NB-IOT详解

 NB-IoT详解

1. NB-IoT一路走来

从2G到4G，移动通信网络不断更新换代…

2G：GSM

          

2G：GPRS/EDGE

          

3G：UMTS/HSPA

          

4G：LTE

          

到了4G时代，移动通信网络的发展出现了分支。

          

 

一边是大流量，一边是小数据。一边是移动宽带，一边是物联网时代。

从2G到4G，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，在终端支持上也多了一个与NB-IoT对应的终端等级——cat-NB1。

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）。

          

●GSM是最早的广域M2M无线连接技术，EC-GSM增强了其功能和竞争力。

●UMTS没有衍生出低功耗物联网“变体”。

●LTE-M (Cat-M1)基于LTE技术演进，属于LTE的子集。

●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。

1. 初识NB-IoT

3GPP是怎样设计NB-IoT的呢？

NB-IoT，甚至说目前低功耗广域网（LPWAN），其设计原则都是基于“妥协”的态度。

首先，比较传统2/3/4G网络，一些物联网主要有三大特点：

① 懒

终端都很懒，大部分时间在睡觉，每天传送的数据量极低，且允许一定的传输延迟（比如，智能水表）。

② 静止

并不是所有的终端都需要移动性，大量的物联网终端长期处于静止状态。

③ 上行为主

与“人”的连接不同，物联网的流量模型不再是以下行为主，可能是以上行为主。

          

这三大特点支撑了低速率和传输延迟上的技术“妥协”，从而实现覆盖增强、低功耗、低成本的蜂窝物联网。

为了应对日渐强烈的物联网需求，于是国际移动通信标准化组织3GPP决定制订一个新的蜂窝物联网（CIOT：Cellular Internet of Thing）的标准。

这个新标准要实现四个目标：

超强覆盖，相对于原来GPRS系统，增加20dB的信号增益

超低功耗，终端节点要能达到10年的电池寿命

超低成本，终端芯片的目标定价为1美元，模块定价为2美元

超大连接，200kHz小区容量可达100k用户设备

1）减少信令开销

NB-IoT信令流程基于LTE设计，去掉了一些不必要的信令，包括在控制面和用户面均进行了优化。

原LTE信令流程：

          

NB-IoT信令流程①：

             

NB-IoT信令流程②：

            

2）三 & (e-)DRX

eDRX和PSM是NB-IoT的两大省电技术。

       

DRX(Discontinuous Reception)，即不连续接收。

手机（终端）和网络不断传送数据是很费电的。如果没有DRX，即使我们没有用手机上网，手机也需要不断的监听网络（PDCCH子帧），以保持和网络的联系，但是，这导致手机耗电太快。

          

因此，在LTE系统中设计了DRX，让手机周期性的进入睡眠状态（sleep state），不用时刻监听网络，只在需要的时候，手机从睡眠状态中唤醒进入wake up state后才监听网络，以达到省电的目的。

eDRX意味着扩展DRX周期，意味着终端可睡更长时间，更省电。

PSM（Power Saving Mode），即省电模式。

一些物联网终端本来就很懒，长期睡觉，而在PSM模式下，相当于关机状态，所以更加省电。

其原理是，当终端进入空闲状态，释放RRC连接后，开始启动定时器T3324，当T3324终止后，进入PSM模式，并启动T3412（周期性TAU更新）。在此期间，终端停止检测寻呼和执行任何小区/PLMN选择或MM流程。

          

此时，网络无法发送数据给终端或寻呼终端，网络与终端几乎失联（终端仍注册在网络中）。

只有当周期性TAU更新定时器超时后，才退出PSM模式。这个定时器可设置最大12.1天，想想这是有多么省电啊！

1. 物联网构架

          

 

          

 

          

总的来说，物联网分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层负责采集信息，网络层提供安全可靠的连接、交互与共享，应用层对大数据进行分析，提供商业决策。

          

4.NB-IoT技术详解

4.1 网络

4.1.1 核心网

为了将物联网数据发送给应用，蜂窝物联网（CIoT）在EPS定义了两种优化方案：

•CIoT EPS用户面功能优化（User Plane CIoT EPS optimisation）

•CIoT EPS控制面功能优化（Control Plane CIoT EPS optimisation）

     

如上图所示，红线表示CIoT EPS控制面功能优化方案，蓝线表示CIoT EPS用户面功能优化方案。在实际网络部署时，为了减少物理网元的数量，可以将核心网网元(如MME、SGW、PGW)合一不部署，称为CIoT服务网关节点C-SGN，如虚框中所示。从这里可以看出，PGW可以合设，也可以集成到C-SGN中，图中标示的为PGW单独设置。

对于CIoT EPS控制面功能优化，上行数据从eNB（CIoT RAN）传送至MME，在这里传输路径分为两个分支：或者通过SGW传送到PGW再传送到应用服务器，或者通过SCEF（Service Capa- bility Exposure Function）连接到应用服务器（CIoT Services），后者仅支持非IP数据传送。下行数据传送路径一样，只是方向相反。

这一方案无需建立数据无线承载，数据包直接在信令无线承载上发送。因此，这一方案极适合非频发的小数据包传送。

SCEF是专门为NB-IoT设计而新引入的，它用于在控制面上传送非IP数据包，并为鉴权等网络服务提供了一个抽象的接口。

对于CIoT EPS用户面功能优化，物联网数据传送方式和传统数据流量一样，在无线承载上发送数据，由SGW传送到PGW再到应用服务器。因此，这种方案在建立连接时会产生额外开销，不过，它的优势是数据包序列传送更快。

这一方案支持IP数据和非IP数据传送。

4.1.1.1 CP和UP方案传输路径对比：

1. 1. 1. 1. CP和UP方案协议栈对比：

CP方案的控制面协议栈，UE和eNodeB之间不需要建立DRB承载，没有用户面处理。

CP方案在UE和eNodeB之间不需要启动安全功能，空口数据传输的安全性由NAS层负责。因此空口协议栈中没有PDCP层，RLC层和RRC层直接交互，上行数据在上行RRC消息包含的NAS消息中携带，下行数据在下行RRC消息包含的NAS消息中携带。

 

UP方案的控制面协议栈，上下行数据通过DRB承载携带，需要启动空口协议栈中PDCP层提供AS层安全模式。

 

1. 1. 1. 1. LTE、CP和UP信令流程对比：

1. 1. 1. 1. CP、UP综合方案对比：从运营商来看，初期以CP方案为主，后续需支持UP方案。

对比维度	CP方案	UP方案
3GPP标准化	必选方案	可选方案
信令开销	传输数据时空口节省约50%的信令	传输数据时空口节省约50%的信令，相对CP方案，增加了PDN建立时用户面承载建立信令
业务多样性	单一QoS业务	支持多QoS业务
传输小包效率	高，RRC建立时随路发送数据	低，先恢复RRC连接，再从用户面发送数据
传输大包效率	低，数据需分多个包，每个包都需封装在NAS信令中传输，效率低。(单个NAS PDU最大64kb)	高，多个数据包从用户面直接传输，效率高
移动场景	适合	跨基站移动时，需通过X2接口传递用户上下文，信令开销较大
开发难度	核心网改造大，基站改造小	核心网改造小，基站改造大
存储要求	无额外存储要求	挂起是，基站、核心网都需要缓存用户上下文信息

4.1.2 接入网

NB-IoT的接入网构架与LTE一样。

          

eNB通过S1接口连接到MME/S-GW，只是接口上传送的是NB-IoT消息和数据。尽管NB-IoT没有定义切换，但在两个eNB之间依然有X2接口，X2接口使能UE在进入空闲状态后，快速启动resume流程，接入到其它eNB（resume流程将在本文后面详述）。

4.1.3 频段

NB-IoT沿用LTE定义的频段号，Release 13为NB-IoT指定了14个频段。

               

         

4.2 物理层

           

4.2.1 工作模式

部署方式（Operation Modes）

NB-IoT占用180KHz带宽，这与在LTE帧结构中一个资源块的带宽是一样的。所以，以下三种部署方式成为可能：

1）独立部署（Stand alone operation）

适合用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200KHz，这刚好为NB-IoT 180KHz带宽辟出空间，且两边还有10KHz的保护间隔。

                                    

2）保护带部署（Guard band operation）

利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块。

3）带内部署（In-band operation）

利用LTE载波中间的任何资源块。

CE Level

CE Level，即覆盖增强等级（Coverage Enhancement Level）。从0到2，CE Level共三个等级，分别对应可对抗144dB、154dB、164dB的信号衰减。基站与NB-IoT终端之间会根据其所在的CE Level来选择相对应的信息重发次数。

双工模式

Release 13 NB-IoT仅支持FDD 半双工type-B模式。

FDD意味着上行和下行在频率上分开，UE不会同时处理接收和发送。

半双工设计意味着只需多一个切换器去改变发送和接收模式，比起全双工所需的元件，成本更低廉，且可降低电池能耗。

                        

在Release 12中，定义了半双工分为type A和type B两种类型，其中type B为Cat.0所用。在type A下，UE在发送上行信号时，其前面一个子帧的下行信号中最后一个Symbol不接收，用来作为保护时隙（Guard Period, GP），而在type B下，UE在发送上行信号时，其前面的子帧和后面的子帧都不接收下行信号，使得保护时隙加长，这对于设备的要求降低，且提高了信号的可靠性。

                

4.2.2 下行链路

对于下行链路，NB-IoT定义了三种物理信道：

1）NPBCH，窄带物理广播信道。

2）NPDCCH，窄带物理下行控制信道。

3）NPDSCH，窄带物理下行共享信道。

还定义了两种物理信号：

1）NRS，窄带参考信号。

2）NPSS和NSSS，主同步信号和辅同步信号。

相比LTE，NB-IoT的下行物理信道较少，且去掉了PMCH（Physical Multicast channel，物理多播信道），原因是NB-IoT不提供多媒体广播/组播服务。

下图是NB-IoT传输信道和物理信道之间的映射关系。

                

MIB消息在NPBCH中传输，其余信令消息和数据在NPDSCH上传输，NPDCCH负责控制UE和eNB间的数据传输。

NB-IoT下行调制方式为QPSK。NB-IoT下行最多支持两个天线端口（Antenna Port），AP0和AP1。

和LTE一样，NB-IoT也有PCI（Physical Cell ID，物理小区标识），称为NCellID（Narrowband physical cell ID），一共定义了504个NCellID。

4.3 小区接入

NB-IoT的小区接入流程和LTE差不多：小区搜索取得频率和符号同步、获取SIB信息、启动随机接入流程建立RRC连接。当终端返回RRC_IDLE状态，当需要进行数据发送或收到寻呼时，也会再次启动随机接入流程。

4.3.1 协议栈和信令承载

总的来说，NB-IoT协议栈基于LTE设计，但是根据物联网的需求，去掉了一些不必要的功能，减少了协议栈处理流程的开销。因此，从协议栈的角度看，NB-IoT是新的空口协议。

以无线承载（RB）为例，在LTE系统中，SRB（signalling radio bearers，信令无线承载）会部分复用，SRB0用来传输RRC消息，在逻辑信道CCCH上传输；而SRB1既用来传输RRC消息，也会包含NAS消息，其在逻辑信道DCCH上传输。

LTE中还定义了SRB2，但NB-IoT没有。

此外，NB-IoT还定义一种新的信令无线承载SRB1bis，SRB1bis和SRB1的配置基本一致，除了没有 PDCP，这也意味着在Control Plane CIoT EPS optimisation下只有SRB1bis，因为只有在这种模式才不需要。

▲NB-IoT协议栈

4.3.2 系统信息

NB-IoT经过简化，去掉了一些对物联网不必要的SIB，只保留了8个:

•SIBType1-NB：小区接入和选择，其它SIB调度

•SIBType2-NB：无线资源分配信息

•SIBType3-NB：小区重选信息

•SIBType4-NB：Intra-frequency的邻近Cell相关信息

•SIBType5-NB：Inter-frequency的邻近Cell相关信息

•SIBType14-NB：接入禁止(Access Barring)

•SIBType16-NB：GPS时间/世界标准时间信息

需特别说明的是，SIB-NB是独立于LTE系统传送的，并非夹带在原LTE的SIB之中。

4.3.3 小区重选和移动性

由于NB-IoT主要为非频发小数据包流量而设计，所以RRC_CONNECTED中的切换过程并不需要，被移除了。如果需要改变服务小区，NB-IoT终端会进行RRC释放，进入RRC_IDLE状态，再重选至其他小区。

在RRC_IDLE状态，小区重选定义了intra frequency和inter frequency两类小区，inter frequency指的是in-band operation下两个180 kHz载波之间的重选。

NB-IoT的小区重选机制也做了适度的简化，由于NB-IoT 终端不支持紧急拨号功能，所以，当终端重选时无法找到Suitable Cell的情况下，终端不会暂时驻扎(Camp)在Acceptable Cell，而是持续搜寻直到找到Suitable Cell为止。根据3GPP TS 36.304定义，所谓Suitable Cell为可以提供正常服务的小区，而Acceptable Cell为仅能提供紧急服务的小区。

4.3.4 随机接入过程

NB-IoT的RACH过程和LTE一样，只是参数不同。

基于竞争的NB-IOT随机接入过程

基于非竞争的NB-IOT随机接入过程

4.3.5 连接管理

由于NB-IoT并不支持不同技术间的切换，所以RRC状态模式也非常简单。

    

RRC Connection Establishment

RRC Connection Establishment流程和LTE一样，但内容却不相同。

        

很多原因都会引起RRC建立，但是，在NB-IoT中，RRCConnectionRequest中的Establishment Cause里没有delayTolerantAccess，因为NB-IOT被预先假设为容忍延迟的。

另外，在Establishment Cause里，UE将说明支持单频或多频的能力。

与LTE不同的是，NB-IoT新增了Suspend-Resume流程。当基站释放连接时，基站会下达指令让NB-IoT终端进入Suspend模式，该Suspend指令带有一组Resume ID，此时，终端进入Suspend模式并存储当前的AS context。

当终端需要再次进行数据传输时，只需要在RRC Connection Resume Request中携带Resume ID（如上图第四步），基站即可通过此Resume ID来识别终端，并跳过相关配置信息交换，直接进入数据传输。

简而言之，在RRC_Connected至RRC_IDLE状态时，NB-IoT终端会尽可能的保留RRC_Connected下所使用的无线资源分配和相关安全性配置，减少两种状态之间切换时所需的信息交换数量，以达到省电的目的。

4.4 Data Transfer

如前文所述，NB-IoT定义了两种数据传输模式：Control Plane CIoT EPS optimisation方案和User Plane CIoT EPS optimisation方案。对于数据发起方，由终端选择决定哪一种方案。对于数据接收方，由MME参考终端习惯，选择决定哪一种方案。

4.4.1 Control Plane CIoT EPS Optimisation

对于Control Plane CIoT EPS Optimisation，终端和基站间的数据交换在RRC级上完成。对于下行，数据包附带在RRCConnectionSetup消息里；对于上行，数据包附带在RRCConnectionSetupComplete消息里。如果数据量过大，RRC不能完成全部传输，将使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer消息继续传送。

      

这两类消息中包含的是带有NAS消息的byte数组，其对应NB-IoT数据包，因此，对于基站是透明的，UE的RRC也会将它直接转发给上一层。

在这种传输模式下，没有RRC connection reconfiguration流程，数据在RRC connection setup消息里传送，或者在RRC connection setup之后立即RRC connection release并启动resume流程。

4.4.2 User Plane CIoT EPS optimisation

在User Plane CIoT EPS optimisation模式下，数据通过传统的用户面传送，为了降低物联网终端的复杂性，只可以同时配置一个或两个DRB。

此时，有两种情况：

•当RRC连接释放时，RRC连接释放会携带携带Resume ID，并启动resume流程，如果resume成功，更新密匙安全建立后，保留了先前RRC_Connected的无线承载也随之建立。

      

      

•当RRC连接释放时，如果RRC连接释放没有携带携带Resume ID，或者resume请求失败，安全和无线承载建立过程如下图所示：

      

首先，通过SecurityModeCommand和SecurityModeComplete建立AS级安全。

在SecurityModeCommand消息中，基站使用SRB1和DRB提供加密算法和对SRB1完整性保护。LTE中定义的所有算法都包含在NB-IoT里。

当安全激活后，进入RRC connection reconfiguration流程建立DRBs。

          

在重配置消息中，基站为UE提供无线承载，包括RLC和逻辑信道配置。PDCP仅配置于DRBs，因为SRB采用默认值。在MAC配置中，将提供BSR、SR、DRX等配置。最后，物理配置提供将数据映射到时隙和频率的参数。 

4.4.3 多载波配置

在RRCConnectionReconfiguration消息中，可在上下行设置一个额外的载波，称为非锚定载波（non-anchor carrier）。

基于多载波配置，系统可以在一个小区里同时提供多个载波服务，因此，NB-IoT的载波可以分为两类：提供NPSS、NSSS与承载NPBCH和系统信息的载波称为Anchor Carrier，其余的载波则称为Non-Anchor Carrier。

当提供non-anchor载波时，UE在此载波上接收所有数据，但同步、广播和寻呼等消息只能在Anchor Carrier上接收。

NB-IoT终端一律需要在Anchor Carrier上面Random Access，基站会在Random Access过程中传送Non-Anchor Carrier调度信息，以将终端卸载至Non-Anchor Carrier上进行后续数据传输，避免Anchor Carrier的无线资源吃紧。

另外，单个NB-IoT终端同一时间只能在一个载波上传送数据，不允许同时在Anchor Carrier和Non-Anchor Carrier上传送数据。

1. NB-IoT的应用

对于远距离高速数据传输，LTE网络以及未来的5G网络可以满足这方面的需求；而对于远距离低速数据传输，特别是非实时低频次数据传输，则是NB-IoT系统的用武之地。

NB-IoT非常适合应用于无线抄表（Metering）、传感跟踪（Sensor Tracking）这些领域，通过物联网技术在这些领域的实施，可以大大降低管理成本，让网络管理者可以随时掌握各种运营数据。

          

随着三大运营商在国内积极推进NB-IoT网络的基础设施建设，以及NB-IoT芯片的成本降低，我们将会看到越来越多NB-IoT的应用落地。

虽然NB-IoT技术面临着像LoRa技术的竞争，但在国内，我相信NB-IoT技术一定会成为物联网领域的最主流技术。