5G——NB-IoT技术简介

引言

从2G到4G时代，移动通信网络都只是为了连接“人”而生。但随着万物互联时代的到来，移动通信网络需面向连接“物”而演进。为此，3GPP在Release 13制定了NB-IoT标准来应对现阶段的物联网需求，本文重点介绍NB-IOT的发展史和基本原理。

1. NBIOT基本概念

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things），窄带物联网，是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术。顾名思义，NB-IoT所占用的带宽很窄，只需约180KHz，而且其使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存，并且能够直接部署在GSM、UMTS或LTE网络，即2/3/4G的网络上，实现现有网络的复用，降低部署成本，实现平滑升级。

3GPP在Release 13定义了三种蜂窝物联网标准：EC-GSM、eMTC（LTE-M，对应Cat-M1）和NB-IoT（Cat-NB1）。如图1所示，NB-IoT (Cat-NB1)尽管和LTE紧密相关，且可集成于现有的LTE系统之上，但认为是独立的新空口技术。

图1

2. NB-IOT发展史

图2

3 .NB-IOT四大优势

3.1 广覆盖

相比现有的GSM、宽带LTE等网络覆盖增强了20dB，信号的传输覆盖范围更大（GSM基站目前理想状况下能覆盖35km），能覆盖到深层地下GSM网络无法覆盖到的地方。其原理主要依靠：1、缩小带宽，提升功率谱密度；2、重复发送，获得时间分集增益。

3.2 大连接

相比现有无线技术，同一基站下增多了50-100倍的接入数，每小区可以达到50K连接，真是实现万物互联所必须的海量连接。其原理在于：1、基于时延不敏感的特点，采用话务模型，保存更多接入设备的上下文，在休眠态和激活态之间切换；2、窄带物联网的上行调度颗粒小，资源利用率更高；3、减少空口信令交互，提升频谱密度。

3.3 低功耗

　 终端在99%的时间内均处在休眠态，并集成多种节电技术，待机时间可达10年。1、PSM低功耗模式，即在idle空闲态下增加PSM态 ，相当于关机，由定时器控制呼醒，耗能更低；2、eDRX扩展的非连续接收省电模式，采用更长的寻呼周期，eDRX是DRX耗电量的1/16。

3.4 低成本

硬件可剪裁，软件按需简化，确保了NB-IoT的成本低廉，NB-IoT通信单模块成本不足5美元。

图3

4. NB-IoT网络架构

NB-IoT 的网络架构包括：NB-IoT 终端、演进的统一陆地无线接入网络 （E-UTRAN）基站、归属用户签约服务器（HSS）、移动性管理实体（MME）、 服务网关（SGW）、公用数据网（PDN）网关（PGW）、服务能力开放单元（SCEF）、 第三方服务能力服务器（SCS）和第三方应用服务器（AS）。和现有 4G 网络 相比，NB-IoT 网络主要增加了业务能力开放单元（SCEF）来优化小数据传输和 支持非 IP 数据传输。为了减少物理网元的数量，可以将 MME、S-GW 和 P-GW 等核心网网元合一部署，称之为蜂窝物联网服务网关节点（C-SGN）。 NB-IoT 系统基本延用了基于 4G LTE/演进的分组核心网（EPC）网络架构， 并结合 NB-IoT 系统的大连接、小数据、低功耗、低成本、深度覆盖等特点对现有 4G 网络架构和处理流程进行了优化。

图4