一、 NB-IoT概述

（一） NB-IoT的定义

NB-IoT是窄带物联网，即Narrow Band Internet of Things的缩写，它是一种全新的蜂窝物联网技术。NB-IoT是3GPP组织定义的可在全球范围内广泛部署的低功耗广域网。它具有低功耗、优化的网络架构等独特优势。

（二） LPWAN

LPWAN是低功耗广域网，即Low Power Wide Area Network的简称，用于物联网低速率远距离的通信。下图 7-1为当前不同种类的技术按照覆盖范围与速率的分类，从图中可以看出NB-IoT就是包含在了LPWAN里面的。

LPWAN技术具有覆盖范围广、终端节点功耗低、网络结构简单、运营维护成本低的特点。虽然LPWAN的数据传送速率较低，但是已经可以满足如共享单车、智能秒表、智能停车等小数据量定期上报的应用场景，如图 7-2所示。

按照工作频段分类目前主流的LPWAN技术又可分为两类：

一类是工作在非授权频段的技术，如LoRa、Sigfox等，这类技术大多是非标、自定义实现的。LoRa技术标准由美国Semtech研发，并在全球范围内成立了广泛的 LoRa 联盟。Sigfox技术标准由法国Sigfox研发，其使用的非授权频段与国内授权频段冲突，目前还没获取到国内频段。

另一类则是工作在授权频段的技术，如 NB-IoT、eMTC等。

（三） NB-IoT与eMTC的比较

NB-IoT是2015年9月在3GPP标准组织中立项提出的一种新的工作在授权频段的 LPWAN技术。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于 GSM网络(全球移动通信系统)、UMTS网络（通用移动通信系统）或LTE网络，用来降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT以降低传输速率和提高传输延迟为代价，实现了覆盖增强、低功耗和低成本。NB-IoT仅支持FDD半双工模式，上行和下行的频率是分开的，物联网终端设备不会同时接收和发送数据。

eMTC是2016年3月3GPP组织接纳的工作在授权频段的LPWAN技术。eMTC是基于LTE演进的物联网接入技术，支持TDD半双工和FDD半双工模式。eMTC使用授权频谱，可以基于现有的LTE网络直接升级部署，其低成本、快速部署的优势可以助力运营商快速抢占物联网市场先机。eMTC除了具备LPWAN基本能力外，还具有四大差异化能力：一是速率高，二是移动性，三是可定位，四是支持语音。

在具体的应用方向上，如果对语音、移动性、速率等有较高要求，可选择eMTC技术。相反，如果对这些方面要求不高，而对成本、覆盖等有更高要求，则可选择NB-IoT。

（四） NB-IoT的频段

NB-IoT有14个通信频段的区别，下图 7-3为不同的频段的不同的上行和下行频率范围。

（五） NB-IoT的主要特点

NB-IoT具有以下四个特点，如图 7-4所示。

（1）广覆盖：NB-IoT的部署借助于三大网络运营商的基站，所以国内几乎一二三四线城市都是能完成网络部署的。

（2）低功耗：NB-IoT的电池的使用寿命都在10年以上，这样能有效的部署户外传感器，进行数据采集和汇总。此外NB-IoT为了场景需要，设计了两种独特的模式，一种是eDRX，另一种是PSM。

（3）低成本：NB-IoT可以直接部署在运营商已有的网络中，以此来达到低成本的目的。

（4）大连接：对于手机来讲，它在一个基站区域范围内只能拥有有限的用户的原因就在于手机所使用的4G基站需要保证基站范围内的所有用户的通信质量，所以每一个设备都必须以高质量通信进行接入。而联网的终端虽然很多，但是每个终端发送的数据包很小，而且对待时延的要求也不敏感。对于物联网设备来讲，它对通信的质量要求并没有那么高，所以这就意味着在相同的基站范围内物联网可以接入更多的终端，这样就可以让5万个物联网设备容纳在一个基站范围内，因为其中有大量的设备是处于休眠状态的。

二、 NB-IoT标准的发展演进

NB-IoT的发展如图 7-5所示。

NB-IoT标准的研究和标准化工作由标准化组织3GPP进行推进。

NB-IoT技术最早由华为和英国电信运营商沃达共同推出，并在2014年5月向3GPP提出NB-M2M（ Machine to Machine即机器对机器）的技术方案。

2015年5月华为与高通宣布NB-M2M融合NB-OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）正交频分多址技术形成NB-CIoT（Cellular IoT）。与此同时，爱立信联合英特尔、诺基亚在2015年8月提出与4G LTE技术兼容的NB-LTE的方案。

2015年9月，在3GPP RAN第69次会议上，NB-CIoT与NB-LTE技术融合形成新的NB-IoT技术方案。经过复杂的测试评估，2016年4月，NB-loT物理层标准冻结，两个月后，NB-IoT核心标准方案正式成为标准化的物联网协议。2016年9月，NB-IoT性能标准冻结。2016年12月，NB-IoT一致性测试标准冻结。为了满足更多的应用场景和市场需求，3GPP在ReL-14中对NB-IoT进行了一系列增强技术并于 2017 年 6 月完成了核心规范。在2018年3月召开的3GPPRAN第79次全会上，3GPP第一个5G版本——Rel.15正式冻结。

2018年6月14日3GPP全会批准了第五代移动通信技术标准（5G NR）独立组网功能冻结。加上2017年12月完成的非独立组网NR标准，5G已经完成第一阶段全功能标准化工作，进入了产业全面冲刺新阶段。此次SA功能冻结，不仅使5G NR具备了独立部署的能力，也带来了全新的端到端新架构，赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展，为运营商和产业合作伙伴带来了新的商业模式，开启了一个全连接的新时代。

三、 NB-IoT的体系架构

NB-IoT通信技术主要由终端、基站、EPC核心网、IoT平台及应用服务器AP五部分组成，如图 7-6所示。

NB-IoT终端UE（User Equipment）：应用层采用CoAP协议，通过空口Uu 连接到基站。Uu口是终端UE与eNodeB基站之间的接口，可支持1.4MHz至20MHz的可变带宽。

eNodeB（evolved Node B , E-UTRAN基站）：eNodeB主要承担空口接入处理，小区管理等相关功能，并通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。

EPC核心网（Evolved Packet Core network）：EPC核心网承担与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。同理，这里可以与NB独立组网，也可以与LTE共用核心网。

IoT平台：IoT平台汇聚从各种接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发至相应的业务应用器进行处理。

应用服务器 AP（App Server）：应用服务器 AP是IoT数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作。应用服务器通过HTTP/HTTPs协议和平台通讯，通过调用平台的开放API来控制设备，平台把设备上报的数据推送给应用服务器。

终端UE与物联网云平台之间一般使用CoAP等物联网专用的应用层协议进行通信。因为UE 的硬件资源配置一般很低，不适合使用HTTP/HTTPs等复杂协议。

四、 NB-IoT部署方式

NB-IoT占用180KHz带宽，支持三种部署方式。三种部署方式分别是独立部署、带内部署和保护带部署，如图 7-7所示。

（一） 独立部署

独立部署：不依赖LTE，与LTE可以完全解耦，适用于重耕GSM频段。GSM的信道带宽为200KHz，这对NB-IoT的180KHz带宽来说足够了，两边还能留出来10KHz的保护间隔。

（二） 带内部署

护带部署：适用于LTE频段。不占LTE资源，利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽资源。

（三） 保护带部署

带内部署：适用于LTE频段。使用LTE载波中间的某一段频段。