符號

上行子載波帶寬為15KHz時：

1RU（Resource Unit）=32ms

1無線幀=40ms=10子幀

1子幀=4ms=2時隙

1時隙=7個OFDM符號

5.NB-IoT時域資源單位（RU）

NB-IoT上行信道的基本調度資源單位為RU（Resource Unit），各種場景下的RU持續時長有所不同

PCCH： 即尋呼控制信道（Paging Control Channel） 用于傳輸尋呼訊息的下行信道，
BCCH： 廣播控制信道（Broadcast Control Channel） 用于基站向移動臺廣播公用的資訊，傳輸系統公用控制資訊
CCCH：公共控制信道（Common Control Channel） 控制信道的一種，是一種“一點對多點”的雙向控制信道，其用途是在呼叫接續階段，傳輸鏈路連接所需要的控制信令與資訊，
DCCH： 專用控制信道 （Dedicated Control Channel） 一種“點對點”的雙向控制信道，其用途是在呼叫接續階段和在通信進行當中，在移動臺和基站之間傳輸必需的控制資訊，
DTCH： 專用傳輸信道（Dedicated Transmission Channel）
PCH：尋呼信道 （Paging Channel） 用于傳送與尋呼程序相關資料的下行傳輸信道，用于網路與終端進行初始化
BCH：廣播信道（Broadcast Channel）
DL-SCH：下行共享信道 (Downlink Shared Channel）
NPBCH：窄帶物理廣播信道
NPDCCH：窄帶物理下行控制信道
NPDSCH：窄帶物理下行共享信道

NRS：窄帶參考信號
NPSS ：主同步信號
NSSS：和輔同步信號
DMRS：上行解調參考信號

上行鏈路層，NB-IoT定義了兩種物理信道：
①NPUSCH，窄帶物理上行共享信道
②NPRACH，窄帶物理隨機接入信道

八、NB-IoT 下行物理信道

1.NB-IoT 中的覆寫等級

為了兼顧覆寫深度和容量性能，將NB-IoT小區劃為為不同覆寫等級，NB-IoT支持最大3個覆寫等級，相比原制式（比如GSM）分別對應0dB/10dB/20dB覆寫增強

MCL<=144dB

144dB<MCL<=154dB

154dB<MCL<=164dB

SINR>=3.6dB

-5dB=<SINR<3.6dB

SINR<-5dB

2.NB-IoT 導頻信號（RS）

Inband 部署模式下：為了提高覆寫，新增NRS，即NB-IoT的CRS包括兩部分，一部分是原LTE CRS，另一部分是新增的NRS

在普通CP下，天線口2000和2001的參考信號在每個Slot的第6個和第7個OFDM符號處

3.NB-IoT 下行同步信號

NB-IoT 下行同步信號有2種：

主同步信號NPSS：主要用于小區檢測、子幀和符號級的同步，頻率同步

輔同步信號NSSS：用于無線幀級別的時間同步和物理小區標識（PCI）指示

4.NB-IoT 物理廣播信道NPBCH

NPBCH第一次傳輸在滿足每個無線幀的#0子幀，周期為640ms

避讓LTE傳統PDCCH資源

NPBCH被LTE-CRS和NRS打孔

5.NB-IoT 下行物理信道：PDCCH和PDSCH

NB-PDCCH和NB-PDCCH之間，通過TDM復用

覆寫等級1和覆寫等級2的NB-PDCCH之間，也可以使用FDM模式

NB-IoT PDSCH跨子幀調度

6.NB-IoT NPDCCH信道資源單位

NCCE 一個PRB對內下面6個子載波分配各NCCE0，上面6個子載波分配給NCCE1

NPDCCH format（等效于LTE中聚合等級）

7.NB-PDCCH CCE搜索空間

NB-PDCCH和LTE一樣，存在公共搜索空間和UE專用搜索空間

三類CCE搜索空間

UE專用搜索空間（USS）：用戶上下行資料傳輸調度資訊

Type1公共搜索空間（CSS1）：尋呼調度資訊

Type2公共搜索空間（CSS2）：RAR/Msg3 retransmission/Msg4 調度資訊

8.NPDSCH信道

下行采用QPSK調制方式

下行傳輸塊TB分配：

頻域12個子載波（180KHz）

時域1ms（1子幀）

下行單次調度最多分配10個子幀，承載680bits資料

九、NB-IoT上行物理信道

1.NB-IoT 上行物理信道NPRACH

NPRACH是基于跳頻以single-tone的方式傳輸的

固定為3.75KHz子載波帶寬，2種回圈前綴（CP）的長度（66.7us和266.7us）

NPRACH傳輸的前導序列Preamble由4個符號組構成，每個符號組包括1個CP和5個符號

NPRACH傳輸的前導序列Preamble可重復傳輸，用于增強覆寫

2.NPRACH信道跳頻圖案

NPRACH信道第一級跳頻的跳頻間隔是單個子載波，此種跳頻間隔應用于第1/2符號組和第3/4符號組之間

NPRACH信道第二級跳頻的跳頻間隔是6個子載波，此種跳頻間隔應用于第2/3符號組之間

NPRACH信道的重復傳輸之間采用偽隨機跳頻

3.NPUSCH Format——Format1

PUSCH Format 有兩種格式：Format1和Format2，其中Format1承載上行業務和信令，Format2承載ACK/NACK訊息

ACK (Acknowledge character）即是確認字符

NACK無應答

Format1描述如下：

子載波帶寬和調制方式:

Single-Tone

子載波帶寬3.75KHz/15KHz 調制方式：pi/2-BPSK

Multi-Tone

子載波帶寬15KHz 調制方式：QPSK

重復次數：可配置的重復次數集合{1,2,4,8,16,32,64,128}

上行資源塊RU分配：

頻域1子載波

15KHz子載波時域最大單位8ms，3.75KHz子載波時域最大32ms

1次調度最多分配10個RU，承載1000bits資料

MCS11/12只應用于Multi-Tone

4.NPUSCH Format——Format2

子載波帶寬和調制方式：

Single-Tone

RU 8ms pi/2-BPSK 38～45

Multi-Tone

RU 2ms pi/2-BPSK 0～3

重復次數：可配置的重復次數集合{1,2,4,8,16,32,64,128}

不支持Format1捎帶ACK和NACK訊息

十、NB-IoT資料配置

1.資料配置介紹

eNodeB 資料配置的兩種工具：CME和LMT

在LMT中使用MML是介紹資料配置引數的好方法

2.使用MML完成初始化配置的流程

eNodeb在發貨前，已經配置了一些默認資料

比如無線射頻資料、單板資料、RRU鏈資料等，在初始化資料配置前需要先使用MML命令清除這些默認資料

開始——洗掉原始默認資料——配置全域資料——配置設備資料——配置傳輸資料——配置無線資料——結束

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