NB-IoT協(xié)議和模組應(yīng)用詳解

什么是NB－IoT

NB－IoT是一種無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，是Narrow Band Internet of Things的縮寫，意思是窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（LPWA），窄帶只指使用的帶寬為180KHz，工作在運(yùn)營(yíng)商的授權(quán)頻段內(nèi)，技術(shù)主要貢獻(xiàn)者為華為和高通。

近兩年隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，NB－IoT在IT行業(yè)內(nèi)也被推上了風(fēng)口浪尖。NB－IoT技術(shù)是基于LTE的R13實(shí)現(xiàn)的，因此和現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)很容易兼容，在物聯(lián)網(wǎng)通信中占據(jù)著越來越重要的地位，因此三大運(yùn)營(yíng)商都在加緊NB－IoT的網(wǎng)絡(luò)部署。

NB－IoT協(xié)議的本質(zhì)是什么

當(dāng)某種資源是有限的、多個(gè)個(gè)體都需要時(shí)，為了更合理的利用資源往往會(huì)建立各種各樣的規(guī)則，在通信中，信息交互所需的傳輸介質(zhì)、傳輸時(shí)間等都是有限的，且是各通信方爭(zhēng)搶的，此時(shí)就需要建立一套通信協(xié)議即通信規(guī)則，各通信參與方為了信息交互共同遵守這種約定，以此達(dá)到在有限的資源范圍內(nèi)信息交互高有效性和高可靠性的平衡，實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)利用。

NB－IoT協(xié)議就是充分利用好寶貴的無線頻譜資源和時(shí)間資源、滿足LPWA需要而設(shè)計(jì)的一套無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)則，其作用就是為信息交互制定了一套語(yǔ)法、語(yǔ)義和時(shí)序，簡(jiǎn)單的說就是規(guī)定了通信參與方用什么語(yǔ)言交流，說的話代表什么意思、以及誰(shuí)說誰(shuí)聽、說多長(zhǎng)時(shí)間的規(guī)則。

NB－IoT的演進(jìn)過程

2013年初，華為聯(lián)合相關(guān)廠商、運(yùn)營(yíng)商開始蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的研究，命名為L(zhǎng)TE－M；

2014年5月，由華為、沃達(dá)豐、中國(guó)移動(dòng)、Orange、TelecomItaly等公司主導(dǎo)的工作組SI在3GPPGERAN立項(xiàng)，LTE－M演進(jìn)為CellularIoT，簡(jiǎn)稱CIoT；

2015年5月，華為和高通共同宣布一項(xiàng)融合解決方案，融合之后的方案叫NB－CIoT；

2015年8月，在GERANSI階段最后一次會(huì)議上，愛立信聯(lián)合中興、諾基亞、三星、Intel等提出NB－LTE的概念；

2015年9月，RAN＃68上NB－CIoT和NB－LTE兩個(gè)技術(shù)方案進(jìn)行融合行成NB－IoT；

2016年6月16日，NB－IoT的3GPP標(biāo)準(zhǔn)核心部分正式凍結(jié)，標(biāo)志著商用階段正式開始。

NB－IoT的技術(shù)特點(diǎn)

LPWA終端設(shè)備應(yīng)用時(shí)，往往存在用戶數(shù)量多且密集分布、外接電源困難、所處位置較隱蔽、成本敏感等特點(diǎn)，為了應(yīng)對(duì)這些需求，NB－IoT網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：

超低功耗：加入PSM功能，處于此模式的終端耗流在3uA左右，即便使用干電池也能驅(qū)動(dòng)模組工作10年之久；

海量連接：?jiǎn)涡^(qū)180KHz的帶寬可支持10萬(wàn)用戶接入，是LTE連接數(shù)的數(shù)千倍；

深度覆蓋：NB－IoT支持0、1、2三個(gè)CE Level（覆蓋增強(qiáng)等級(jí)），分別對(duì)應(yīng)可以對(duì)抗144dB、154dB、164dB的信號(hào)衰減，相比GSM和LTE提高了20dB，覆蓋面積提升了100倍，同等條件下NB－IoT能提供更深的覆蓋；

超低成本：通過簡(jiǎn)化協(xié)議、去掉對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用意義不大的功能等方式降低終端的制造難度和成本，目前已降至3美元以內(nèi)，未來可降至1美元以內(nèi)；

低速率：LPWA應(yīng)用時(shí)多傳輸控制類參數(shù)，數(shù)據(jù)量小、通信頻次低、時(shí)延不敏感，因此NB－IoT網(wǎng)絡(luò)將業(yè)務(wù)時(shí)延放寬到了10s；

上行為主：與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)以“人”的連接不同，物聯(lián)網(wǎng)以“物”的應(yīng)用多以上行數(shù)據(jù)為主，因此NB－IoT的流量模型是以上行為主的；

半雙工：NB－IoT采用的是FDD模式，通信時(shí)采用的是半雙工，半雙工所需的元件成本更低，且可降低電量功耗，進(jìn)一步壓縮了終端的成本和耗電量；

ST／MT兩種模式：Single Tone（單頻）模式下，可以同時(shí)為更多的用戶提供業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)，能提供上行15kbps左右的傳輸速率；Multiple Tone（多頻）模式下能充分利用頻譜資源，提升用戶傳輸速率，能為用戶提供上行62kbps左右的傳輸速率；NB－IoT上行支持3.75kHz和15kHz兩種子載波空間，其中MT模式下必須為15kHz；

不支持小區(qū)切換：物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景中，終端多為靜止?fàn)顟B(tài)，通過去除復(fù)雜的切換功能能進(jìn)一步降低能耗、減少終端復(fù)雜度；

三種部署方式：獨(dú)立部署占用200kHz帶寬，適用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200KHz，這剛好為NB－IoT 180KHz帶寬辟出空間，且兩邊各有10KHz的保護(hù)間隔；LTE帶內(nèi)部署占用180KHz帶寬，可利用LTE載波中間的任何資源塊實(shí)現(xiàn)；LTE保護(hù)帶部署占用180KHz帶寬，利用LTE邊緣保護(hù)頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊進(jìn)行部署。

總而言之，NB－IoT是“懶”、“簡(jiǎn)”、“慢”、“廉”、“多”為特點(diǎn)的LPWA通信協(xié)議技術(shù)。

NB－IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

終端與基站之間為無線傳輸，單小區(qū)總帶寬為180KHz，上行采用3.75KHz子載波時(shí)最大支持48個(gè)終端同時(shí)上傳數(shù)據(jù)，采用15KHz子載波時(shí)最大支持12個(gè)終端同時(shí)上傳數(shù)據(jù)，支持最多600個(gè)左右的終端處于激活態(tài)（不進(jìn)行數(shù)據(jù)交互），支持10萬(wàn)個(gè)終端在網(wǎng)絡(luò)中注冊(cè)（終端處于PSM態(tài)）。

為避免終端并發(fā)數(shù)過高導(dǎo)致?lián)砣?，高并發(fā)可能導(dǎo)致用戶數(shù)據(jù)傳輸延遲甚至丟失，因此應(yīng)盡量避免高并發(fā)產(chǎn)生，需要增加錯(cuò)峰機(jī)制，比如數(shù)據(jù)交互時(shí)刻采用北京時(shí)間加隨機(jī)數(shù)等方式。

NAT IP老化是什么

IPV4的地址總共是32位，因此其最多能產(chǎn)生2的32次方個(gè)地址，即最多42.9億多一點(diǎn)的IP數(shù)量，總量本就不多，有些IP段又是特殊用途不能開放，再加上前期分配時(shí)IP地址浪費(fèi)嚴(yán)重，因此上世紀(jì)90年代前后開始意識(shí)到IP地址將要被分配完的問題，為了減緩IP地址不足的問題，NAT（Network Address Translation，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）應(yīng)運(yùn)而生，其基本思想是區(qū)分公網(wǎng)和局域網(wǎng)，預(yù)留三段公網(wǎng)不能使用的IP地址在局域網(wǎng)內(nèi)使用，局域網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)終端收發(fā)數(shù)據(jù)采用預(yù)留的IP地址，局域網(wǎng)內(nèi)的終端與公網(wǎng)通信時(shí)，在局域網(wǎng)的出口處將源IP更改為公網(wǎng)IP，并記錄對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)公網(wǎng)訪問局域網(wǎng)內(nèi)的終端時(shí)，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系將目的地址更改為對(duì)應(yīng)終端的私網(wǎng)地址即可，此機(jī)制一個(gè)局域網(wǎng)僅需少量的IP甚至是一個(gè)IP就可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的終端與公網(wǎng)進(jìn)行通信。

但這種機(jī)制的缺點(diǎn)也很明顯，首先是公網(wǎng)地址設(shè)備不能主動(dòng)與局域網(wǎng)內(nèi)的終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，需要局域網(wǎng)內(nèi)的用戶先發(fā)起一次通信生成公網(wǎng)IP與私網(wǎng)IP對(duì)應(yīng)關(guān)系后才能相互通信；其次由于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互非常頻繁，因此IP對(duì)應(yīng)關(guān)系記錄表很容易積累的非常大導(dǎo)致無法存儲(chǔ)，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)，多使用動(dòng)態(tài)NAT機(jī)制，當(dāng)規(guī)定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)公網(wǎng)設(shè)備與局域網(wǎng)設(shè)備沒有再進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，此IP對(duì)應(yīng)關(guān)系表將會(huì)被刪除，導(dǎo)致公網(wǎng)不能主動(dòng)發(fā)數(shù)據(jù)到終端。

對(duì)抗NAT IP對(duì)應(yīng)關(guān)系表老化問題的方式就分為兩種，①開通GRE隧道，使用專用APN；②終端在IP對(duì)應(yīng)關(guān)系表老化前發(fā)一次數(shù)據(jù)到公網(wǎng)，即發(fā)送心跳包。使用GRE隧道卡的方式終端只需關(guān)閉PSM和eDRX即可，使用心跳包則有可能導(dǎo)致高并發(fā)，兩種方式終端均無法進(jìn)入PSM態(tài)，功耗會(huì)增加，尤其是心跳包的形式，功耗增加尤為明顯。

在實(shí)際應(yīng)用中，如有條件，可采用終端平時(shí)處于休眠模式，需要接收公網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí)，先觸發(fā)終端發(fā)一條數(shù)據(jù)到公網(wǎng)，然后再接收公網(wǎng)設(shè)備發(fā)過來的數(shù)據(jù)，此種業(yè)務(wù)邏輯即可保證收到下行數(shù)據(jù)，又能使終端在無數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)處于PSM的超低功耗狀態(tài)。

國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商擁有的可使用的NB－IoT頻段

NB－IoT與LTE、Lora的技術(shù)對(duì)比

Lora是非授權(quán)頻段使用的通信協(xié)議，其在覆蓋范圍、功耗、連接數(shù)量、傳輸速率等方面與NB－IoT相當(dāng)，是目前廣泛使用的一種長(zhǎng)距離通信協(xié)議之一。

由于Lora發(fā)展的較早，且得到了很多設(shè)備廠商和歐美運(yùn)營(yíng)商的支持，由于其在非授權(quán)頻段工作，可以私有化部署，不通過運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，所以曾經(jīng)有段時(shí)間在使用范圍上領(lǐng)先過，但由于部署基站成本高、頻譜易受干擾，加上工信部出臺(tái)的《微功率短距離無線電發(fā)射設(shè)備技術(shù)要求》規(guī)定在470MHz～510MHz不允許組網(wǎng)，至使Lora的發(fā)展困難重重（我國(guó)的Lora應(yīng)用大多部署在470MHz～510MHz），目前NB－IoT的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。