一文了解NB- IoT四大關鍵特性以及實現技術

在物理層， NB- IoT 叫窄帶蜂窩物聯網，那么它的窄帶體現在哪里呢？就是這個180KHz，它僅相當于是4G保護帶寬的寬度。 我們知道 ，NB- IoT 網絡是基于4G網絡演進過來的，所以它在上行和下行的復用技術上還是沿用了4G的OFDMA和SC-FDMA。雖然NB- IoT 的設計是基于4GLTE的，但是由于初衷不一樣，因為4G的設計是為了高速率高帶寬的需求，而NB- IoT 的設計目的卻是低速率。

所以在具體的技術實現上，NB- IoT 也精簡掉了很多不必要的部分。比如說物理信道和物理信號的部分，為了減少實現的復雜性，NB- IoT 在上行只有兩種物理信道和一種物理信號，在下行就只有三種物理信道和兩種物理信號。進行信道和信號精簡的主要目的就在于達到廣覆蓋，低功耗和低成本的目的。

在接下來的 內容 當中， 我 將介紹介紹NB- IoT 的四大關鍵特性以及特性當中所包含的 實現技術。

關鍵特性一?? 超低成本

1 .1 部署方式

在上文中提到過，NB- IoT 的其中一個特點就是它可以直接部署在運營商已有的網絡中，以此來達到低成本的目的。NB- IoT 一共有三種部署方式，第一種是獨立部署， 獨立部署 的意思是NB- IoT 可以不依靠現有的LTE網絡，完全獨立出來。所以這種方式適用于GSM頻段的重耕，因為GSM的信道帶寬是200KHz，把NB- IoT 的180KHz帶寬放進去綽綽有余。

圖 1 獨立部署

第二種叫做保護帶部署，正如上文中描述的，NB- IoT 的窄帶到底有多窄呢？它窄到可以部署在現有4G頻段的保護帶寬上面，這樣的話原本不用的這一部分資源就可以重新被利用起來了。

圖 2 保護帶部署

第三種是帶內部署，它可以直接部署在4G的頻帶內，學過通信的讀者應該會知道，在4G網絡內，頻域和時域被劃分為了一個個小的資源塊，同時因為NB- IoT 的設計是基于4G的，所以它在進行網絡設計的時候和4G是完全契合的，4G的每個 小資源塊 的帶寬是180KHz，這也就是NB- IoT 的系統帶寬是180KHz的原因。所以，不管采用哪一種方式部署，NB- IoT 都不會依賴任何系統的信號資源。

圖 3 帶內部署

以上就是在部署方式上，NB- IoT 做到低成本的一個原因。另外需要讀者了解的是，現如今由于技術上的限制，NB- IoT 還無法部署在LTE系統的帶內以及保護帶上，所以 獨立部署 仍然為現階段NB- IoT 網絡主要的部署方式。

1.2芯片設計

除此之外在芯片的設計上通過對一部分功能進行簡化來達到低成本的一個目的。華為通過單天線和半雙工和其他的一系列處理設計了專門用于物聯網的Boudica150芯片，因為對于NB- IoT 來講，單天線和FDD半雙工就已經足夠滿足物聯網的通信需求了，基于這樣的設計，對于NB- IoT 的模組來說，又降低了非常多的成本。

關鍵特性二? ? 超低功耗

NB- IoT 為了場景需要，設計了兩種獨特的模式，一種是 eDRX 另一種是PSM。在描述 eDRX 模式之前，讀者們首先需要了解DRX模式。DRX這種方式，是廣泛應用在手機里的一種尋呼方式。可以想一下，如果在最理想的情況下，有人想要給你打電話，以什么樣的方式手機才能保證一定能監聽到這個尋呼的信息呢？相當于就需要手機每時每刻都在等著被尋呼，就像是在上課的時候聚精會神的同學，一直等著老師點名叫他回答問題。

圖 4 模式工作原理

但是，對于手機來講，如果每時每刻都要等著被尋呼的話，是非常耗電的。所以，研發人員就研究出了DRX，不連續接收（ DiscontinuousReception ）的這樣一種方法。它的原理如圖5-7所示，圖上藍色的脈沖，代表的就是手機在進行尋呼，在每次尋呼之后，手機會休息一下進入IDLE態，進入IDLE態后手機會關閉接收機就相當于是同學們在上課的時候打了個盹。在DRX模式下，手機每次尋呼的間隔，就叫做DRX周期，這個DRX周期可以是1.28s，2.56s，5.12s或者是10.24s。

圖 5 eDRX 模式工作原理

但是對于物聯網設備來講，這個模式仍然不能滿足它們所需要的低功耗，因為DRX模式是廣泛使用在手機上的模式。但是手機的耗電情況同樣也是比較高的 ，就算是只拿手機打電話發短信，也得要一天或者兩三天充一次電。但是物聯網設備所需要的是幾年甚至十幾年充一次電。所以基于DRX這種模式，經過不斷改良就研究出了 eDRX 模式，也就是 擴展非 連續性接收（ ExtendedDRX ）。

就如同圖5-8所描述的，它在DRX的基礎上，設計了一個PTW尋呼時間窗口，在每個窗口時間內，物聯網設備會尋呼三次，每次尋呼的間隔還是 跟之前 的DRX周期一樣。但是每三次尋呼后，它會進入較長時間的休眠，也就是 eDRX 周期，這個時間最長可以達到2.92h。但是具體的時長，運營商會根據物聯網設備和所需數據的實際情況進行設置，所以說在這一方面也可以體現出該模式的靈活性。

圖 6 PSM模式工作原理

也許， eDRX 的這種模式對于有些物聯網設備來說功耗仍然不夠低，所以就有另一種模式，叫做PSM（ PowerSavingMode ，省電模式）。簡單來說就是把休眠的周期延的更長了，由圖5-9可知，休眠態最長可以被延長到310小時，差不多就是13天左右。雖然PSM模式所能達到的休眠時間非常長，但是也是會有一些缺點：在PSM模式下，應用層的業務平臺如果給終端下達指令的話，終端是不會接收到這些指令的，這些指令會暫時被保存在物聯網平臺里，等待終端被喚醒后再被發送出去。也就是說當設備進入PSM模式的休眠態時，平臺層所下發的指令無法將設備喚醒，只有當設備到時間之后自己將自己喚醒了之后，平臺側得知該設備已經上線，才能將命令下發。

所以這些不同的模式對應的就是物聯網中的不同場景需求，比方說共享單車這一應用場景就應該使用DRX模式，因為如果是 eDRX 模式的話也許就需要用戶站在單車前等了五分鐘它才能自動開鎖。 eDRX 模式就可以用在物流監控等場景中，因為貨物在運輸時并不需要實時去監控，只要隔一段時間去確定一下位置就可以了。PSM模式可以用在遠程水表，電表上，因為這些表上的數據沒 必要每天 去抄一次，可能半個月左右去檢查一下數據就可以了，所以說NB- IoT 低功耗的不同模式是與場景息息相關的。開發者需要根據不同的應用場景靈活地去選擇不同的低功耗模式。

關鍵特性三?? 超強覆蓋

NB- IoT 在覆蓋范圍方面的設計目標是在GPRS的基礎上覆蓋增強20dB，如果將這個數據換個角度進行呈現，就相當于NB- IoT 的覆蓋會是GPRS的三倍，并且能夠比GPRS多穿透兩堵墻。其中NB- IoT 達到超強覆蓋的原理是什么樣的呢？其中上行和下行就要分開來進行描述了。從下行來看，它主要是以重復發送的方式增強傳輸的可靠性來獲得更大的增益。

圖 7 功率譜密度提升

就上行來講，它主要被分為兩方面，其中之一與下行相同，是通過重復發送的方式來擴大增益。另一方面是通過NB- IoT 的一個特點：該技術可以采用單子載波進行傳輸，也就是15KHz的子載波。這一點和4G不一樣，4G網絡將頻譜資源在時域和頻域上進行了劃分，每次進行傳輸最少也需要傳180KHz。如圖5-10所示，在傳輸功率相同的情況下，數據在窄帶下傳輸的增益更大。以上就是NB- IoT 達到廣覆蓋的原因。

關鍵特性4? 超大連接

最后一個特性是超大連接，那么它的原理又是什么呢？讀者們可以想一下，物聯網終端的話 務 模型和手機有什么樣的區別呢？其實是在于物聯網的終端很多，但是每個終端發送的數據包很小，而且對待時延要求也不敏感。但是對于手機來講，它在一個基站區域范圍內只能擁有有限的用戶的原因就在于手機所使用的4G基站需要保證基站范圍內的所有用戶的通信質量，所以每一個設備都必須以高質量通信進行接入。但是對于物聯網設備來講，它對通信的質量要求并沒有那么高，所以這就意味著在相同的基站范圍內它就可以接入更多的終端，這樣就可以讓50k 個 物聯網設備容納在一個基站范圍內，因為其中有大量的設備是處于休眠狀態的。

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