认知计算与深度学习基于物联网云平台的智能应用第4章 NB-IoT 技术与架构.

认知计算与深度学习基于物联网云平台的智能应用第4章 NB-IoT 技术与架构

目录 1 2 3 4 5 CONTENT NB-IoT 概述 NB-IoT 特性及关键技术 NB-IoT 与几种技术的对比

NB-IoT 概述---NB-IoT发展背景
近几年，随着物联网技术的飞速发展，万物互联逐渐成为现实。从传输速率的角度来看IoT服务包括低速率服务（如，抄表服务）和高速率服务（如，视频服务）。据不完全统计，低速率服务已经占据超过IoT服务总量的67%，然而却没有强大的蜂窝网技术来支撑这些服务。低速率WAN技术具有广阔的需求。

从传输距离来看，IoT通信技术可以分为短距离通信技术和 WAN 通信技术。短距离通信技术典型应用是智慧家居。 WAN通信技术主要服务于低速率服务，通常被定义为低功耗广域网，典型应用是智能泊车。

根据工作频带是否授权，WAN通信技术可以被分为两种：
NB-IoT 概述---NB-IoT 是什么？根据工作频带是否授权，WAN通信技术可以被分为两种：一种是工作于授权频带，比如Lora,sigfox等，这一类技术通常是非标准、自定义执行的。一种是工作于非授权频带，一般是相对更成熟的2G/3G蜂窝网技术，比如GSM,CDMA,WCDMA等，或者是LTE技术和演进型LTE技术。

根据工作频带是否授权，WAN通信技术可以被分为两种：
NB-IoT 概述---NB-IoT 是什么？根据工作频带是否授权，WAN通信技术可以被分为两种：这两类技术应用也正在部署，能支持不同类别的终端接入。其标准化定义通常由国际标准组织，如3GPP，制订了GSM,WCDMA,LTE及演进型LTE等技术相关标准，以及3GPP2,制定了CDMA相关技术标准。

NB-IoT 概述---NB-IoT 是什么？
定义：NB-IoT（窄带物联网）是3GPP为传感感知、数据采集，如智能抄表、环境监测等应用场景而提出的大规模低功耗广域网（LPWA）技术。技术特征：大规模连接、超低功耗、广域覆盖、深度覆盖、信令数据双向触发为技术特征。同时，还有强大的通信网络为支撑，因此有广阔的发展前景。

NB-IoT 概述---NB-IoT 发展简史与标准化进程
长时间来，蜂窝移动通信以用户语音服务、移动宽带服务为主。然而从2005年开始，3GPP逐渐开始研究蜂窝网承载机器类通信服务的可行性和改进措施，以使其成为5G网络一个重要组件，如下一页的表所示。

文档编号开始时间冻结版本版本重点关注的技术领域 22.868 2005 2008 R8 计费、寻址、安全、通信模式、海量用户 33.812 2007 2009 R9 远程订阅管理、安全需求、安全架构增强 22.368 2015 R10 通用与专属的业务需求 23.888 2012 网络体系结构增强、核心网信令拥塞与拥塞控制 37.868 2010 R11 业务特性与建模、接入网增强与拥塞控制 43.868 2014 R12 业务特性与建模、GERAN 增强（如资源分配、过载与拥塞控制、寻址格式、节能模式）

文档编号开始时间冻结版本版本重点关注的技术领域 23.769 2014 2015 R12 GROUP, MONTE, 服务能力开放 23.789 GROUP MONTE 23.770 扩展的非连续接收（eDRX） 43.869 典型用例与业务模型、GERAN UEPCOP 增强 45.820 2016 室内覆盖增强、支持海量小数据终端、更低的终端复杂度与成本、更高的功率利用率、时延特性、与现有系统的兼容性、网络体系架构（NB-IoT 雏形） 37.869 2013 信令剪辑、UEPCOP

文档编号开始时间冻结版本版本重点关注的技术领域 23.769 2014 2015 R13 GROUP, MONTE, 服务能力开放 GROUP 23.789 MONTE 23.770 扩展的非连续接收（eDRX） 43.869 典型用例与业务模型、GERAN UEPCOP 增强 45.820 2016 室内覆盖增强、支持海量小数据终端、更低的终端复杂度与成本、更高的功率利用率、时延特性、与现有系统的兼容性、网络体系架构（NB-IoT 雏形） 22.861 --- R14 大规模机器类通信（mMTC）的典型用例与业务需求 22.862 低时延高可靠通信（uRLLC）的典型用例与业务需求

NB-IoT技术由中国华为公司牵头。相比非3GPP LPWA技术，3GPP LPWA技术一般通过软件升级和核心网复用部署于授权频带，预计到2017年逐渐实现NB-IoT终端芯片的成本缩减和商业推广。自2015年2月中国 IMT2020 工作组提出相关概念以来，相关的技术方案完善工作也正在进行，工作组在原理样机和终端芯片上投入了大量的研究工作。然而受发布时间影响，R13只为 NB-IoT 的长期发展提供了初步框架，进一步的工作只能在R14中进一步完善。3GPP R14依据典型应用场景和服务特性差异将MTC服务进一步分为两类: mMTC 和 uRLLC。基于R13提出的五个目标，R14提出诸如支持定位，多播，移动性，高速率和链路自适应等功能要求以使蜂窝网IoT技术有更广的适用范围。3GPP采取两步走策略来应对MTC服务的技术挑战。第一步为过渡策略，即充分利用和优化现有网络和技术来承载MTC服务；第二步为长期策略，即引入新的空口技术来保证MTC服务，以维持相对其他非3GPP LPWA技术的核心竞争力。

NB-IoT 的特性与关键技术---NB-IoT 的特性
低功耗覆盖增强和低延迟敏感传输模式频谱资源工作模式帧结构组网半静态链路自适应数据重传

NB-IoT 的特性与关键技术---低功耗
借助PSM和eDRX技术，NB-IoT可以实现更长时间待机。 PSM（节电模式）技术是R12中新加入的功能。在这个模式下，终端仍然注册在线，但是信令已无法到达终端以使终端进入更长时间的深度睡眠状态来达到节电目的。

借助PSM和eDRX技术，NB-IoT可以实现更长时间待机。 eDRX则是R13中加入的功能，它进一步延长了终端在空闲模式下的睡眠周期，并减少了接收单元不必要的启动。相比 PSM，它大幅提高了终端的下行可达性。

PSM和eDRX节点机制

电池寿命/年报文大小/报告间隔耦合耗损=144dB 耦合耗损=154dB 耦合耗损=164dB 50字节/2小时 22.4 11.0 2.5 200字节/2小时 18.2 5.9 1.5 50字节/1天 36.0 31.6 17.5 200字节/1天 34.9 26.2 12.8 图中表示集成PA的电池寿命估算

NB-IoT 的特性与关键技术---覆盖增强和低延迟敏感
根据TR45.820的仿真数据，可以看到NB-IoT独立部署模式下的覆盖功率可达164dB。带内部署和保护带部署模式下的仿真实验需要在未来进行。为了增强覆盖范围，NB-IoT采取了诸如重传（可达200次）和低阶调制等等覆盖增强机制。目前，NB-IoT是否真的支持164QAM还需进一步讨论。

在164dB耦合损耗下，若保证可靠数据传输，延迟也会由于重传提高。 TR45.820还进行了异常报告服务场景下的仿真实验，仿真测试了保证99%数据传输可靠性，不同耦合损失下的延迟情况。仿真结果展示在下一页的表中。

处理时间发送报告无头压缩（100 byte负荷）发送报告有头压缩（65 byte负荷）耦合耗损/dB 144 154 164 Tsync/ms 500 1125 TPSI/ms 550 TPRACH/ms 142 T上行分配/ms 908 921 976 T上行数据/ms 152 549 2755 93 382 1964 T上行ACK/ms 933 393 632 958 540 T下行分配/ms T下行数据/ms 总时间/ms 4236 4525 9911 4152 4338 7851 图中表示异常报告业务场景中，保证99%可靠性下的不同耦合耗损环境的时延

在目前的3GPP IoT愿景中，可容许的延迟时间为10s，而实际往往还能提供更低的时延，在最大耦合损失下大约为6s。更多的细节可以参阅TR45.820关于NB-CioT的仿真结果。

NB-IoT 的特性与关键技术---传输模式
a层级技术特点物理层上行 BPSK或QPSK调制 SC-FDMA 单子载波，子载波间隔为3.75kHz和15kHz，传输速率在16kbit/s – 200kbit/s 多子载波，子载波间隔为15kHz，传输速率在16kbit/s – 250kbit/s 下行 QPSK调制 OFDMA，子载波间隔为15kHz，传输速率在16kbit/s – 250kbit/s 物理层以上层基于LTE的协议核心网基于S1接口 BPSK: 二进制相移键控 NB-IoT: 窄带物联网 OSPK: 正交相移键控 LTE: 长期演进 OFDMA: 正交频分多址 SC-FDMA: 单载波频分多址若子载波间隔为15kHz，则可将频带划分出12个连续的子载波。同理，对于3.75kHz的子载波间隔，则可划分48个连续的子载波。多子载波传输模式支持15kHz的子载波间隔，并划分出12个连续的子载波。这些子载波可以组合成3个，6个或12个连续的子载波。由于3.75kHz子载波功率谱密度更高，所以在相同TBS情况下它的覆盖能力高于12kHz子载波。应用15kHz子载波的小区容量是3.75kHz的92%，但是它的调度效率和复杂度要优于后者。由于NPRACH必须使用3.75kHz单子载波传输模式，所以目前大部分设备的上行链路都支持3.75kHz单子载波传输模式。但随着15kHz单子载波传输和多子载波传输逐渐被采用，未来设备将依据信道质量自适应地选择传输模式。NPDSCH传输的最小调度单元是RB，NPUSCH传输最小调度单元为RU。对单子载波传输，3.75kHz载波间隔下调度单元时长32ms，15kHz载波间隔下调度单元时长则为8ms。对多子载波传输，当子载波包含三个载波间隔时，调度单元时长为4ms；当子载波包含六个载波间隔时，调度单元时长为2ms；当子载波包含十二个载波间隔时，调度单元时长为1ms。 NB-IoT的高层协议(包括物理层)是基于LTE标准制定的，为满足多连接、低功耗和少数据特性而做了部分修改。设备可通过S1接口接入NB-IoT核心网。

如表所示，NB-IoT在LTE基础上发展的。它沿用了LTE的相关技术，但根据自身特性做出了相应调整。物理层射频带宽：200kHz 下行链路：QPSK、OFDMA技术子载波间隔：15kH 上行链路：BPSK/QPSK调制、SC-FDMA技术。

有单子载波和多子载波两种。其中子载波间隔为3.75kHz和15kHz 的单子载波可用于超低速率、超低功耗IoT终端。若子载波间隔为15kHz，则可将频带划分出12个连续的子载波。同理，对于3.75kHz的子载波间隔，则可划分48个连续的子载波。多子载波传输模式支持15kHz的子载波间隔，并划分出12个连续的子载波。

这些子载波可以组合成3个，6个或12个连续的子载波。由于 3.75kHz子载波功率谱密度更高，所以在相同TBS情况下它的覆盖能力高于12kHz子载波。应用15kHz子载波的小区容量是3.75kHz的 92%，但是它的调度效率和复杂度要优于后者。 NB-IoT的高层协议(包括物理层)是基于LTE标准制定的，为满足多连接、低功耗、少数据特性而做了部分修改。

NB-IoT 的特性与关键技术---频谱资源
在未来通信服务市场里，物联网将是吸引用户群的核心业务之一。 NB-IoT的发展受到中国四大电信运营商的支持。中国联通已经开始运营NB-IoT的商用网络。这四大运营商也各自为NB-IoT分配了频谱资源，如下一页的表所示。在未来通信服务市场里，物联网将是吸引用户群的核心业务之一，因此NB-IoT的发展也受到中国四大电信运营商的支持。这四大运营商也各自为NB-IoT分配了频谱资源，如表4-5所示。其中中国联通已经开始运营NB-IoT的商用网络。

NB-IoT 的特性与关键技术---频谱资源
运营商上行频段/MHz 下行频段/MHz 频宽/MHz 联通 909 – 915 6 1745 – 1765 20 电信 825 – 840 970 – 885 15 移动 890 – 900 10 1725 – 1735 广电 00 700 未分配 NB-IoT: 窄带物联网在未来通信服务市场里，物联网将是吸引用户群的核心业务之一，因此NB-IoT的发展也受到中国四大电信运营商的支持。这四大运营商也各自为NB-IoT分配了频谱资源，如表4-5所示。其中中国联通已经开始运营NB-IoT的商用网络。

NB-IoT 的特性与关键技术---工作模式
根据 NB-IoT RP 文件规定，NB-IoT目前仅支持FDD传输模式，带宽为180kHz,支持三种部署场景：独立部署：即 stand-alone 模式，工作于独立频带，与 LTE 频带不重叠。保护带部署：即Guard-band 模式，工作于LTE 频带的边缘频带。带内部署：即In-band 模式，工作于 LTE 频带，占用1个PRB。

NB-IoT 的特性与关键技术---工作模式
LTE:长期演进 NB-IoT:窄带物联网

NB-IoT 的特性与关键技术---帧结构
NB-IoT eNodeB的下行链路支持以太无线帧结构1（FS1），如图所示。上行链路仅在子载波间隔为15kHz的情况下支持FS1。而在子载波间隔为3.75kHz时，则支持新定义的帧结构，如图所示。

NB-IoT 的特性与关键技术---帧结构
NB-IoT帧结构（上、下行15kHz子载波间隔）

图 NB-IoT帧结构（上行3.75kHz子载波间隔）

NB-IoT 的特性与关键技术---组网 • 终端：只要设备上安装了相应的SIM卡就可以支持所有行业的IoT设备接入。
• 基站：主要指那些已经被电信运营商部署的LTE基站 • 核心网：NB-IoT基站通过NB-IoT核心网链接到NB-IoT云。 •NB-IoT 终端：NB-IoT支持所有行业的IoT设备接入，只要设备上安装了相应的SIM卡。 •NB-IoT 基站：NB-IoT基站主要指那些已经被电信运营商部署的LTE基站，支持上述三种部署模式。 •NB-IoT 核心网：NB-IoT基站通过NB-IoT核心网链接到NB-IoT云。 •NB-IoT 云平台：NB-IoT云可以对不同服务进行处理，并将结果转发到垂直行业中心或者NB-IoT终端。 •垂直行业中心：垂直行业中心既可以获取到NB-IoTd的服务数据，同时也能对NB-IoT终端进行控制。

NB-IoT 的特性与关键技术---组网 • 云平台：可以对不同服务进行处理，并将结果转发到垂直行业中心或者终端。
• 垂直行业中心：既可以获取到NB-IoTd的服务数据，同时也能对NB-IoT终端进行控制。 •NB-IoT 终端：NB-IoT支持所有行业的IoT设备接入，只要设备上安装了相应的SIM卡。 •NB-IoT 基站：NB-IoT基站主要指那些已经被电信运营商部署的LTE基站，支持上述三种部署模式。 •NB-IoT 核心网：NB-IoT基站通过NB-IoT核心网链接到NB-IoT云。 •NB-IoT 云平台：NB-IoT云可以对不同服务进行处理，并将结果转发到垂直行业中心或者NB-IoT终端。 •垂直行业中心：垂直行业中心既可以获取到NB-IoTd的服务数据，同时也能对NB-IoT终端进行控制。

NB-IoT 的特性与关键技术---半静态链路自适应
NB-IoT面向的服务场景大多数是小数据包传输。一般来说，NB-IoT没有条件提供长时间持续的信道变化检测，因此NB-IoT没有设计动态链路自适应方案。 NB-IoT提出依据终端所处覆盖等级来选择相应的调制编码模式和数据重传次数，即半静态链路自适应。

NB-IoT 的特性与关键技术---半静态链路自适应
覆盖等级分为三种，即常规覆盖（normal coverage）、增强覆盖（robust coverage）和极远覆盖（extreme coverage），相应的最小耦合损耗（MCL）分别为 144dB，154dB，164dB。 NB-IoT基站支持一个RSRP列表配置，其中包括两个RSRP 阈值，用于区分不同的覆盖等级。

NB-IoT 的特性与关键技术---数据重传
NB-IoT引入数据重复传输来获取时分收益，并采用低阶调制来增强解调性能和覆盖能力。一般来说，所有信道都能对数据进行重复传输，3GPP规定了数据重传次数和相应的调制模式，如表所示。 NB-IoT引入数据重复传输来获取时分收益，并采用低阶调制来增强解调性能和覆盖能力。一般来说，所有信道都能对数据进行重复传输，3GPP规定了数据重传次数和相应的调制模式，如表所示。

NB-IoT 的特性与关键技术---数据重传
物理信号/物理信道名称重复次数调制方式下行 NPBCH(窄带物理广播信道) 固定64次 QPSK NPDCCH(窄带物理下行控制信道) {1,2,4,8,32,64,128,256,512,1024,2048} NPDSCH（窄带物理下行共享信道） {1,2,4,8,32,64,128,192,256,384,512,768,1024,1536,2048} 上行 NPRACH（窄带物理随机接入信道） {1,2,4,8,32,64,128} -- NPUSCH(窄带物理上行共享信道) ST: 𝛑/𝟒-QPSK；𝛑/𝟐-QPSK MT:QPSK NB-IoT引入数据重复传输来获取时分收益，并采用低阶调制来增强解调性能和覆盖能力。一般来说，所有信道都能对数据进行重复传输，3GPP规定了数据重传次数和相应的调制模式，如表所示。

NB-IoT 的特性与关键技术---连接数分析理论
为了解决LTE接入网在大规模MTC终端同时接入时面临的过载问题，研究者们将研究重点放在了LTE RACH的承载压力和过载控制机制，比如分类受控接入，专属RACH资源、RACH资源动态分配、专属退避机制、分时接入、主动寻呼机制等。

Cheng等人通过计算机仿真首次给出了单信道ALOHA受脉冲负载激励时的暂态性能，并以积压下降时间(backlog fall time)作为性能评价指标。 Xin等人则通过扩散近似法(diffusion approximation)研究了单信道ALOHA受伯努利过程激励时的积压用户数暂态性能。 Raychaudhuri,Ren 和Wei 等人以第i个随机接入时隙(RA slot)内第j次进行随机接入的用户数(Mi(j))为状态变量，给出了多信道 S-ALOHA 的暂态性能分析办法，并给出了 LTE RACH 吞吐量、时延、重传次数等的分析方法。

为完善NB-IoT 容量分析理论，研究人员开始研究任意随机接入强度（含3GPP Beta 服务模型）激励、总带宽受限，NPRACH、NPDCCH、NPDSCH、NPUSCH 相互制约时，NB-IoT RACH 可支持的最大连接数及最佳资源分配比例。

NB-IoT 的特性与关键技术---时延分析理论
上行接入时延包括系统同步时延、广播信息读取时延、随机接入时延、资源分配时延、数据传输、反馈应答时延等。其中部分时延为确定性处理时延，而部分则与信号监测有关，还有部分随机接入时延则与服务行为有关。现有工作主要研究随机接入时延的均值和方差，只有少部分工作研究随机接入时延的概率密度函数。

Rivero-Angles和C.H.Wei等人以用户积压数和信道状态为状态变量，基于马尔科夫过程导出了随机接入时延PDF的概率生成函数（MGF）。然而，它的计算复杂度实在太高，在用户数目过大时几乎无解。 L.wei等在假设服务请求到达间隔和退避时间均服从负指数分布情况下导出了随机接入时延的PDF。 A.Laya和G.Y.Lin等假定重传次数为定值或者服从几何分布，导出了随机接入时延的概率分布函数（CDF）。基于Beta服务模型，R.G.Cheng等通过均值方法估计了成功接入设备的最大重传次数、随机接入时延CDF的近似形式。

L.Dai等通过分段线性函数近似Beta分布的方法，在不考虑最大重传次数影响的情况下，导出了随机接入时延的下界。但总体来看，目前随机接入时延的理论计算模型依旧需要进一步完善，即使是面对最简单的泊松服务模型和均匀退避机制情况。越来越多的工作开始关注在任意随机接入强度情况下NB-IoT随机接入时延的静态特性，其中PDCCH受限或者PDCCH不受限的情况需分别考虑，以完善NB-IoT时延分析理论。

NB-IoT 的特性与关键技术---覆盖增强机制
NB-IoT的窄带调制和sub-GHz部署机制可在一定程度上增强NB-IoT的接收敏感度以增强其覆盖能力。 3GPP并没有给出覆盖等级的判别和升级机制，性能分析也止步于基于最大耦合损耗（MCL）的静态分析，上述机制的动态运行过程也难以描述。

研究者们转而借鉴自适应调制编码领域的研究思想和方法对基于覆盖等级的增强机制进行性能分析和优化设计，以形成基于动态统计复用的覆盖等级判别升级机制和覆盖增强机制。

过程分为三步： 1. 依据接收信号强度（RSSI）或信干噪比（SINR）确定覆盖等级的最优判别阈值，其中接收信号强度（RSSI）或信干噪比（SINR）由建筑穿透损耗（BPL）决定；

过程分为三步： 2. 根据物理层HARQ时间或MAC层ACK/NAK时间对覆盖等级进行动态调整； 3. 根据当前状态和各指标长期统计规律完成覆盖增强，确定最优传输机会，重传次数和重传功率，完成性能分析并确定系统参数的最优取值范围。

NB-IoT 的特性与关键技术---超低功耗技术
为了实现NB-IoT超低功耗目标，3GPP引入了PSM和扩展非连续接收（eDRX）技术。然而，3GPP的仿真分析结果显示，如果终端每天只进行一次数据传输，5Wh电池的使用寿命才可达10年。因此，需进一步研究和改进3GPP的能效机制，这也是3GPP R14的主要工作之一。针对DRX能耗模型研究工作多数还停留在研究单设备的能耗水平，建模关键在于控制信令和设备工作模式切换之间的关系。这一问题的解决方法通常为通过获取马尔科夫链不同状态下的稳态概率与持续时间进而推导能耗效率及其与时延的权衡关系。除了连接数和时延分析理论，任意随机接入强度下NB-IoT随机接入过程的能耗模型和优化设计方法也值得深入研究，以全面地评估NB-IoT的能效水平和改进策略。

NB-IoT 的特性与关键技术---信令与数据耦合关系
华为成都研究所测试部曾提出，目前在测试大规模设备同步接入承载网时，大部分测试设备和仿真工具的信令面和数据面都是分离的。这虽然给信令面和数据面的独立压力测试带来一定方便，但它无法实现信令面和数据面的双向触发，尤其无法实现用户触发信令服务。迫切需要一个可以描述信令面和数据面耦合关系的模型来实现信令面和数据面的耦合仿真。大多数工具基于用户行为对一些特定的协议和场景进行了仿真，但几乎都没有关注信令数据的相关性。现有工作大部分都只是给出了信令开销的简要计算，仍然缺乏对信令数据相关性的深入研究。研究者们需要更深入地研究NB-IoT物理层和MAC层的主要处理过程，以建立动态信令开销模型来描述信令数据或服务模型之间的相关性。同时也需要结合样本路径理论（sampling paththeory）与遍历理论（ergodic theory）完成性能评估，以为信令数据面的联合压力测试和拥塞避免提供理论指导。

未做针对性优化，预计能力弱于NB-IoT
NB-IoT 与几种技术的对比---与eMTC的对比技术指标 NB-IoT LTE FDD eMTC LTE TDD eMTC（3：1）载波带宽 200kHz 1.4MHz 峰值速率上行 66.7kbps 375kbps（半双工）/1Mbps（全双工） 200kbps 下行 32.4kbps FD:800kbps, HD:300kbps 750kbps 覆盖（与GSM相比）好20dB 好11dB 功耗约10年模组成本初期小于5美金初期小于10美金连接数约5万/小区未做针对性优化，预计能力弱于NB-IoT 移动性空闲态小区重选连接态小区切换

NB-IoT 与几种技术的对比---与eMTC的对比
(1) 覆盖能力 NB-IoT的设计目标是在GSM覆盖能力基础上增强20dB。下行链路主要通过增大信道最大重传次数来增强覆盖（GSM最大耦合路损为144 dB，NB-IoT最大耦合路损为164dB）。

(1) 覆盖能力上行链路虽然发射功率较GSM小了10dBm（GSM为33 dBm，NB-IoT为23 dBm），但通过传输带宽缩减和最大重传次数增加，上行链路最大耦合路损仍能达到164dB。

(1) 覆盖能力而NB-IoT的设计目标是在LTE基础（LTE最大耦合路损为150dB）上增强15dB，主要依赖信道重复实现。总而言之，NB-IoT的覆盖半径为GSM/LTE的4倍左右，而eMTC则为GSM/LTE的3倍左右。NB-IoT的覆盖半径比eMTC长30%。

(1) 覆盖能力 NB-IoT和eMTC的覆盖增强特性可用于提高设备的深度覆盖能力，以增加网络覆盖率，或者减少基站密度以降低成本。

(2) 功耗对大多数IoT应用而言，一个很大的问题就是由于地理位置或成本的原因，难以对设备进行更新。因此，功耗对IoT终端能否在特殊场景下实现商用起到重要作用。在3GPP标准中，NB-IoT对终端服务寿命的设计目标是10年。实际设计中，引入了eDRX与PSM以降低功耗。

(2) 功耗 NB-IoT通过降低峰均比来提高功率放大器（PA）效率，减少周期性测量、支持单线程来提高电池效率，以达到设计目标。然而，在实际使用中，电池的服务寿命还与特定服务模型和覆盖区域密切相关。

(3) 模块成本 NB-IoT采用了更简单的调制解调编码方式以降低对存储器及处理器的要求。除此之外，NB-IoT还采用了一系列措施，如半双工方式、无双工器、带外缩减及阻塞指示器等，来降低成本。在目前的市场规模下，模块成本在5美元左右。将来，随着市场规模增大，模块成本也会相应下降，但具体下降数量和时间还需依据行业发展速度。

(4) 连接数连接数是IoT大规模应用的关键因素。 NB-IoT初步设计目标是每个小区支持50000个设备连接。实际目标最终能否被实现还取决于小区内每个NB-IoT终端的服务模型，还需进一步的测试评估。

(4) 连接数而eMTC并没有特别针对IoT进行连接优化，目前预计它所支持的连接数小于NB-IoT技术，对特定性能的评估还需进一步测试和评估。

(5) 还需加强的功能定位功能：为了节省功耗，NB-IoT R13并未设计PRS和SRS。因此，NB-IoT只能通过基站侧E-CID进行定位，其定位精度较低。未来还需研究增强定位精度的特性和设计方案。

(5) 还需加强的功能多播：在IoT服务中，基站是有可能同时向大量设备发送相同的数据包的。然而NB-IoT R13并没有相应的多播服务，这将导致大量系统资源的浪费，整体数据传输时间也就相应拉长了。R14可能会考虑多播特性并提高相关性能。

(5) 还需加强的功能移动/业务连续性增强：NB-IoT R13主要考虑了静态或低速用户，并不支持邻区测量与报告。因而无法支持连接态下小区切换，而只支持空闲态下小区重选。R14将增强UE测量和报告，并支持连接态小区切换。

(6) 语音支持标清和高清VoIP语音速率分别为12.2kbps和23.85kbps，即只有当全网至少提供10.6 kbps与17.7 kbps的应用层速率方可支持标清和高清VoIP语言服务。 NB-IoT的上下行吞吐速率峰值分别67kbps与30kbps，不支持语音服务。

(6) 语音支持而eMTC在FDD模式下，上下行速率基本符合语音服务要求。然而，从行业角度来看，目前它所支持的情况非常有限。而eMTC在TDD模式下，由于上行链路资源数有限，它支持语音服务的能力弱于FDD模式的情况。

(7) 移动性管理 NB-IoT R13不能实现连接态的小区切换或重定向，而只能支持空闲态的小区重选。接下来的发展极有可能针对一些垂直行业要求提出连接态的移动性管理要求。由于eMTC技术是在LTE基础上优化设计而来，故而可支持连接态的小区切换。

(8) 网络部署对现网影响对运营商而言，网络部署决策过程中要考虑的最主要的问题就是网络部署的复杂度和组网成本。核心网的独立部署以及对现网设备的更新都是必要的。而对于eMTC网络的部署，如果部署基于现有的4G网络，则其无线网可直接基于现有4G网络进行软件升级，同样的方法也可用于核心网部署。对于那些还没有部署LTE FDD的运营商而言，部署NB-IoT类似于部署一个新网络，这将包括无线网和核心网的新建或改造以及对传输结构的调整。此时，如果还没有空闲频谱资源，则需要对现有网络的频谱（通常为GSM）进行调整（Standalone 模式），部署成本将会更高。然而，对于那些已经部署了LTE FDD的运营商而言，部署过程可在很大程度上利用现有设备和频谱资源，因此部署起来会更简单。

(9) 服务模式 NB-IoT在覆盖能力，功耗，成本和连接数等方面的性能更为优越，但不能满足诸如移动性，中等速率和语音服务要求，所以它更适合于低速率和低移动性要求的LPWA应用。

(9) 服务模式而目前eMTC在覆盖能力和模块成本上的性能是弱于NB-IoT的，但是在诸如峰值速率，移动性和语音容量上的性能却是更优的，故而它更适用于要求中等吞吐率、移动性或对语音服务要求较高的物联网应用场景。因此，现在有一种观点认为eMTC下的应用场景更加丰富，应用和人之间的关系也更加直接（即，ARPU值更高）。

NB-IoT 与几种技术的对比---与其他无线通信技术的对比
随着IoT逐渐向智能化发展，LPWAN技术也越来越受到欢迎，市场份额也在逐步增加。到2020年，智能IoT服务类型可根据传输速率要求分为三类。高数据传输率中数据传输率低数据传输率

高数据传输率数据传输率： > 100Mbps 可用技术: 3G，4G、WiFi 主要应用：电视直播，电子医疗，车载导航系统、车载娱乐系统这一类IoT应用的市场份额将超过10%。

(2) 中数据传输率数据传输率： < 1Mbps 可用技术:2G，MTC/eMTC 主要应用：POS机，智能家居、M2M回程链路这一类IoT应用的市场份额将达到30%。然而，2G M2M将逐渐被 MTC/eMTC技术取代。

(3) 低数据传输率数据传输率：< < 100Kbps 可用技术：NB-IoT、SigFox、LoRa、短距离无线通信（如ZigBee）主要应用：LPWAN技术领域，包括传感器、智能电表、商品跟踪、物流、泊车、智慧农业这一类应用的市场份额将高达60%，NB-IoT有广阔的前景。

2020年全球M2M/IoT连接分布网络连接技术市场机遇（细粒度） 10% 高数据率（>10Mbps） CCTV、eHealth 3G:HSPA/EVDL/TDS 4G:LTE/LTE-A WiFi 技术汽车导航/娱乐系统的大利润空间 30% 中数据率（<1Mbps） POS、智能家居、M2M回程 2G:GPRS|CDMA2K1X MTC/eMTC 2G M2M 将逐步被MTC/eMTC技术取代 60% 低数据率（<100Kbps）传感器、电表、追踪、物流、智能停车、智能建筑 NB-IoT SigFox LoRa 短距无线连接（如Zigbee）多种应用实例 LPWA主流市场市场急需 2020年智能物联网连接技术分布

NB-IoT 与几种技术的对比---不同无线通信技术对比
图4-9 NB-IoT与其他无线通信技术对比：(a)不同无线通信技术对比 ; 从覆盖范围和数据传输速率角度进行了对比。短距离、高带宽通信技术，如WiFi，它最大的覆盖范围可达100m，数据传输率最高可到100Mbps，这种通信技术满足短距离高带宽的应用需求。短距离、低数据传输速率通信技术，如蓝牙、ZigBee，它最大的覆盖范围可达100m，数据传输率最高可到100Kbps。而对于GSM技术，最大覆盖范围可达10Km，数据传输率为100Kbps。长距离、低数据传输速率通信技术，即LPWAN，它的覆盖范围可达10Km，数据传输率最高为100Kbps。

NB-IoT 与几种技术的对比---NB-IoT 设计折中图
NB-IoT吸收了4G/5G技术在移动性、峰值速率和用户体验数据传输速率方面的优势，同时也借鉴了包含Zigbee技术在内的低功耗无线通信技术低延时、低成本方面的优势。 NB-IoT试图通过窄带技术实现低功耗广域无线通信。图4-9 NB-IoT与其他无线通信技术对比： (b) NB-IoT 设计折中图

NB-IoT 与几种技术的对比--- NB-IoT、WiFi和LoRa的性能对比
图4-9 NB-IoT与其他无线通信技术对比： (b) NB-IoT 设计折中图

NB-IoT 与几种技术的对比---NB-IoT与LoRa的简单对比
在WAN通信技术中，我们简单地对比了NB-IoT和LoRa技术：项目对比功耗都按低功耗来设计可以满足智慧电表的要求，都是10年左右的寿命成本目前LoRa方案实施的成本要低于NB-IoT 安全 NB-IoT技术可以达到电信级的安全指数，采用3GPP授权频谱避免干扰问题；而LoRa则采用多层加密的方式，ISM免授权频谱，会存在干扰的问题准确率两种技术的链路预算都在155dB以上，对于准确率和灵敏度完全没问题覆盖 NB-IoT<25km,LoRa<11km；在信号不好时NB-IoT支持重传部署 NB-IoT可以基于LTE FDD或GSM的升级进行新建，比LoRa便利图4-9 NB-IoT与其他无线通信技术对比： (b) NB-IoT 设计折中图

NB-IoT 与几种技术的对比---NB-IoT与LoRa的简单对比

NB-IoT 与几种技术的对比---LPWAN、4G和5G网络性能对比
从移动通信技术的演进出发，左图比较了LPWAN和移动通信网络的性能差异。LPWAN在连接密度上明显优于4G/5G网络，但在其他方面，5G网络优势明显。LPWAN的能效优于4G网络但不如5G网络。未来LPWAN会更多地应用于那些要求低功耗，低数据传输率但是支持大规模连接的应用中。LPWAN还有一个未在图表中注明的优势，即低成本。以NB-IoT为代表的LPWAN在未来IoT领域将有广阔前景。 LPWAN、4G和5G网络性能对比

NB-IoT 与几种技术的对比---NB-IoT部署和推广更加方便
频带占有率降低： LTE-M(LTE Machine to Machine)性能相比1G，2G和3G技术已经得到巨大提升，LTE-M将只占用1MHz带宽。 NB-IoT表现更佳，甚至只占200KHz带宽。相应的，它们的数据传输速率也有所下降，从1Mbps下降到200kbps。这使得NB-IoT部署和推广更加方便。图

低功耗和广覆盖：覆盖范围目前可达20km，这一目标一般通过工作低于1GHz的频带实现。覆盖能力不仅指距离，也包括穿透能力。 NB-IoT相比2G GSM有更强的穿透能力，信号强度将增加20dB。所以，即使是在室内，也能享受到高质量的通信服务。图

基站服务能力：目前的技术设定是一个LTE基站应能支持100000个终端接入，或者至少50000个。5G也有相同的技术设定。目前的规定是每平方公里支持个终端，即每平方米可能有一个设备。相比之下，NB-IoTd仍处于初级阶段。

不同技术的应用场景也有所不同： 3GPP R12制定的Category 0主要用于可穿戴电子设备和能量管理，具体来说就是健康监测智能手环和居家用电控制。然而，有1MHz频带的LTE-M则将更多地用于物品追踪（比如宠物失踪，自行车丢失等等），公共抄表，在线健康诊断和监测，市政基础设施建设（如自动停车记录，路灯管理）。 NB-IoT则更偏向诸如环境监测和智慧建筑等之类的工业应用。

竞争：各芯片商制定和推动的sub-1GHz传输方案，应用基于NAN（Neighborhood Area Network）定位的ZigBee技术的智能电网和电动车充电站方案 IEEE ah Wi-SUN Wireless M-Bus

信道带宽： IEEE ah目前设定的信道带宽为1/2/4/8/16MHz，与LTE-M相似。一般来说。 ZigBee要求2~5MHz的信道带宽。仅欧洲地区的868MHz使用800kHz频宽，但依然不如NB-IoT的频带占有率。 IEEE ah的实际传输距离还需进一步测试，目前已知的传输距离为1km，根本无法与NB-IoT相比。

成本：华为认为NB-IoT芯片组的价格大约为1美元，而由芯片组构成的模块价格约在3到5美元之间。出于功耗要求，电池使用寿命也将持续10年。图

NB-IoT 的智能应用---NB-IoT 的应用场景
(1) 自动异常报告服务：包括烟雾报警，智能电表等等。这一类服务的上行链路数据规模一般非常小（十字节量级），传输周期多以年或月为单位。

(2) 自主周期报告业务类型：包括智能公用事业（煤气/水/电）测量报告、智能农业、智能环境等等。这一类服务的上行链路数据规模相对较小（百字节量级），传输周期多以年或月为单位。

(3) 网络指令业务类型：诸如开启/关闭，上行链路报告发送，抄表请求等等。这一类服务的下行链路数据规模非常小（十字节量级），传输周期通常以天或小时为单位。

(4) 软件更新业务类型：以软件补丁和更新为例，它的上下行链路数据规模都相对较大（千字节量级），传输周期通常以天或小时为单位。

智能用户服务：可穿戴设备、智能家居、智能垃圾箱、智能追踪等。智能环境监测：智慧农业、污染监测、水质监测、土壤检测等。

NB-IoT 的智能应用---NB-IoT 的应用场景-智慧城市
智慧城市：旨在建立公共设施之间的互联，如车辆、道路、路灯、停车位、井盖、垃圾桶、电表、水表、燃气气表、热表等，以实现市政智能管理(如水，电，燃气等基础设施)和交通智能管理(如，车流控制，路况分析，紧急疏散和智能泊车)等等。

NB-IoT 的智能应用---NB-IoT 的应用场景-智慧城市

NB-IoT 的智能应用---NB-IoT的智能应用范例
华为联合全球各大运营商在诸如中国、德国、西班牙、阿联酋等国对基于NB-IoT技术的智能电表，智能泊车以及智能垃圾桶服务进行了功能验证。2015年底沃达丰和华为在西班牙完成了NB-IoT预标准的第一个商用试验，成功将NB-IoT技术整合进沃达丰现有移动网络架构中。这一试验将NB-IoT消息发送到水表的IoT模块。通常来说，水表一般安装在隐蔽环境中，比如橱柜，并且难以连接到电源，相应带来覆盖难和充电难等问题，但NB-IoT增强覆盖和低功耗特性恰好能解决上述问题。

华为和中国联通/移动的商用测试和合作已经展开。其中，在2015年的MWC上，华为和上海联通基于商用网络部署了第一个实验应用，智能泊车。由于NB-IoT还没有完成标准化，所以目前所有的试商用服务都包含非标准方案，但与将来的标准NB-IoT服务的差异不大。以下是NB-IoT的几个世纪应用。（1）华为与中国电信的NB-IoT智能泊车解决方案。基于华为的NB-IoT模块，这一智能泊车系统可以实现诸如停车位预订转租等功能。NB-IoT的低功耗和高穿透力的特性使得该方案具备可行性。目前，这一停车系统已经在上海迪士尼试商用。

（3）中国移动/爱立信/英特尔的环境监控应用。通过英特尔最新的NB-IoT芯片（XMM7115），可以实时监控诸如PM值、温度、湿度、光感亮度等环境参数。

NB-IoT 的安全需求一般来说，传统IoT终端系统具有强大计算能力，复杂的网络传输协议，并采用更严格的安全加强措施，功耗高，需要频繁充电。而低功耗物联网设备一般功耗更低，计算能力更弱，但可以长时间不充电。

NB-IoT 的安全需求---感知层感知层是NB-IoT的最底层，也是上层架构及服务的基础。与传统IoT感知层一样，NB-IoT感知层也容易受到被动或主动攻击。被动攻击是指攻击者仅仅窃取信息而不对信息进行修改，主要方式包括窃听和流量分析等等。由于NB-IoT传输依赖于开放无线环境，攻击者可以通过偷窃链路数据、分析流量特性等手段来获取NB-IoT终端信息以进行一系列后续攻击。

NB-IoT 的安全需求---感知层主动攻击包括信息完整性破化和信息伪造。因此，它所带来的损害远大于被动攻击。目前，主动攻击的主要方式包括节点复制攻击、节点捕获攻击、消息篡改攻击等等等。以NB-IoT典型应用，智能电表为例，如果攻击者捕捉到一个用户的NB-IoT终端，则可任意修改和伪造抄表信息，这将直接影响用户的切身利益。

NB-IoT 的安全需求---感知层解决方案：两种攻击可通过诸如数据加密、身份认证、完整性校验等密码算法来防止。
常用的密码学机制包括随机密钥预分配机制、确定性密钥预分配机制、基于身份的密码机制。

NB-IoT 的安全需求---感知层 NB-IoT设备的电池服务寿命理论上可达10年。由于单节点感知数据吞吐率较小，在安全性得到保证的情况下，感知层应尽可能地部署诸如流密码、分组密码等轻量级密码来减少终端计算负载，以延长电池使用寿命。与传统IoT的感知层不同，NB-IoT感知层节点可以直接与小区基站互连，以避免潜在的路由安全问题。同时，NB-IoT感知层节点和小区基站之间的身份验证应该是双向的，即NB-IoT感知层节点连接到基站需要进行接入授权，基站到节点也同样需要进行接入授权操作，以防止伪基站危害。

NB-IoT 的安全需求---传输层 NB-IoT改变了传统IoT传输层的网络部署方式，即中继网关先收集信息再反馈给基站。优点：在于解决了多网组网，高成本和电池容量等等问题，全城一网也更方便维护和管理，同时它还与物业服务分离开，寻址和安装也更加方便。缺点：新的安全威胁。

NB-IoT 的安全需求---传输层-新的安全威胁
• 高容量NB-IoT终端接入：一个NB-IoT扇区能支持的终端数大约为10000个，怎么为这些大规模实时高容量连接进行有效的身份验证和接入控制以避免恶意节点注入错误信息，成为一个值得研究的问题。

NB-IoT 的安全需求---传输层-新的安全威胁

NB-IoT 的安全需求---传输层-针对威胁的解决方案
当前，计算机网络和LTE移动网络都有相关的传输层安全标准，如IPSEC，SSL和AKA。然而，如何通过有效优化在NB-IoT系统中部署这些技术仍然是一个值得研究的问题。另一方面，我们也需要建立完善的入侵检测和防护机制来防止恶意节点注入非法信息。

NB-IoT 的安全需求---传输层-针对威胁的解决方案
首先，我们需要为特定一类节点建立一系列的行为特征配置。这一配置信息理应能确切地描述相应节点在正常运行状态下的行为特征。若一个NB-IoT节点当前行为和过往行为特征的差异超过配置信息中的阈值项，则此当前行为会被视为异常或者一次入侵行为。此时系统将及时进行拦截和纠正，避免各种入侵或攻击给网络性能造成负面影响。

NB-IoT 的安全需求---应用层 NB-IoT应用层的核心目的是有效地存储、分析和管理数据。大量数据在经过感知层和传输层后最终汇聚到应用层，并形成大规模资源，与传统IoT应用层相比，NB-IoT将承载更大规模的数据。

NB-IoT 的安全需求---应用层主要的安全需求： • （1）大规模异构数据的识别和处理
NB-IoT应用的多样性往往使得汇聚到应用层的数据也具备多样性，导致数据处理复杂度上升。怎样利用现有计算资源对数据进行识别和管理成为NB-IoT应用层的核心问题。此外，实时容灾、容错与备份也是值得考虑的问题。应尽可能在各种极端情况下保证NB-IoT服务的有效执行。

NB-IoT 的安全需求---应用层 • （2) 数据完整性和认证
• （2) 数据完整性和认证汇聚到应用层的数据来自于感知层和传输层，一旦中间环节发生异常，数据完整性将受到不同程度的损伤。除此之外，内部人员对数据的非法操作也有损于数据的完整性，从而影响到应用层的数据使用。解决这个问题的关键在于建立有效的数据完整性验证和同步机制，同时利用重复数据删除技术、数据自毁技术、数据流程审计技术等，全面保护数据存储和传输过程中的安全。

NB-IoT 的安全需求---应用层 • （3）数据接入控制
• （3）数据接入控制 NB-IoT中存在大量用户组，不同用户对数据的接入和操作权限都应是不同的。因此需要建立用户级别和数据访问权限之间的映射关系，以实现用户间的受控数据分析。数据访问控制机制主要包括强制访问控制机制、自主访问控制机制、基于角色的访问控制机制、基于属性的访问控制机制等，我们应根据不同应用场景的私密程度来采取不同类型的访问控制措施。

思考？？？ NB-IoT作为低功耗广域网的通信技术，它的兴起给其他的LPWAN技术造成了威胁，目前，市场上就有一种评论说，NB-IoT将消灭Sigfox和LoRa等LPWAN技术，那么NB-IoT会消灭Sigfox和LoRa吗？请根据本章内容并查阅相关资料进行回答。 2. NB-IoT是否支持FDD LTE 与TDD LTE？请说明原因。 3. NB-IoT是否能支持基站定位？若支持，请描述其基站定位算法；若不支持，讨论私有方案，并详细解释此方案的算法设想和参数设置。

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