NB-IOT物聯網測試儀

NB-IoT

NB-IoT是IoT領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網(LPWAN)。NB-IoT支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接。據說NB-IoT設備電池壽命可以提高至至少10年，同時還能提供非常全面的室內蜂窩數據連接覆蓋。

NB-IoT具備四大特點：一是廣覆蓋，將提供改進的室內覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區域的能力；二是具備支撐海量連接的能力，NB-IoT一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構；三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年；四是更低的模塊成本，企業預期的單個接連模塊不超過5美元。

NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯網（IOT）市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。其具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優等特點。NB-IOT使用License頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波三種部署方式，與現有網絡共存。^[4] 

因為NB-IoT自身具備的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優勢，使其可以廣泛應用于多種垂直行業，如遠程抄表、資產跟蹤、智能停車、智慧農業等。3GPP標準的首個版本預計在今年6月發布，到時候將有一批測試網絡和小規模商用網絡出現。

目前包括我國運營商在內諸多運營商在開展NB-IoT和研究。就NB-IoT的發展現狀，余泉詳細闡述了三個精彩觀點：一是NB-IoT是蜂窩產業應對萬物互聯的一個重要機會。二是NB-IoT要成功必須要建立開放產業平臺。三是2016年是NB-IoT產業非常關鍵的一年，標準、芯片、網絡以及商用應用場景都會走向成熟。

通常，我們把物聯網設備分為三類：

①無需移動性，大數據量（上行），需較寬頻段，比如城市監控攝像頭。

②移動性強，需執行頻繁切換，小數據量，比如車隊追蹤管理。

③無需移動性，小數據量，對時延不敏感，比如智能抄表。

NB-IoT正是為了應對第③種物聯網設備而生。

NB-IoT源起于現階段物聯網的以下幾大需求：

?覆蓋增強（增強20dB）

?支持大規模連接，100K終端/200KHz小區

?超低功耗，10年電池壽命

?超低成本

?Z小化信令開銷，尤其是空口。

?確保整個系統的安全性，包括核心網。

?支持IP和非IP數據傳送。

?支持短信（可選部署）。

對于現有LTE網絡，并不能完全滿足以上需求。即使是LTE-A，關注的主要是載波聚合、雙連接和D2D等功能，并沒有考慮物聯網。

比如，在覆蓋上，以水表為例，所處位置無線環境差，與智能手機相比，高度差導致信號差4dB，同時再蓋上蓋子，額外增加約10dB左右損耗，所以需要增強20dB。

在大規模連接上，物聯網設備太多，如果用現有的LTE網絡去連接這些海量設備，會導致網絡過載，即使傳送的數據量小，可信令流量也夠得喝上幾壺。

此外，NB-IoT有自己的特點，比如不再有QoS的概念，因為現階段的NB-IoT并不打算傳送時延敏感的數據包，像實時IMS一類的設備，在NB-IoT網絡里不會出現。

因此，3GPP另辟蹊徑，在Release 13制定了NB-IoT標準來應對現階段的物聯網需求，在終端支持上也多了一個與NB-IoT對應的終端等級——cat-NB1。

盡管NB-IoT和LTE緊密相關，且可集成于現有的LTE系統之上，很多地方是在LTE基礎上專為物聯網而優化設計，但從技術角度看，NB-IoT卻是獨立的新空口技術。

今天，我們就來看看這一新空口技術到底有多新？

1 網絡

1.1 核心網

為了將物聯網數據發送給應用，蜂窩物聯網（CIoT）在EPS定義了兩種優化方案：

?CIoT EPS用戶面功能優化（User Plane CIoT EPS optimisation）

?CIoT EPS控制面功能優化（Control Plane CIoT EPS optimisation）

紅線表示CIoT EPS控制面功能優化方案，藍線表示CIoT EPS用戶面功能優化方案。

對于CIoT EPS控制面功能優化，上行數據從eNB（CIoT RAN）傳送至MME，在這里傳輸路徑分為兩個分支：或者通過SGW傳送到PGW再傳送到應用服務器，或者通過SCEF（Service Capa- bility Exposure Function）連接到應用服務器（CIoT Services），后者僅支持非IP數據傳送。下行數據傳送路徑一樣，只是方向相反。

這一方案無需建立數據無線承載，數據包直接在信令無線承載上發送。因此，這一方案極適合非頻發的小數據包傳送。

SCEF是專門為NB-IoT設計而新引入的，它用于在控制面上傳送非IP數據包，并為鑒權等網絡服務提供了一個抽象的接口。

對于CIoT EPS用戶面功能優化，物聯網數據傳送方式和傳統數據流量一樣，在無線承載上發送數據，由SGW傳送到PGW再到應用服務器。因此，這種方案在建立連接時會產生額外開銷，不過，它的優勢是數據包序列傳送更快。

這一方案支持IP數據和非IP數據傳送。

1.2 接入網

NB-IoT的接入網構架與LTE一樣。

eNB通過S1接口連接到MME/S-GW，只是接口上傳送的是NB-IoT消息和數據。盡管NB-IoT沒有定義切換，但在兩個eNB之間依然有X2接口，X2接口使能UE在進入空閑狀態后，快速啟動resume流程，接入到其它eNB（resume流程將在本文后面詳述）。

1.3 頻段

NB-IoT沿用LTE定義的頻段號，Release 13為NB-IoT指定了14個頻段。