1、“物联网（InternetofThings）”的差异化需求长期以来，人们通过相应的终端（电脑、手机、平板电脑等）使用网络服务，而“个人”一直是网络的主要用户。个人对网络质量的要求是“高”和“统一”的：玩网络游戏需要低延迟，下载文件或看在线视频需要高带宽，通话需要声音清晰，收到的短信不能错过。对于移动通信网络，运营商尽量保持低时延、高带宽、广覆盖、按需接入的网络特性，保证良好的用户体验，打造丰富多样的移动应用生态。对于个人通信业务，虽然用户要求高，但对网络质量的总体要求是一致的。运营商只需要建立网络质量标准体系来建设和优化网络，就可以满足大多数人的连接需求。需要。随着网络中用户终端（手机、PAD等）数量增长逐渐放缓，M2M应用成为运营商网络业务增长的驱动力，大量的M2M应用终端纷纷涌入。成为网络用户。M2M应用终端（传感设备、智能终端）本质上是物联网终端。它们通过组装无线通信模块和SIM卡连接到运营商网络，从而构建各种集中化和数字化的工业应用。与个人通信业务不同，在物联网终端构建的行业应用中，各领域应用对信息采集、传输、计算的质量要求差异很大；系统和终端部署的环境也不同，尤其是工业环境差异很大；此外，企业在构建应用时，还需要考虑技术限制（供电问题、终端体积等）和成本控制（包括建设成本和运营成本）。因此，各种行业应用都具有“个性化”的一面，使得对连接的需求向着多元化的方向发展。1、物联网业务需求的差异化体现在两个方面。一方面，不同的终端和应用对网络特性有不同的要求。传统网络特性包括：网络接入距离、上下行网络带宽、移动性支持、数据收发频率（或周期性），以及安全性和数据传输质量（完整性、稳定性、及时性等）。这些方面可以概括为三个方面，即“接入距离”、“网络特性”和“网络质量”。“接入距离”主要分为近距离接入和远距离接入。网络的“特性”和“质量”是体现需求差异的主要因素。例如，传感器终端的“网络特性”可能是：只有“上行数据”发送到云端，没有收到“下行数据”。另一方面，网络也需要“照顾”过去不被重视的终端特性，以满足各种行业应用需求：“能耗”和“成本”的控制。(1)能源消耗个人用户大部分时间都生活在宜居环境中，而智能终端无处不在，总能在人类活动环境中找到充电“电源插头”，这些终端厂商非常关注关于电池寿命。电源不敏感。与个人终端的工作环境相比，物联网终端的工作环境要复杂得多。有的物联网终端会部署在高温高压的工业环境中，有的会放置在远离城市、人烟稀少的偏远地区，有的可能会深埋在地下或溪流湖泊中。许多设备需要电池长期供电才能运行，因为地理位置和工作环境无法为其提供外部电源，更换电池的成本也高得令人望而却步。所以“低功耗”是保证其连续工作的关键要求。在很多应用场景中，一块小电池的电量就需要维持终端“终身”的能源供应。(2)成本个人终端，无论是电脑还是手机，功能丰富，计算能力强，应用广泛。通信模块只占其全部电子元器件和机械结构的一小部分，占总制造成本的比重较大。低的。由于个人终端是相对高价值的产品，用户和制造商对其通信单元的固定成本不是特别敏感。物联网终端则不同。很多没有联网功能的终端，本来就是简单的传感器设备，功能简单，成本低。与传感器设备相比，增加昂贵的通信模块可能会导致成本急剧增加。在应用场景中大量部署联网传感设备，往往需要企业下定决心增加终端成本。与之矛盾的是：简单的传感器终端上传到网络的数据量通常很小；他们连接网络的周期长（网络使用频率低）；每条上传信息的价值都很低。终端成本与信息价值不成正比，企业不愿大量部署物联网终端。如何降低这些哑终端（单传感器终端）的通信成本是一个迫在眉睫的问题。上面提到的能耗问题，如果得不到妥善解决，也会影响物联网应用的运营成本：如果终端耗电量太大，就需要不断地重新部署或更换。2.低功耗和低成本是物联网通信的主要需求。原有网络对应用不敏感。只要提供统一的优质网络通道（唯一标准），就可以满足大部分用户的需求。无论何种业务用户喜欢使用，都可以通过优质的网络质量获得通信服务，网络能够满足个人用户的大部分需求。但随着行业应用的深入，网络设计者和建设者必须关注应用和终端的差异性，即网络需要针对终端和应用做出相应的调整和适配。在前面提到的网络特性和终端特性：“距离、质量、特性”和“能耗、成本”中，这两类特性前后有着密切的关系：通信基站的信号覆盖范围越广（“距离越远”），基站和终端的功耗就越高（“高能耗”）；为了实现高质量、安全和可靠的网络服务（“高质量”），需要一个健壮的通信协议来实现错误检查、认证和重传机制1.为了建立端到端的可靠连接，保证的基础是通信模块的配置不能低（“高成本”）2.NB-IoT的发展历程运营商在推广M2M业务（物联网应用）时，发现企业的业务需求M2M不同于个人用户。企业希望建立一个集中的信息系统，与自己的资产建立长期的通信连接，便于管理和监控。这些资产往往分布在各地，数量庞大；资产上配备的通讯设备可以不具备外接供电条件（即电池供电，可以是一次性的，既不充电也不更换电池）；单个传感器终端需要上报的数据量小，周期长；企业需要低通信成本（包括通信费用和组装通信模块的成本）。上述应用场景在网络层面具有很强的统一性，因此通信领域的组织和企业希望能够对现有的通信网络技术标准进行一系列优化，以满足此类M2M业务的一致性要求。2013年，沃达丰和华为开始研究新的通信标准。起初，他们将通信技术称为“NB-M2M（机器对机器的LTE）”。2014年5月，3GPP的GERAN组建立了一个新的研究项目：“FS_IoT_LC”，主要研究新型无线接入网络系统，“NB-M2M”成为该项目的研究方向之一。后来，高通提交了“NB-OFDM”（NarrowBandOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，窄带正交频分复用）技术方案。（3GPP，“3rdGenerationPartnershipProject（第三代合作伙伴项目）”标准化组织；TSG-GERAN（GSM/EDGE无线接入网）：负责制定GSM/EDGE无线接入网技术规范）2015年5月，《NB-M2M”解决方案和“NB-OFDM解决方案”融合为“NB-CIoT”（窄带蜂窝物联网）。该方案的融合主要在于：通信上行采用FDMA多址方式，下行采用OFDM多址方式。2015年7月，爱立信联合中兴、诺基亚等公司提出了“NB-LTE”（窄带LTE）的技术方案。在2015年9月的RAN#69全会上，经过激烈的讨论和谈判，各方案的负责人对两种技术方案（“NB-CIoT”、“NB-LTE”）进行了整合，3GPP制定了统一的后续标准工作被批准。作为一个统一的国际标准，这个标准被称为“NB-IoT（NarrowBandInternetofThings，基于蜂窝的窄带物联网）”。从此，“NB-M2M”、“NB-OFDM”、“NB-CIoT”、“NB-LTE”都成为了历史。2016年6月，NB-IoT核心标准作为物联网专有协议冻结在3GPPRel-13中。同年9月完成NB-IoT性能部分标准制定。2017年1月完成NB-IoT一致性测试部分标准制定。在我看来，这些低功耗蜂窝技术“结盟”的关键不仅在于日益增长的商业需求，还有其他新兴（非授权频段）低功耗接入技术的威胁??。LoRa、SIGFOX、RPMA等新兴接入技术的出现，促进了3PGG相关成员企业和组织的集团化发展。3.NB-IoT技术特点与竞争对手一样，NB-IoT专注于低功耗和广域覆盖的通信应用。终端的通信机制比较简单，无线通信的功耗比较低。适用于小数据量、低频率（低吞吐量）的信息上传。信号覆盖范围与普通移动网络技术基本相同。业界将此类技术统称为“LPWAN技术”（LowPowerWideArea，低功耗广域技术）。NB-IoT针对M2M通信场景优化原有4G网络技术，适当平衡网络特性和终端特性，满足物联网应用需求。在“距离、质量、特性”和“能耗、成本”上，在“距离”上保证广域覆盖，在一定程度上降低“质量”（如采用半双工通信方式，不支持高-带宽数据传输），减少“特性”（例如不支持切换，即连接状态下的移动性管理）。“收缩”网络特性的好处在于，也降低了终端通信的“能耗”，可以通过简化通信模块的复杂度（如简化通信链路层的处理算法）来降低“成本”。因此，为了满足部分物联网终端的个性化需求（低能耗、低成本），网络做出了“妥协”。NB-IoT“牺牲”了部分网络特性，以满足物联网中不同的应用需求。1、部署方式为方便运营商根据自由网络的情况灵活使用，NB-IoT可以部署在不同的无线频段上，分为三种情况：独立部署（Standalone）、保护频段部署（Guardband），带内部署（Inband）。Standalone模式：使用独立的新频段或空闲频段进行部署，运营商提出的“GSM频段重耕”也属于这种模式；保护频段模式：使用LTE系统边缘的保护频段。采用这种模式需要满足一些额外的技术要求（例如，原有LTE频段的带宽必须大于5Mbit/s），以避免LTE和NB-IoT之间的信号干扰。Inbandmode：使用LTE载波中间的某个频段。为了避免干扰，3GPP要求该模式下信号的功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不超过6dB。除了Standalone模式外，其他两种部署模式需要考虑与原有LTE系统的兼容性，部署的技术难度较高，网络容量较低。2.覆盖增强为了增强信号覆盖，在NB-IoT的下行无线信道上，网络系统向终端重复发送控制和服务消息（“重传机制”），终端将重复接收到的数据组合起来，实现提高数据通信质量。这种方式可以增加信号覆盖范围，但数据重传必然导致延迟增加，从而影响信息传输的实时性。在信号覆盖较弱的地方，NB-IoT虽然可以保证网络和终端之间的连通性，但是不能保证一些实时性要求高的业务。在NB-IoT的上行信道上，也支持无线信道上的数据重传。另外，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（PowerSpectrumDensity，功率谱密度）增益更大。通过提高功率谱密度，更有利于网络接收端的信号解调，提高上行无线信号在空中的穿透能力。通过上下行通道的优化设计，NB-IoT信号的“耦合损耗”最高可达164dB。（注：耦合损耗是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，这里指的是无线信号在空中传播的能量损耗。）为了进一步利用网络的信号覆盖能力系统中，NB-IoT还根据信号覆盖的强弱进行分级（CELevel），实现“寻呼优化”：引入PTW（寻呼传输窗口），允许网络在一个PTW内多次寻呼UE，并根据覆盖级别调整寻呼次数。常规覆盖（NormalCoverage），其MCL（MaximumCouplingLoss，最大耦合损耗）小于144dB，与目前GPRS覆盖范围一致。对于扩展覆盖，其MCL在144dB和154dB之间，比GPRS覆盖强10dB。对于ExtremeCoverage，其MCL可达164dB，比GPRS覆盖高出20dB。3、NB-IoT低功耗的实现要求终端通信模块低功耗运行。最好的办法就是尽可能让它“休眠”。NB-IoT有两种模式，可以让通信模块只在约定的很短时间内监听网络的寻呼，其他时间关闭。这两种“省电”模式分别是：PSM（powersavingmode，省电模式）和eDRX（ExtendedDiscontinuousReception，扩展不连续接收）（1）PSM模式在PSM模式下，终端设备的通信模块进入空闲状态后，一段时间内，接入层的信号收发及相关功能将被关闭。当设备处于这种部分关机状态时，它进入省电模式-PSM。这样，终端可以降低通信部件（天线、射频等）的能耗。当终端进入省电模式时，网络无法接入终端。从语音通话的角度来看，就是“无法被呼叫”。大多数情况下，使用PSM的终端99%以上的时间都处于休眠状态。激活与网络通信的方式主要有两种：当终端自身需要连接网络时，会退出PSM状态，主动与网络通信上传业务数据。在每个周期性的TAU（TrackingAreaUpdate，跟踪区域更新）中，都有一小段时间处于活跃状态。在激活状态下，终端首先进入“连接状态（Connect）”，与通信网络交换自己的网络和业务数据。通信完成后，终端不会立即进入PSM状态，而是会保持一段时间的“空闲状态（IDLE）”。在空闲状态下，终端可以接受来自网络的寻呼。在PSM的运行机制中，“活动定时器（AT）”用于控制空闲状态的持续时间，由网络附着时网络与终端协商确定（Attach，终端注册到网络）或TAU激活定时器的时间。当空闲态AT超时时，终端进入PSM状态。按照标准，终端一个TAU周期可达310H（小时）；“空闲状态”的持续时间最长可达3.1小时（11160秒）。从技术原理可以看出，PSM适用于几乎没有下行数据流量的应用。云应用与终端的交互主要依赖于终端与网络的自主连接。大多数情况下，云应用无法实时“联系”到终端。(2)PSM模式PSM模式下，网络只能在每个TAU的初始时间内寻呼终端(寻呼是在连接态之后的空闲态进行的)。eDRX模式的操作不同于PSM。引入eDRX机制，提高下行业务的可及性。（备注：DRX（DiscontinuousReception），即非连续接收，eDRX是非连续接收的扩展。）eDRX模式，在一个TAU周期内，包含多个eDRX周期，网络可以更实时地与其建立通信方式连接（寻呼）。eDRX的一个TAU包括连接态周期和空闲态周期，空闲态周期包括多个eDRX寻呼周期，每个eDRX寻呼周期包括一个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，使终端间歇性地处于待机状态，等待来自网络的呼叫。eDRX模式下，网络与终端建立通信的方式相同：终端主动连接网络；终端在每个eDRX周期的PTW内接受来自网络的寻呼。在TAU中，最小eDRX周期为20.48秒，最大周期为2.91小时在eDRX中，最小PTW周期为2.56秒，最大周期为40.96秒在PTW中，最小DRX周期为1.28秒，***周期是10.24秒。一般来说，在TAU一致的情况下，eDRX模式比PSM模式有更高的空闲状态分布密度，终端响应寻呼更及时。eDRX模式适用的业务一般需要下行数据传输相对较多，但允许终端接收消息有一定的延迟（例如云端需要时不时对终端进行配置管理和日志收集）).根据技术差异，在大多数情况下，eDRX模式比PSM模式更耗电。4、终端简化带来低成本。对于对数据传输质量要求不高的应用，NB-IoT具有低速率、低带宽、非实时网络的特点。这些特性使得NB-IoT终端不像单个用户终端那么复杂。简单的结构和简化的模块电路仍然可以满足物联网的通信需求。NB-IoT采用半双工通信方式，终端不能同时发送或接收信号数据。与全双工终端相比，减少了元器件配置，节约了成本。业务的低速率数据流使得通信模块无需配置大容量缓存。低带宽降低了对均衡算法和均衡器性能的要求。（均衡器主要是通过计算来抵消无线信道干扰）NB-IoT通信协议栈是基于LTE设计的，但是系统地简化了协议栈，使得通信单元的软硬件也可以减少配置相应地：终端可以用低成本的专用集成电路代替高成本的通用计算芯片，实现协议的简化功能。这也可以降低通信单元的整体功耗并延长电池的使用寿命。5、核心网业务简化在NB-IoT核心网（EPC-EvolvedPacketCore，即4G核心网）中，根据物联网业务的需求特点，蜂窝物联网（CIoT）定义两种优化方案：CIoTEPS用户面功能优化（UserPlaneCIoTEPSoptimization）CIoTEPS控制面功能优化（ControlPlaneCIoTEPSoptimization）（1）用户面功能优化“Userplanefunctionoptimization”和原来的没有太大区别LTE服务，其主要特点是引入了RRC（RadioResourceControl）“挂起/恢复（Suspend/Resume）过程”，减少了终端重复入网的信令开销。当终端与网络之间没有数据流时，网络将终端置于挂起状态（Suspend），但终端与网络之间仍保留原有的连接配置数据。当终端重新发起业务时，原有的配置数据可以立即恢复通信连接（Resume），从而无需重新进行RRC重配置、安全验证等过程，减少了无线上的信令交互量空中接口。（2）控制平面功能优化“控制平面功能优化”包括两种实现方式（消息传输路径）。通过这两种方式，终端可以直接向网络传输业务数据，而无需在无线空口上与网络建立业务承载。备注：通信系统的特点之一是控制与承载（服务）分离。直观地说，服务的控制消息（建立服务、发布服务、修改服务）和服务数据本身并不是在同一个链路上混合传输的。NB-IoT控制面功能的优化，简化了这种通常的信息服务架构。CP模式的两种实现方式，即两条数据传输路径：A.在核心网中，MME和SCEF网元负责业务数据的传输。在这种方式中，NB-IoT引入了新的网元：SCEF（ServiceCapabilityExposureFunction，服务能力开放平台）。物联网终端通过无线信令链路而不是无线业务链路接收或发送业务数据。当终端需要上传数据时，业务数据由无线信令消息携带，直接传输给核心网的网元MME（MobilityManagementEntity，4G核心网中的移动性管理实体），再由MME通过新添加的SCEF网络元素转发到CIoT服务平台（CIoTServices，也叫AP-applicationservice）。云端向终端发送业务数据的方向与上传的方向刚好相反。路径：UE（终端）-MME-SCEF-CIoTServicesB。在核心网，通过MME与业务面交换业务数据。在这种模式下，终端也通过无线信令链路发送和接收业务数据。对于业务数据的上传，MME设备将终端的业务数据发送给核心网的业务面网元SGW，再通过PGW进入互联网平台；对于下行业务数据，SGW将业务数据传输给MME，MME再通过无线信令消息发送给终端。上传和下载业务数据的路径也是一样的。路径：UE（终端）-MME-SGW-PGW-CIoTServices按照传统流程（包括用户面优化方案），终端需要先与网络建立SRB（SignalingRadioBearer），再建立DRB（DataRadioBearer）才可以通过无线信道传输数据。而如果采用控制面优化方案（CP方式），只需要建立SRB即可实现业务数据的收发。(3)功能优化模式总结CP模式借鉴了一些近距离通信的设计思想，非常适合上传频率低、数据包小的业务，类似短信业务。但是网络中“信令面”的带宽是有限的，CP方式不适合传输大的业务数据包。UP模式可以满足大数据业务的交付。无论是UP模式还是CP模式，无线通信过程的简化从本质上节省了终端的通信计算和能耗，提高了数据传输效率。6.连接状态下的移动性管理NB-IoT规范最初是针对静态应用场景（如智能抄表）设计制定的，因此在Rel-13版本（2016年6月）中不支持。不支持连接状态下的移动管理，即“无线切换”。在后续的Rel-14版本中，NB-IoT将支持基站小区间的切换，保证移动状态下业务的连续性。4.NB-IoT技术特点总结从NB-IoT的特点可以看出，它通过“信号增强”和“寻呼优化”来加强通信覆盖的深度。主要通过三个方面，来“照顾”终端对低功耗和低成本的需求：引入低功耗“休眠”模式（PSM、eDRX）；降低对通信质量的要求，简化终端设计（半双工模式、协议栈简化等）；通过两种功能优化模式（CP模式、UP模式）简化流程，减少终端与网络的交互量。这些针对广域移动通信技术的“优化”设计，使得NB-IoT更适合一些物联网场景，即LPWA（低功耗广域网）类型的应用。并且由于睡眠模式的引入，降低了对通信质量的要求（主要是实时性要求），使得NB-IoT基站可以接入比传统基站更多的终端（承载LPWA业务）。使用NB-IoT的终端可用于更高密度部署和低频数据采集应用（包括固定地点抄表、仓储物流管理、城市公共设置信息采集等），同时满足低功耗要求，或低密度部署和远距离通信连接的应用（包括农业监测、地质和水文监测等）。当然，作为一种LPWAN技术，NB-IoT有其先天的局限性。它显然不适合要求低时延和高可靠性的服务（车联网、远程医疗），中等需求的服务（智能穿戴、智能家居）对它来说也有点“吃力”。在物联网技术生态中，没有一种通信接入技术可以“通吃”所有应用场景，各种接入技术之间存在一定的互补作用。NB-IoT在物联网领域可以凭借其技术特性。占地方。【本文为专栏作家汪峰原创文章，转载请联系作者获得授权】点此阅读更多该作者好文
