浅谈NBIOT

一、什么是NBIOT？

1、概念

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT），NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

2、NBIOT的特点和目标

（1）超强覆盖：相对GPRS来说，增加20db的信号增益。

（2）超低功耗：对于终端功耗的目标是：基于AA（5000mAh）电池，使用寿命可超过10年。

（3）超大连接：一个扇区能够支持数万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。

（4）超低成本：NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。

二、NB-IoT要点概括

1、为解决传统2G/3G/4G(GPRS)网络不能满足物联网终端设备低功耗、低成本的问题；

2、对比GPRS，减少了一些信令，寻呼周期加长，增加PSM状态，降低功耗(用实时性换取续航)；

3、终端数据通过运营商基站接入核心网，汇入运营商的物联网专网，经IoT平台与用户的平台进行数据交互

三、NB-IoT的工作状态：

NB-IoT在默认状态下，存在三种工作状态，三种状态会根据不同的配置参数进行切换，笔者认为这三种状态较深刻地影响了NB-IoT的特性，如其对比传统GPRS的低功耗特性，均可以从中获得解释，同时在后续对NB-IoT的使用和相关程序的设计时，也需要根据开发的需求与产品特性对这三种工作状态进行合适的定制。

三种工作状态如下：

Connected(连接态)：

模块注册入网后处于该状态，可以发送和接收数据，无数据交互超过一段时间后会进入Idle模式，时间可配置。

Idle(空闲态)：

可收发数据，且接收下行数据会进入Connected状态，无数据交互超过一段时会进入PSM模式，时间可配置。

PSM(节能模式)：

此模式下终端关闭收发信号机，不监听无线侧的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。

持续时间由核心网配置(T3412)，有上行数据需要传输或TAU周期结束时会进入Connected态。

NB-IoT三种工作状态一般情况的转换过程可以总结如下：

① 终端发送数据完毕处于Connected态，启动“不活动计时器”，默认20秒，可配置范围为1s~3600s；

② “不活动计时器”超时，终端进入Idle态，启动及或定时器(Active-Timer【T3324】)，超时时间配置范围为2秒~186分钟；

③ Active-Timer超时，终端进入PSM状态，TAU周期结束时进入Connected态，TAU周期【T3412】配置范围为54分钟~310小时。

【PS：TAU周期指的是从Idle开始到PSM模式结束】

NB-IoT终端在不同工作状态下的情况剖析：

1、NB-IoT发送数据时处于激活态，在超过“不活动计数器”配置的超时时间后，会进入Idle空闲态；

2、空闲态引入了eDRX机制，在一个完整的Idle过程中，包含了若干个eDRX周期，eDRX周期可以通过定时器配置，范围为20.48秒~2.92小时，而每个eDRX周期中又包含了若干个DRX寻呼周期；

3、若干个DRX寻呼周期组成一个寻呼时间窗口(PTW)，寻呼时间窗口可由定时器设置，范围为2.56s~40.96s，取值大小决定了窗口的大小和寻呼的次数；

4、在Active Timer超时后，NB-IoT终端由空闲态进入PSM态，在此状态中，终端不进行寻呼，不接受下行数据，处于休眠状态；

5、TAU Timer从终端进入空闲态时便开始计时，当计时器超时后终端会从PSM状态退出，发起TAU操作，回到激活态（对应图中①）；

6、当终端处于PSM态时，也可以通过主动发送上行数据令终端回到激活态（对应图中②）。

四、定时器参数的配置

在整个NB-IoT工作的过程中，有一些定时器参数可以进行设置，从而改变各个工作状态的内部细节和周期占比，而这些定时器参数需要通过设备NB卡地签约APN来实现。以电信NB SIM卡为例，默认签约的APN为“ctnb”，终端在入网时由网络自动下发。不同的APN代表着一组不同的定时器参数，如”ctnb”的APN描述为【监测上报类，激活定时器=2s，开启PSM、关闭eDRX】。若使用APN”psmc.eDRXC.ctnb”，则对应的参数为【开启PSM、开启eDRX，激活定时器=180s，eDRX周期=20.48s，寻呼窗口=10.48s】。当然，APN也支持用户的定制，对应的APN名称为”ue.prefer.ctnb”，工作状态的开关与定时器参数由终端上报的参数决定。

五、NBIOT的省电技术

1、DRX模式

DRX（Discontinuous Reception）即非连续接收，是指终端仅在必要的时间段打开接收机进入激活态，用以接收下行数据，而在剩余时间段关闭接收机进入休眠态，停止接收下行数据的一种节省终端电力消耗的工作模式。

（1）在激活期，UE将打开接收机，寻呼信道，判断是否有有下行业务。

（2）NB-IoT的DRX周期取值范围为：1.28s，2.56s，5.12s 或者10.24s。

（3）DRX周期时长确定后：

?激活期越长，则业务处理越及时，但接收机在同一个周期内工作时间长，UE耗电量越大。

?激活期越短，则UE越省电，但接收机在同一个周期内保持关闭的时间越长，业务时延越长。

2、eDRX模式

为了节省终端功耗，同时满足一定下行业务时延的要求，3GPP引入了扩展DRX的概念（extended DRX，eDRX）。

（1）在每个eDRX周期内，有一个寻呼时间窗口（Paging Time Window，PTW），UE只在PTW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。

（2）eDRX周期长度、PTW窗口长度可配置，UE和运营商之间进行协商，以运营商下发给UE的值为准。

（3）eDRX周期的具体配置可查看3GPP TS 24.008：

（4）寻呼窗口时间表：

3、PSM模式

PSM(Power Saving Mode) 的技术原理非常简单，在PSM该状态下，终端射频关闭，相当于关机状态，终端非业务期间深度休眠，不接收下行数据，只有 终端主动发送上行数据（MO Data）时可接收IoT平台缓存的下行数据。

（1）终端何时进入PSM状态，以及在PSM状态驻留的时长由核心网和终端协商。

（2）进入PSM模式，虽然UE不再进行接收寻呼消息，看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中，这样当UE从休眠唤醒后就不需重新注册网络就可以进行数据收发。

（3）PSM想唤醒可通过外部唤醒或者周期自身唤醒，外部唤醒常用的是RTC中断唤醒（如：MT2625采用外部RTC唤醒），周期唤醒的周期是核心网运行商配置给NB物联卡，周期性的唤醒。

（4）PSM自动唤醒与RTC_ENIT外部唤醒区别：

A．在PSM状态下，通过RTC_EINT唤醒后，如果系统没有其他task，则会马上重新进行PSM状态。如有有其他task要执行，则会执行task，在执行完task之后，如果还未到周期自动唤醒，则会继续马上重新进入PSM模式。

B．如果是周期到了自动唤醒，则会维持Active time后再重新进入PSM状态。而Active Time可继续业务的上行和下行。

（5）这里提一下MT2625，对于MT2625进入PSM状态时，NB可能处于deep sleep或者deeper sleep，若PSM周期为几十分钟比较短的时间则进入deep sleep，若PSM周期为十几个小时比较长的时间则进入deeper sleep。其他NB芯片笔者还没验证过。

六、国内NBIOT频段

1、国内的NB-IoT主要运行在B5和B8频段。