星星之火-51：LTE的物联网技术，Cat-M与NB-IoT的比较
目录
第1章 LTE网络架构的演进
第2章 LTE-M
第3章 NB-IoT
3.1 NB-IoT概述
3.2 NB-IoT 网络架构
3.3 NB-IoT的特点
3.4 NB-IOT的三种频谱部署模式
3.5 NB-IoT终端芯片厂家
3.6 NB-IoT关键技术
第1章 LTE网络架构的演进
到了4G, 网络架构发生了重大的改变
- 核心网取消了CS（电路域），全IP的EPC（Evolved Packet Core，移动核心网演进）支持各类技术统一接入，实现固网和移动融合（FMC），灵活支持VoIP及基于IMS多媒体业务，实现了网络全IP化；语音、文本、视频全部通过IP域实现。自然，物联网的功能也是有IP域来完成。
- 接入网取消了RNC，原来RNC功能被分散到了eNodeB和网关（GW）中，eNodeB直接接入EPC，LTE网络结构更加扁平化，降低了用户可感知的时延，大幅提升用户的移动通信体验；
发展到LTE，无论是语音、文本、视频都是IP数据，是一个纯IP的网络。
需要说明的是：
在物联网的支持上，LTE并没有对核心网进行改造，以支持不同的业务，在核心网一侧，物联网数据和普通的数据并没有多大的差别。
对物联网的支持，主要体现在空口上，之所以体现在空口山，主要是因为物联网终端的特点所决定的：
而物联网由于器数据量小，终端的功耗低等特征，物理网业务与普通的数据业务数据不太相同。
因此LTE为物联网发展处了特定的、新的空口技术：LTE-M、NB-IoT，以到达最大可能的降低终端的功耗！！！与LoRa物联网接入抗衡！！！
需要明确的是：降低终端的功耗，是LTE-M和NB-IoT的初衷，这与5G对核心网的改造的初衷不同（主要是为了支持各种不同的物联网业务）
第2章 LTE-M
（1）概述
LTE-M： LTE-Machine， 用于物联网机器通信的LTE。
他与主流的LTE从技术上来看，并没有什么区别，可以说基本完全相同，仅有一点不同，就是LTE-M的带宽是1.4M，除了与LTE-5M/10M/15/20M在带宽有区别外，其他地方并无大的区别。
关于LTE技术原理的拆解，可以参考《图解通信原理与案例分析-20：4G LTE调制与多路复用技术：QAM正交幅度调制、多载波调制、O-FDM正交频分复用、SC-FDMA频分复用、IQ调制、混频》https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/109561499。
这里就不再赘述。
（2）部署方式
作为一个独立小区来部署的，小区的载波带宽为1.4M.
第3章 NB-IoT
3.1 NB-IoT概述
窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。
NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)，是一个可以LoRa竞争的一个低功耗无线广域网技术。
NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于2G GSM网络、3G UMTS网络或4G LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。
虽然NB-IoT网络可以部署在2G/3G/4G网络中，但并不表明NB-IoT网络是2G/3G/4G小区的一部分，只表明NB-IoT网络的载波频谱利用了已有的2G/3G/4G网络中载波频谱而已，NB-IoT网络本是是独立于2G/3G/4G网络的。这一点需要特别说明！NB-IoT小区是一个简化版的2G/3G/4G网络，有自己独立的协议。
3.2 NB-IoT 网络架构
NB-IoT RAN与LTE RAN是并列的。
（1）信息收集终端：收集物联网数据，通过LTE NB-IoT传输给NB-IoT基站。
（2）NB-IoT基站：有多张部署方式，可以独立部署，也可以与LTE普通基站一起部署。
（3）IoT平台：物联网服务平台，提供访问物联网终端数据的能力。
（4）IoT应用：根据采集到的物联网终端数据，实时某种业务应用，如上图中的停车缴费业务。
其中IoT平台和IoT应用不是LTE移动网络的一部分，处于LTE移动网络之外。
3.3 NB-IoT的特点
- 承载的数据量小
上下行速率：大于160kbps, 小于250kbps，如此低的速率，也就是发几个消息，无法进行视频或其他大数据传输。
不过，对于用于采集非视频数据的物联网终端而言 ，基本够用了。
- 极大的降低了终端的设计的复杂度
不像我们手机，如果信号不好、移动速度太快手机导致手机在不同基站之间切换、小区边缘不稳定等因素，会导致通话断断续续甚至掉线。
然而对于物联网终端使用NB-IOT大部分场景是（1）静止的，如智能抄表，（2）对延时的要求不高；（3）可以重传而不影响结果；
这样可以降低协议的复杂度，同时降低模块成本。
- 覆盖广，相比传统GSM，一个基站可以提供10倍的面积覆盖
一个NB-IOT基站可以覆盖10km的范围，小县城一个基站就可以覆盖了。
同时NB-IoT比LTE和GPRS基站提升了20dB的增益，能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方，在地下是不可能有信号打电话的，但NB-IOT仍然可以通信！
- 海量连接
200KHz的频率可以提供10万个NB-IoT连接，提供的连接越多，那基站就建的少，基站建的少，那就省钱！
- 低功耗
使用AA电池（5号电池）便可以工作十年，无需充电，
NB-IoT引入了eDRX省电技术和PSM省电模式，进一步降低了功耗，延长了电池使用时间。
在PSM模式下，终端仍旧注册在网，但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。
eDRX省电技术进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。
3.4 NB-IOT的三种频谱部署模式
NB-IoT支持在频段内(In-Band)、保护频段(Guard Band)以及独立(Stand-alone)共三种部署方式。
（1）独立部署ST（Stand alone operation）
适合用于重用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。
NB-IoT采用Standalone部署方式时，频率的选择比较灵活，可以在GSM、UMTS、LTE网络的频谱内部署。
- GSM网络中独立部署
使用GSM频谱时频率规划方式如图，其中在NB-IoT基站与GSM基站比例为1:1时，保护带为100khz；当比例达到1:3或1:4时，保护带为100kHz；当比例达到1:3或1:4时，保护带为200kHz。
- LTE网络独立部署
使用LTE频谱时频率规划方式如图，
在NB-IoT基站与LTE基站比例为1：1时，LTE频谱保护带需满足：
1.4MHZ空余160kHz，
3MHz空余150kHZ，
5MHZ空余250kHZ，
10MHz空余500kHz，
15MHz空余750kHz，
20MHz空余1MHz。
当比例达到1:3或1:4时，LTE频谱保护带需满足：
5MHz以上带宽使用LTE内置保护带即可，
5MHz以下带宽需要200kHz保护带宽。
- NB-IoT在UMTS中部署
使用UMTS频谱时频率规划方式如图，NB-IoT使用频点的中心频率与UMTS中心频率需相隔2.6MHz。
（2）保护带部署GB（Guard band operation）
不占LTE资源，利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块。
该部署方式中，LTE载波需保持在10MHz以上，需严格滤波，LTE保护带需预留500kHz带宽，包括NB-IoT带宽180kHz，向右保护带宽200kHz，向左保护带宽100kHz
（3）带内部署IB（In-band operation）
3GPP协议规定 Inband部署方式要求LTE系统带宽为3MHz及以上带宽。
Inband部署方式占用LTE的1个资源块（PRB）, LTE会预留这些PRB资源给NB-IoT使用，LTE网络自身不再使用这些预留的资源。
这个预留的PRB子载波，有自己独立的物理层帧结构。
三种部署方式的比较：
下面从频谱、带宽、兼容性、覆盖、容量、时延、终端能耗、产业情况等方面来对三种部署方式进行比较。
3.5 NB-IoT终端芯片厂家
华为海思、Qualcomm、Intel、RDA、简约纳、MTK、TI、SEQUANS、MARVELL、NODRIC、中兴微等。
3.6 NB-IoT关键技术
（1）LTE NB-IoT与普通的LTE的比较
简而言之：
LTE NB-IoT是在180K（12个PBB）带宽的基础上部署的一个简化版、优化版的LTE NB-IoT小区，
简化：是针对LTE而言的
优化：是针对物联网而言的。
对于独立部署和保护带部署的NB-IoT小区，基站一侧，可以对其独立调度。
而对于带内部署NB-IoT，基站一侧，可以对其，可以与LTE小区一起调度。
（2）NB IoT的无线资源
180K带宽：即12个15K的子载波，相当于LTE的一个PRB资源。
（3）DRX(Discontinuous Reception)，即不连续接收。eDRX是扩展不连续接收。
eDRX/PSM功耗示例
如图所示，DRX的是不连续的去接受信号，大部分时间休息。
举个例子，
连续接收就是一个保安一天24小时不能离开工作岗位，眼睛要认真的瞪着门口看有没有异常发生。
不连续接收是保安一个小时只花十分钟去看门，其他时间喝茶休息。
（4）PSM（Power Saving Mode），即省电模式。
很多物联网终端大部分时间是没有事情可以做的，抄表发一个表字就完了，干完活就可以睡大觉了。设备进入休眠状态。