从终端角度看蜂窝物联网的进化史

 从终端角度来看蜂窝物联网的进化史，主要经历了从LTE Cat 0→Cat M1→Cat NB1的发展历程。

       关于蜂窝物联网的设计原则，可以把它归结为“一大、一强、三低”。
一大，就是大规模连接，物联网设备连接数量很多；
一强，就是覆盖增强；
三低，就是低功耗、低成本、低流量。
       在Rel.10和Rel.11阶段，3GPP主要在解决“一大”问题。

       大量设备同时接入网络，会引起网络过载，从而影响移动宽带业务。如大规模断电恢复后，大量设备同时接入网络，会导致网络信令负荷过大引起网络异常和故障。

      由于很多物联网设备对时延并不敏感，在连接过程中可接受较长时间等待，在Rel. 10引入了初始连接拒绝机制，就是让一些设备先靠边站，等一会再来连接（Extended Wait Time）；在Rel. 11还引入了接入等级（access classes）机制，网络为每一个终端设备设置了接入等级，指示哪些设备可以接入。

       总之，Rel. 10 和Rel. 11阶段，3GPP做了应付大规模接入的工作，确保LTE在应对物联网时网络具有一定的可靠性和稳定性。

       从Rel. 12开始，3GPP主要着手解决“三低”问题。在这一阶段，主要定义了PSM（Power Saving Mode）省电模式和LTE Cat 0。

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 LTE Cat 0

Cat，即UE-Category，根据3GPP的定义，UE-Category分为1~10共10个等级，其中：
Cat.1~5为R8定义；
Cat.6~8为R10定义；
Cat.9~10为R11定义。

       Cat.0被写入3GPP Rel.12标准，支持更低速率、更低功耗版本的LTE终端等级。

       Cat.0 和 Cat.1都是指向广阔的物联网市场，实现更低功耗、更低成本物联网设备连接到LTE网络。

       比较LTE Cat 1，LTE Cat 0模块的复杂度降低了50%，这主要是通过牺牲部分功能的方式来降低模块硬件复杂度，也降低了成本和功耗。

       支持更低Category，对可穿戴设备、智慧家庭和智慧电表等物联网应用非常关键。

       为了减少设备成本，R12制定了Cat.0终端等级，实际上，Cat.0指的就是低成本的M2M设备。为了降低设备复杂性和减小设备成本，Cat.0定义了一系列的简化方案，主要包括：

1. 半双工FDD模式（Half duplex FDD)
LTE Cat 0取消了全双工模式，采用半双工，这意味着终端设备无需同时接收和发送数据，也意味着不需要双工滤波器来防止发送和接收信号之间的干扰；半双工FDD模式允许在FDD模式下时分复用。

2. 减小设备接收带宽到1.4MHz，当然也可以扩到20MHz。

3. 单接收通路，取消RX分集双通路。

4. 低速数据速率，上下行仅为1Mbps，降低了模块的处理和存储能力，从而降低成本。

       在R13版本还会有进一步的优化，比如取消发射分集，不再支持MIMO，支持小于1.4MHz更低的带宽，支持更低的数据速率。

PSM（Power Save Mode）省电模式

PSM在数据连接终止或周期性TAU完成后启动。数据连接终止后，终端首先进入空闲模式，并进入不连续接收（DRX）状态，此时，终端监听寻呼（Paging）。
       当DRX定时器T3324超时后，终端进入PSM模式。

       PSM模式下，终端处于休眠模式，近似于关机状态，可大幅度省电。在PSM期间，终端不再监听寻呼，但终端还是注册在网络中，因此，要发送数据时不需要重新连接或建立PDN连接，PSM信令如下所示。

       PSM适用于那些反应迟钝的，通常由终端主动发起和网络通信的物联网场景，否则，你要是捉急让它办点事，它可能要很久才回应你。当然，我们在网络设计时，也一定要考虑实际应用需求，合理设置空闲模式和PSM模式的时间间隔。

LTE Cat M1（eMTC） 和 LTE Cat NB1（NB-IoT）

3GPP在Rel. 13引入了LTE Cat M1（eMTC）。
LTE Cat M1更精简、更低成本、更低功耗，带宽从20MHz降到1.4MHz，终端发射功率更小，仅为20dBm。
       与LTE Cat M1同时到来的是LTE Cat NB1。

       如果说eMTC是LTE的瘦身版，那么，NB-IoT就是打了类固醇的LPWAN。

       NB-IoT让蜂窝物联网从“更低”走向“超低”，从“更大”走向“超大”：超低功耗、超低成本、超低流量、超强覆盖、超大规模连接。

       与LTE Cat 0 和Cat M1不同的是，NB-IoT是一个新的空口技术。

       NB-IoT的带宽仅为180KHz，这样它可以部署于空闲的LTE资源块，LTE载波之间的空闲频谱（保护带）或独立部署（空闲的GSM载波）；

       Rel. 13还引入了eDRX（增强型非连续接收），就是延长了原来DRX的时间，减少了终端的DRX次数和频率，以达到省电的目的。

       NB-IoT采用多种技术支持终端低功耗，其中包括PSM和eDRX模式。

       PSM/eDRX/DRX模式可配置是NB-IoT解决方案中支持终端低功耗的重要特性。

       DRX：Discontinuous Reception，不连续接收模式。

       对下行业务时延要求高，如路灯，DRX的最小间隔为2.56秒，这对于隔很长一段时间才发送数据的物联网设备来说，实在是太频繁了。

eDRX：Extended idle mode DRX，扩展不连续接收模式。
       对下行业务时延有较高要求，可根据设备是否处于休眠状态缓存消息或者立即下发消息，如智能穿戴设备；

eDRX可工作于空闲模式和连接模式。

在连接模式下，eDRX把接收间隔扩展至10.24秒；

在空闲模式下，eDRX将寻呼监测和TAU更新间隔扩展至超过40分钟。

PSM：power saving mode，省电模式。
        对下行业务时延无要求，对于下行业务消息，可等待设备发送上行数据进入连接态后再发送，可进一步节省终端功耗，如智能水表。

       PSM和eDRX之间的不同之处在于，终端从休眠模式进入可接收模式这个时间间隔的长短不同。

       在PSM模式下，终端需要首先从休眠模式进入激活模式，然后才进入空闲模式。

       在eDRX模式下，终端本身就处于空闲模式，可以更快速的进入接收模式，无需额外信令。

       比如，某物联网应用需要终端每10分钟要回应一次，假如采用PSM模式，终端不得不每10分钟终止PSM，并进行TAU，需经历这个过程后才能进入空闲模式。

       假如采用eDRX，终端每10分钟直接进入接收模式，这样可以更省电和减少信令负荷。

       反之，对于那些每天才发一次数据的物联网终端，PSM模式更加省电。

       因此，如何配置PSM和eDRX，要根据实际情况来决定。