NB-IoT协议和模组应用杂谈

什么是NB-IoT

NB-IoT是一种无线蜂窝网络通信协议，是NArrow Band Internet of Things的缩写，意思是窄带物联网，是一种低功耗广覆盖物联网技术（LPWA），窄带只指使用的带宽为180KHz，工作在运营商的授权频段内，技术主要贡献者为华为和高通。

近两年随着物联网的高速发展，NB-IoT在IT行业内也被推上了风口浪尖。NB-IoT技术是基于LTE的R13实现的，因此和现有的移动网络很容易兼容，在物联网通信中占据着越来越重要的地位，因此三大运营商都在加紧NB-IoT的网络部署。

NB-IoT协议的本质是什么

当某种资源是有限的、多个个体都需要时，为了更合理的利用资源往往会建立各种各样的规则，在通信中，信息交互所需的传输介质、传输时间等都是有限的，且是各通信方争抢的，此时就需要建立一套通信协议即通信规则，各通信参与方为了信息交互共同遵守这种约定，以此达到在有限的资源范围内信息交互高有效性和高可靠性的平衡，实现资源的最优利用。

NB-IoT协议就是充分利用好宝贵的无线频谱资源和时间资源、满足LPWA需要而设计的一套无线蜂窝网络通信规则，其作用就是为信息交互制定了一套语法、语义和时序，简单的说就是规定了通信参与方用什么语言交流，说的话代表什么意思、以及谁说谁听、说多长时间的规则。

NB-IoT的演进过程

2013年初，华为联合相关厂商、运营商开始蜂窝物联网的研究，命名为LTE-M；

2014年5月，由华为、沃达丰、中国移动、Orange、TelecoMItaly等公司主导的工作组SI在3GPPGERAN立项，LTE-M演进为CellularIoT，简称CIoT；

2015年5月，华为和高通共同宣布一项融合解决方案，融合之后的方案叫NB-CIoT；

2015年8月，在GERANSI阶段最后一次会议上，爱立信联合中兴、诺基亚、三星、INTEL等提出NB-LTE的概念；

2015年9月，RAN#68上NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融合行成NB-IoT；

2016年6月16日，NB-IoT的3GPP标准核心部分正式冻结，标志着商用阶段正式开始。

NB-IoT的技术特点

LPWA终端设备应用时，往往存在用户数量多且密集分布、外接电源困难、所处位置较隐蔽、成本敏感等特点，为了应对这些需求，NB-IoT网络的设计具有如下特点：

超低功耗：加入PSM功能，处于此模式的终端耗流在3uA左右，即便使用干电池也能驱动模组工作10年之久；

海量连接：单小区180KHz的带宽可支持10万用户接入，是LTE连接数的数千倍；

深度覆盖：NB-IoT支持0、1、2三个CE Level（覆盖增强等级），分别对应可以对抗144dB、154dB、164dB的信号衰减，相比GSM和LTE提高了20dB，覆盖面积提升了100倍，同等条件下NB-IoT能提供更深的覆盖；

超低成本：通过简化协议、去掉对物联网应用意义不大的功能等方式降低终端的制造难度和成本，目前已降至3美元以内，未来可降至1美元以内；

低速率：LPWA应用时多传输控制类参数，数据量小、通信频次低、时延不敏感，因此NB-IoT网络将业务时延放宽到了10s；

上行为主：与传统蜂窝网络以“人”的连接不同，物联网以“物”的应用多以上行数据为主，因此NB-IoT的流量模型是以上行为主的；

半双工：NB-IoT采用的是FDD模式，通信时采用的是半双工，半双工所需的元件成本更低，且可降低电量功耗，进一步压缩了终端的成本和耗电量；

ST/MT两种模式： Single Tone（单频）模式下，可以同时为更多的用户提供业务传输服务，能提供上行15kbps左右的传输速率；Multiple Tone（多频）模式下能充分利用频谱资源，提升用户传输速率，能为用户提供上行62kbps左右的传输速率；NB-IoT上行支持3.75kHz和15kHz两种子载波空间，其中MT模式下必须为15kHz；

不支持小区切换：物联网的应用场景中，终端多为静止状态，通过去除复杂的切换功能能进一步降低能耗、减少终端复杂度；

三种部署方式：独立部署占用200kHz带宽，适用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200KHz，这刚好为NB-IoT 180KHz带宽辟出空间，且两边各有10KHz的保护间隔；LTE带内部署占用180KHz带宽，可利用LTE载波中间的任何资源块实现；LTE保护带部署占用180KHz带宽，利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块进行部署。

总而言之，NB-IoT是“懒”、“简”、“慢”、“廉”、“多”为特点的LPWA通信协议技术。

NB-IoT的网络架构

终端与基站之间为无线传输，单小区总带宽为180KHz，上行采用3.75KHz子载波时最大支持48个终端同时上传数据，采用15KHz子载波时最大支持12个终端同时上传数据，支持最多600个左右的终端处于激活态（不进行数据交互），支持10万个终端在网络中注册（终端处于PSM态）。

为避免终端并发数过高导致拥塞，高并发可能导致用户数据传输延迟甚至丢失，因此应尽量避免高并发产生，需要增加错峰机制，比如数据交互时刻采用北京时间加随机数等方式。

NAT IP老化是什么

IPV4的地址总共是32位，因此其最多能产生2的32次方个地址，即最多42.9亿多一点的IP数量，总量本就不多，有些IP段又是特殊用途不能开放，再加上前期分配时IP地址浪费严重，因此上世纪90年代前后开始意识到IP地址将要被分配完的问题，为了减缓IP地址不足的问题，NAT（Network Address Translation，网络地址转换）应运而生，其基本思想是区分公网和局域网，预留三段公网不能使用的IP地址在局域网内使用，局域网网内终端收发数据采用预留的IP地址，局域网内的终端与公网通信时，在局域网的出口处将源IP更改为公网IP，并记录对应关系，当公网访问局域网内的终端时，根据对应关系将目的地址更改为对应终端的私网地址即可，此机制一个局域网仅需少量的IP甚至是一个IP就可以实现局域网内的终端与公网进行通信。

但这种机制的缺点也很明显，首先是公网地址设备不能主动与局域网内的终端进行数据交互，需要局域网内的用户先发起一次通信生成公网IP与私网IP对应关系后才能相互通信；其次由于互联网的数据交互非常频繁，因此IP对应关系记录表很容易积累的非常大导致无法存储，所以实际应用时，多使用动态NAT机制，当规定时长内公网设备与局域网设备没有再进行数据交互，此IP对应关系表将会被删除，导致公网不能主动发数据到终端。

对抗NAT IP对应关系表老化问题的方式就分为两种，①开通GRE隧道，使用专用APN；②终端在IP对应关系表老化前发一次数据到公网，即发送心跳包。使用GRE隧道卡的方式终端只需关闭PSM和eDRX即可，使用心跳包则有可能导致高并发，两种方式终端均无法进入PSM态，功耗会增加，尤其是心跳包的形式，功耗增加尤为明显。

在实际应用中，如有条件，可采用终端平时处于休眠模式，需要接收公网设备的数据时，先触发终端发一条数据到公网，然后再接收公网设备发过来的数据，此种业务逻辑即可保证收到下行数据，又能使终端在无数据收发时处于PSM的超低功耗状态。

国内运营商拥有的可使用的NB-IoT频段

NB-IoT与LTE、LoRa的技术对比

Lora是非授权频段使用的通信协议，其在覆盖范围、功耗、连接数量、传输速率等方面与NB-IoT相当，是目前广泛使用的一种长距离通信协议之一。

由于Lora发展的较早，且得到了很多设备厂商和欧美运营商的支持，由于其在非授权频段工作，可以私有化部署，不通过运营商的网络进行连接，所以曾经有段时间在使用范围上领先过，但由于部署基站成本高、频谱易受干扰，加上工信部出台的《微功率短距离无线电发射设备技术要求》规定在470MHz~510MHz不允许组网，至使Lora的发展困难重重（我国的Lora应用大多部署在470MHz~510MHz），目前NB-IoT的优势越来越明显。