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更新时间:2023-11-02 23:14:24 阅读：评论：0

青虫之爱-经典短信

2023年11月2日发(作者：方文杰)

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



IoT是未来5年全球发展的趋势之一，将带来巨大的商业价值。2025 市场空间11.1 万亿

美元（Mc Kiny Global Rearch 2015 ）。



基于运营商网络的蜂窝物联网也将在未来5年获得快速的增长，符合GSMA的预测，未

来5年，蜂窝物联网将增长7倍，到2020年，将有约3billion的联接承载在运营商的网络，

工业（Smart Agriculture、Smart Meter），个人应用（Smart Band、Smart Watch），

智能家庭（Smart Band、Smart Watch），公共事业（Ast Tracking、Smart

Parking ）等多个方面。

基于这些巨大的联接，将给运营商带来巨大的商业价值，包括联接的价值，数据的价值

和利益分享的价值。

覆盖了90%人口，70%地理覆盖的蜂窝网是运营商的最大优势，可以帮助蜂窝物联网迅

速普及，形成全球化的效应，这是其他的任何技术所不能比拟的。所以基于这种网络去

部署NB-IoT也将形成绝对的优势，帮助运营商进入蜂窝物联网的市场；我们也注意到，

当前运营商的蜂窝物联网份额还是非常小，这是不合理的，背后的原因包括技术和驱动。

基于NB-IoT、eMTC等技术以及产业共同的努力，相信2020年蜂窝物联网将达到30%，



3billion

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



NB-IoT: 最大化重用现有网络资产。最具成本竞争力的LPWA解决方案。

NB-IoT支持三种部署场景



Standalone：通常是Refarming GSM的频谱或者使用空闲零散的频谱资源部署NB-

IOT。

Guard band：在LTE的保护带中部署NB-IOT。

In-band：在LTE的RB资源上部署NB-IOT，相应LTE可利用的RB资源会减少。



NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



100K 连接 / 扇区，与4G相比提升100x倍。

深覆盖，20dB+ 增益，与2G相比多穿透一堵墙。

2G/3G/4G的芯片是为手机设计的，这意味着芯片处理能力要求更高，包括支持宽带，大数

率，MIMO等，而NB-IOT的芯片是专门为物联网设备设计的，只针对窄带、低速率、并针对

物联网需求只支持单天线、半双工方式，另外简化了信令处理。通过这样的方式达到芯片

价格到$1的低价。



注： $1是目标成本，目前成本还达不到这么低。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



OneM2M定义了物联网的几个协议，CoAP，MQTT，HTTP，但是MQTT和HTTP是基于

TCP的（面向连接的，先建连接后发数据），时延较大，无法满足NB的诉求，所以针对

NB-IoT只能使用CoAP。芯片和平台都要实现这个协议。



COAP（Constrained Application Protocol）：由于物联网中的很多设备都是资源受限型

的，即只有少量的内存空间和有限的计算能力，所以传统的HTTP协议应用在物联网上

就显得过于庞大而不适用。 IETF的CoRE工作组提出了一种基于REST架构的CoAP协议。



MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是IBM开发的一个

即时通讯协议，有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把

所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和致动器（比如通过Twitter让房屋联

网）的通信协议。

AMQP，即Advanced Message Queuing Protocol,一个提供统一消息服务的应用层标准高

级消息队列协议,是应用层协议的一个开放标准,为面向消息的中间件设计。基于此协议

的客户端与消息中间件可传递消息，并不受客户端/中间件不同产品，不同开发语言等

条件的限制

微控制单元(Microcontroller Unit；MCU) ，又称单片微型计算机(Single Chip



Microcomputer )或者单片机。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



架构



扁平化，同LTE-SAE

支持基于IP的M2M应用

支持SingleRAN和Standalone两种部署，满足低成本建站

为IoT优化的核心网

最优化终端功耗和成本，扩大蜂窝物联网市场

低成本部署站点和网络，提升投资收益



价值



NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



NB-IoT RF模块路标

RRU3269, RRU3249, LRFUe

RRU3268, RRU3262

RRU3220,

RRU3268, LRFUe,

RRU3908 v2, MRFU v2

RRU3942, RRU3936, MRFUd, RRU3652,RRU3938(Korea)

RRU3908 v2, MRFU v2

RRU3936, RRU3938, RRU3929, RRU3959, RRU3953,

RRU3928, RRU3926, MRFUd, MRFUe

RRU3936, RRU3971

RRU3630, RRU3632, RRU3632B, RRU3638

RRU3929, RRU3939, RRU3959, RRU3953

US700(Band12/13)

APT700(Band28)

DD800(Band 20)

850M(Band 5)

900M(Band 8)

1800M(Band 3)

SRAN12.0 SRAN12.1



NB-IoT 主控板路标

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



Site: NB-IoT 基带板路标

Cell Configuration(LTE

Only)

Cell Configuration(LTE + NB-IoT)

3*10M 2T2R+3*200k NB-IOT LBBPd1 3*20M 2T2R

3*10M 4T4R+3*200k NB-IOT LBBPd2 3*20M 4T4R

3*20M 2T2R+3*10M 2T2R+3*200k NB-IOT

3*10M 2T2R+3*200k NB-IOT UBBPd3 3*20M 2T2R

3*10M 4T4R+3*200k NB-IOT UBBPd4 3*20M 4T4R

3*20M 2T2R+3*10M 2T2R+3*200k NB-IOT

3x20M 4T4R+3x10M 4T4R+3x200k NB-IoT

3*20M 2T2R+3*200k NB-IoT UBBPe1 3*20M 2T2R

3*20M 4T4R+3*200k NB-IoT UBBPe2 3*20M 4T4R

LBBPd3 6*20M 2T2R

UBBPd5 6*20M 2T2R

UBBPd6 6*20M 4T4R

UBBPe3 6*20M 2T2R 6*20M 2T2R+3*200k NB-IoT

UBBPe4 6*20M 4T4R 6*20M 4T4R+3*200k NB-IoT

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



从降低TTM的角度出发，部署基于CloudEdge平台的NB-IOT专用分组核心网是最佳的选择：



1）使用CloudEdge平台可以做到All In One Box（vUSN + vUGW + vHSS），交

付速度快；



2）新建的专用网不会对现网造成任何影响；

3）基于CloudEdge平台，更容易扩展NB-IOT中的一些新功能，比如Coap Proxy

等

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



NB-IoT的部署方式有三种，standalone、guardband和Inband



Standalone是指NBIoT载波部署于UMTS/LTE载波外，可以利用多余的频谱资源，

也可以通过refarming GSM载波获取，通过refarming GSM频谱部署NB-IoT时，与

周围GSM载波之间需要保留100K保护带。



Guard band是指NB-IoT部署在LTE的频谱两侧的保护带内，为避免干扰，与LTE

RB之间需要保留100K保护带，在LTE保护带部署，LTE的带宽至少需要10M。



Inband是指NBIoT载波部署在LTE工作带宽内，利用至少1个RB资源发送NB-IoT信

号。Inband部署，与周边RB之间不需要保护带，但Inband发射功率谱密度最多

只能比LTE RB功率谱密度大6dB。



Guard band/Standalone 200kHz,两位各10kHz保护带，实际资源带宽180kHz。In band

180kHz。

下行采用15KHz OFDMA技术，每个信道15KHz，共12个子信道。

上行支持分为single-tone和multi-tone两种，其中single-tone包括3.75KHz和15KHz两种，

multi-tone为15KHz SC-FDMA。



NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



TR 23.720

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



Single-Tone功能应该成为NB-IoT UE的基线功能



商业成功角度



终端成本低是商业成功的基础，许多物联网的应用要求的是极低成本的

模块

当前NB-IoT的一些功能已经向LTE/eMTC对齐，由此带来的成本上的挑战

已经很大，需要将低成本的Single-Tone方案作成为一个基线功能

Single-Tone技术原理门槛不高，许多之前进行Sub-1GHz unlicend频谱

收发信机生产的生产商可以将原有技术积累应用到NB-IoT的终端芯片开

发中





产业生态角度



采用的物理层基本技术是多是成熟技术（涉及知识产权的问题很少），

可以降低生产商的知识产权纠纷风险

Single-Tone的技术成熟，可以降低之前没有生产过基于小区通信modem

器件的生产商在进行开发生产中的风险



NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



Single-Tone技术可以降低终端复杂度



支持简单并高能源利用效率的收发信机架构



使用低相位/幅度调制带宽的极化调制器（Polar modulator）

输出频谱干净，因此减少了使用滤波器造成的额外能耗损失，提高了能

源利用效率

该架构被用于许多低成本Sub-1GHz非小区通信的解决方案中

一块SoC应该集成包括PA在内的几乎所有的基线IoT解决方案，这种做法

与Bluetooth Smart解决方案类似

Single-tone的PAPR是非常低的，因此可以将PA工作在很高的效率（>55%）

由于集成PA，可以降低封装时PCB的占用面积，这也有利于降低芯片热

损耗

由于Single-tone技术的低调制带宽和低PAPR，采用极化调制方案，未来

可以进一步做到高度集成（通过将幅度调制与PA结合，相位调制与本地

振荡器结合）





允许高发射功率（23dBm）的PA集成到SoC中





Single-Tone技术对终端的覆盖能力和电池寿命的影响



覆盖上不受影响



Single-tone技术的优点就是由于噪声带宽小因此覆盖性能比较好，在最

差的覆盖等级上，UE会采用Single-tone模式进行传输，而且这应该成为

在最差覆盖等级下所有UE的基本传输模式。



电池寿命不受影响



在>154dB耦合损耗的场景下，所有UE都应该采用Single-tone的传输模式

以获得相应覆盖和容量性能，所以对于耦合损耗>154dB的场景，电池寿

命是一致的。

对于UE处于低耦合损耗的场景，Single-tone的传输时长就会比Multi-tone

的长，但是采用Single-tone技术的UE可以通过降低发射功率来减少能耗，

因此在相同的IoT业务模型和电池漏电模型下，电池寿命同样是很长的

（>=10年）





对网络容量的影响



在耦合损耗>=154dB的场景



在>154dB耦合损耗的场景下，所有UE都应该采用Single-tone的传输模式，

在这种情况下对网络容量的影响与Multi-tone无关

支持Multi-tone的UE可以采用Multi-tone传输数据，也可以采用Single-tone

传输，使用Single-tone传输的UE发送时间会长，占据时域资源更多。



在耦合损耗<=144dB的场景





从整体而言，使用Single-tone时，只在中近点（MCL<=144dB）时会有一定影响，

但是总体而言影响不是很大。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



Multi-Tone功能的定位



Multi-Tone功能应该是作为NB-IoT终端的高级扩展功能，用终端成本的提升以获

得较高的传输速率（虽然在绝大多是NB-IoT应用场景下都是低速率的短报文传输

服务）



对于Multi-Tone的终端而言，终端的复杂性主要取决于Multi-tone，实现兼容

Single-tone功能是向下兼容，并不会增加UE的复杂度

网络侧需同时兼容Multi-tone和Single-tone两种功能以保证两种模式间的互操作

和切换



NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



PSD Power Spectral Density 功率谱密度

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



格式0：对应0dB覆盖增强场景，一组PRACH资源占用6个组，每组3个符号，对应时域

占用4.8ms；



格式1：对应10dB覆盖增强场景，一组PRACH资源占用12个组，每组6个符号，对应时

域占用19.2ms；

格式2：对应20dB覆盖增强场景，一组PRACH资源占用120个组，每组6个符号，对应时

域占用192ms。



MCL：最大耦合损耗

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



In-band NB-IoT 通过打孔与LTE兼容。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



1、PSCH用于UE和基站间的同步，同步信号包括NB-PSS（NB主同步信号）和NB-SSS

（NB辅助同步信号）两种。NB-PSS用于小区检测、子帧和符号级的同步，载波和频率

采样的频率同步；NB-SSS用于无线帧级别时间同步和物理小区指示。



2、NB-PSS发送周期为10ms，固定在每个无线帧的5#子帧发送。NB-SSS发送周期为

20ms，固定在20ms周期最后无线帧的9#子帧发送。

UE与网络进行同步，需要解调NB-PSS和NB-SSS的信息。则终端需要的最短平均接收时



间为40ms 。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



NB-PBCH主要用于广播MIB消息，周期为640ms，8次重复，固定在每个无线帧的0#发送。

每个80周期内，传输的数据相同，但是编码不同。



MIB消息长度不超过34bits，加上CRC校验16bits，实际传输数据不超过50bits.

终端接收MIB消息，需要至少接收80ms。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



注：由于GSM终端发射功率最大可以到33dBm，NB-IOT发射功率最大23dBm，所以实

际NB-IOT终端比GSM终端功率谱密度高7dB。



深度覆盖能力主要来源于NB-IOT技术天然的优势：窄带

物联网设备发送的数据包是非常小的，通常在几个到几百个byte之间，而无论是GSM还

是LTE也好，都是面向语音数据等宽带业务的，所以对于终端的数据包请求分配的资源

是较大的，例如GSM和LTE是以180kHZ的频谱资源颗粒来分配的。但是终端的功率又是

恒定的，例如200mW，这样当这些数据在一些宽带的资源上发送，这200mW的功率不

得不分配到180kHz的带宽上，平均的功率就会较低。



而NB-IOT分配资源的颗粒是5kHz，这个带宽能承载达几Kbps速率的业务，对于物联网

业务以及足够。而另一方面，对于终端的200mW功率，是在仅仅5kHz的带宽上发送，

所以平均功率会高很多。

通过窄带可以获得17dB的增益，另外通过重传技术（相同的数据包重复传输若干次）

获得额外的9~12个dB(8到16次重传)的覆盖增益。

在无线规格上最终NB-IOT将超过GSM、LTE等20+dB的覆盖能力，这意味着对于室内覆

盖，能够多穿透1至2堵墙，那么部署在墙内或地下室的物联网设备完全不需要额外的

站点加密就能获得良好覆盖。对于室外情况也类似，一些部署在地底的设备可以轻松覆

盖。



NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



还有上行4Rx，CoMP等技术可以用于提升覆盖性能。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述

1、链路预算出处：协议45.820-d00

GPRS：

下行：P464 Table B.1: Link budget table for legacy GPRS downlink

上行：P465 Table B.2: Link budget table for legacy GPRS uplink

LTE：

协议36.888

P12 Table 5.2.1.2-2: MCL calculation for normal LTE FDD (e Note 1)

NB-IoT：

standalone：P6 R1-156800 Downlink Performance Evaluations for Standalone Operation

guardband：P4 R1-156801 Downlink Performance Evaluations for Guard-band Operation

Inband： P5 R1-156802 Downlink Performance Evaluations for In-band Operation

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



基于NB IoT技术，物联网终端在发送数据包后，立刻进入一种休眠状态，不在进行任何

通信活动，等到它有上报数据的请求的时刻，它会唤醒它自己，随后发送数据，然后又

进入睡眠状态。按照物联网终端的行为习惯，将会达到99%的时间在休眠状态，使得功

耗会非常低。



UE进入PSM模式后，只有在UE需要发送MO数据，或者周期TAU/RAU定时器超时后需要

执行周期TAU/RAU时，才会退出PSM模式。因为UE不监听系统消息，即使UE移动导致

TA/RA变化，也不会退出PSM模式。

PSM的缺点主要是对MT业务响应不及时。主要应用于表类等对下行实时性要求不高的

业务



NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



节电技术针对非时延敏感类终端业务优化了更长的休眠周期。MME根据UE业务类型

（APN）决定周期长度。



LTE寻呼DRX周期目前最大是2.56s，而eDRX周期最大为2.92小时，醒来后要监听一段时

间后才会再次休眠。对下行业务的响应比PSM快一些，主要用于跟踪类业务；

终端经过一段时间（PTW）的DRX后，进入PSM模式，PTW长度可配，PTW包含多个普

通寻呼周期（TDRX）。



NB-IoT窄带蜂窝物联网概述

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对于主要由终端触发的物联网业务，节电模式可以更有效的控制模块的开关。

PSM是UE和核心网之间的功能，eNB不感知。

UE和CN(MME/SGSN)通过NAS消息协商一个active timer，该timer在UE转为空闲态后启动。

active timer超时后，MME/SGSN判定UE进入PSM，拒绝下行业务和寻呼；UE侧，该timer

超时后，UE关闭接入层（AS）功能（如小区选择等）进行省电，这样UE和网络关于UE

进入省电模式的信息是同步的。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



首先，NB-IOT的基站是基于物联网的模式进行设计的。物联网的话务模型是和手机不同

的，它的话务模型是终端很多，但是每个终端发送的包小，发送包对时延的要求不敏感。

当前的2G/3G/4G基站是设计保障用户可以同时做业务并且保障时延，基于这样的方式，

用户的联接数或者接入数目是控制在1K左右的。但是基于NB-IOT，基于对业务时延不

敏感，可以设计更多的用户接入，保存更多的用户上下文，这样可以让100k作用的终

端同时在一个小区，大量终端处于休眠态，但是上下文信息由基站和核心网维持，一旦

有数据发送，可以迅速进入激活态。



另外，2G/3G/4G的调度颗粒较大，NB-IOT因为基于窄带，调度颗粒小很多，在同样的

资源情况下，资源的利用率会更高。在同样覆盖增益要求下，重传次数少或者没有，频

谱效率也更高。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述

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对于少量数据业务，数据将通过NAS of RRC Conn Setup Complete消息在控制面传输，

达到增强传输效率，降低开销的目的。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述

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端到端的多层流控机制保证了海量连接的可靠性。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述

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芯片模组成本是产业能否发展的决定性因素。

只有NB-IoT的模组成本可以达到$5，能形成对于Sigfox，LoRa最有力的竞争力。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



Cellular IoT架构：



面度不同需求，蜂窝物联网接入侧有不同的技术。对于宽带宽高速率的业务，

采用LTE；对于窄带宽低功耗的业务，采用NB-IoT,MTC/eMTC;对于高可靠性，低

时延业务需求，采用LTE-V。



IoT Core有两种方案。一是现有EPC软件升级，二是采用新EPC。

面对不同的业务需求，采用统一的IoT平台来支撑。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述



除了芯片、模组最早具备能力外，NB IoT已经基于预商用产品和预商用的终端与多个运

营商开展了项目，包括VDF西班牙、德电德国、中国联通上海、ET阿联酋等。



通过这些项目，NB IoT的E2E能力进行了充分验证，另外应用的u ca也正在变得更丰

富，包括智能抄表、跟踪类应用、智能手环等逐渐成熟。

NB-IoT窄带蜂窝物联网概述

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