物联网通信技术

本文首发于公众号“菜鸟工程师的日常”，里面分享射频、无线、通信内容，欢迎大家关注。

概述

物联网的无线通信技术种类繁多，大致可以归为两大类：一类是短距离通信技术：包括Zigbee、WiFi、蓝牙等；另一类则被称为广域网通信技术，即LPWAN(low power Wide Area Network，低功耗广域网)。LPWA又可细分为两类：一类工作于未授权频谱下，如LoRa；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2／3／4G蜂窝通信技术，比如EC－GSM、LTE Cat－m、NB－IoT等。其中，NB-IoT凭借低功耗、广覆盖、速率低、成本低等特点，成为时下最受追捧的一种无线连接技术。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是一种基于蜂窝的窄带物联网技术，也是低功耗广域物联(LPWA)的最佳联接技术，承载着智慧家庭、智慧出行、智慧城市等智能世界的基础联接任务，广泛应用于如智能表计、智慧停车、智慧路灯、智慧农业、白色家电等多个方面，是智能时代下的基础联接技术之一。2020年NB-IoT全球连接数超1亿。根据预测，这一技术将在未来五年实现10亿级连接，并持续保持增长趋势，推动物联网设备实现爆发性成长。下图1是NB-IOT在不同版本迭代的需求演进。

图1：NB-IOT在3GPP不同版本的演进

特点

广覆盖:NB-IoT在同样的频段下，覆盖能力将比现有网络增益20dB，使信号能够穿透墙壁或地板，覆盖更深的室内场景。

电池寿命长:PSM (节能模式) 和eDRX(扩展不连续接收) 是NB-IoT延长电池寿命的两大核心技术，在业内目标是在每日传输少量数据的情况下，使电池运行时间达到至少10年

低成本：网络部署成本低NB-IoT可直接采用LTE网络，利用现有技术和基站。此外，NB-IoT与LTE互相兼容，可重复使用已有硬件设备、共享频谱，同时避免系统共存的问题。设备成本低 半双工模式，单接收天线，低峰值速率，上下行带宽低至180kHz，内存需求低 (500kByte)

大连接：理想情况下，每个扇区可连接约5万台设备；假设居住密度是每平方公里1500户，每户家庭有40个设备，这种环境下的设备连接是可以实现的。

部署方式

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带宽开辟出空间，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） 占用LTE的1个PRB资源(该资源非任意资源,有些不可用)可与LTE同PCI，也可与LTE不同PCI，一般来说如果采用的是IB方式，倾向于设置为与LTE同PCI（说明什么问题？一是NB也有PCI，所以同频组网是可行的，不同于GSM，二是PCI也是504个，可以复用LTE的PCI规划，三是PCI的生成、功能基本相同）。

图2：NB-IOT部署方式

工作模式

DRX、eDRX和PSM是NB-IoT的三大工作模式。

图3：NB-IOT工作模式

DRX

DRX：Discontinuous Reception（不连续接收），为模块 Modem 的工作模式。为了节省功耗，模块于每个 DRX 周期监听一次寻呼信道，以检查是否有下行业务到达。如下图所示，当模块的 AP 进入Idle模式后，在 T3324 没有 Timeout 的一段时间内，模块处于 DRX寻呼状态。由于 DRX 周期一般比较短，通常认为在这段时间内，如果 IoT 平台有下行数据，模块接收数据的时延一般较小。

图4：NB-IOT工作在DRX模式

(e-)DRX

eDRX：extended DRX（扩展不连续接收），为模块 Modem 的工作模式。eDRX 是 3GPP Rel.13 引入的技术，eDRX 比 DRX 拥有更长的寻呼周期，使得终端能够更好的节省功耗，但是也会导致更长的下行数据延时。模块只能在 PTW（Paging Time Window，寻呼时间窗口）内按DRX 周期监听寻呼信道，以便接收下行业务；PTW 外的时间处于睡眠态，不监听寻呼信道、不能接收下行业务。eDRX 就是模块不断地打开、关闭接收机。打开接收机时能够接收数据，关闭接收机时则无法接收数据；eDRX 周期即由关闭接收机和打开接收机这两个完整的时段组成。

图5：NB-IOT工作在e-DRX模式

PSM

模块 Modem 的 PSM 是 3GPP Rel.12 引入的技术；其原理是允许模块在空闲态一段时间（T3324）后，关闭信号的收发和 AS（接入层）相关功能，从而减少天线、射频、信令处理等的功耗消耗。模块在 PSM期间，不接收任何网络寻呼，包括搜寻小区消息、小区重选等，对于网络侧来说，模块此时是不可达的，不再接收下行数据。在 PSM 模式下，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。在模块 Modem 进入 PSM 模式后，仍然可以主动发送上行数据到平台。与 eDRX 相比，PSM 打开、关闭接收机的频率更低，可低至几天打开一次接收机。PSM 周期内，模块仅在接收机打开的时间内能够接收到数据，接收机关闭的时间内将无法接收下行数据。PSM 模式下，功耗只有微安级，终端在此工作模式下才可能实现极低的功耗，如“一节电池用数年”。（NB-IOT在PSM怎么唤醒到工作模式：WAKEUP管脚拉至低电平；等待定时器（T3412）溢出；AT串口接收到数据）。

图5：NB-IOT工作在PSM模式

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。

特点

优势

信号覆盖好：NB-IOT基站覆盖半径是GSM的4倍。

终端成本低：NB-IOT成本比4G模组成本低。

终端接入密度更好：NB-IOT拥有远高于2G和4G的接入容量，适合单站覆盖下终端数量超过1K的应用。

终端通信功耗低：NB-IOT支持PSM和eDRX低功耗技术，相比较于2G/4G功耗更低。

不足

传输速率低：10Kbps,图片、语音、视频等应用无法传输。

数传时延高：通常为秒级时延，主要受限于较窄的工作频谱带宽。

移动性差：R13为了追求极致低功耗，舍去相邻小区测量;R14移动性增强，保留小区重选，但仍然没有连接态Handover。

应用

根据以上的优势与不足，可以分别总结出NB-IOT适用的场景以及不适用场景如图6、7所示。

图6：NB-IOT适用的场景

图7：NB-IOT不适用的场景

疑问

NB-IOT相对于4G，凭什么实现强覆盖？主要原因有以下三点：

1、窄带

窄带所带来的增益用PSD衡量。NB-IoT上行载波带宽为3.75/15KHz，相比现有2G/3G/4G上行200KHz(除去保护带宽，实际为180KHz)的PRB，PSD增益约为11dB：log((200mW/15KHz)/(200mW/180KHz))=10.7dB。也就是NB-IoT单位带宽所携带的能量比2G/3G/4G更高，因此同等情况下可覆盖更远距离。其中200mW对应发射功率为23dBm的终端(10log200mW=23dBm)。

2、低频

NB-IoT虽然可以部署于任何频段，但考虑覆盖需求，一般选择1GHz以下低频频段部署。相比高频，低频具有路径损耗更低、绕射能力更强等优点，更加适合远距离覆盖。(高频则更加适合视距范围内的通信，即发射端与接收端之间无遮挡、距离近)前述20dB的增益就是这么来的：11dB(PSD)+9dB(重传)=20dB，再加上NB-IoT普遍部署于1GHz以下的低频频段上，三者共同保证了NB-IoT技术的更强覆盖。

3、重传

相对于传统的方式，NB-IoT技术支持更多次数的重传。重传的次数每翻一倍，速率就会减少一半，同时也会带来3dB的增益。通俗的讲就是说一遍听不清，就多说几遍，提高听清的概率。标准中定义上行重传次数最大可达128次，但考虑边缘场景下的速率以及小区容量，上行重传次数最大一般限为16次，对应9dB的增益(实际比理论低了约3dB)。

参考资料

NB-IOT技术

IoT的模式有哪些?是什么? - 通信网络 - 电子发烧友网

NB-IoT如何发出信号?还有强覆盖力三剑客:窄带、重传、低频