摘要：NB- IoT 網路是基於4G網路演進過來的，所以它在上行和下行的複用技術上還是沿用了4G的OFDMA和SC-FDMA。
本文分享自華為雲社群《一文了解NB-IoT四大關鍵特性以及實現技術》，作者： 萬萬萬 。
在物理層，NB-IoT叫窄帶蜂窩物聯網，那麼它的窄帶體現在哪裡呢？就是這個180KHz，它僅相當於是4G保護頻寬的寬度。我們知道，NB-IoT網路是基於4G網路演進過來的，所以它在上行和下行的複用技術上還是沿用了4G的OFDMA和SC-FDMA。雖然NB-IoT的設計是基於4GLTE的，但是由於初衷不一樣，因為4G的設計是為了高速率高頻寬的需求，而NB-IoT的設計目的卻是低速率。
所以在具體的技術實現上，NB-IoT也精簡掉了很多不必要的部分。比如說物理通道和物理訊號的部分，為了減少實現的複雜性，NB-IoT在上行只有兩種物理通道和一種物理訊號，在下行就只有三種物理通道和兩種物理訊號。進行通道和訊號精簡的主要目的就在於達到廣覆蓋，低功耗和低成本的目的。
在接下來的內容當中，將介紹NB-IoT的四大關鍵特性以及特性當中所包含的實現技術。
關鍵特性一：超低成本
1.1部署方式
在上文中提到過，NB-IoT的其中一個特點就是它可以直接部署在運營商已有的網路中，以此來達到低成本的目的。NB-IoT一共有三種部署方式，第一種是獨立部署，獨立部署的意思是NB-IoT可以不依靠現有的LTE網路，完全獨立出來。所以這種方式適用於GSM頻段的重耕，因為GSM的通道頻寬是200KHz，把NB-IoT的180KHz頻寬放進去綽綽有餘。
圖1獨立部署
第二種叫做保護帶部署，正如上文中描述的，NB-IoT的窄帶到底有多窄呢？它窄到可以部署在現有4G頻段的保護頻寬上面，這樣的話原本不用的這一部分資源就可以重新被利用起來了。
圖2保護帶部署
第三種是帶內部署，它可以直接部署在4G的頻帶內，學過通訊的讀者應該會知道，在4G網路內，頻域和時域被劃分為了一個個小的資源塊，同時因為NB-IoT的設計是基於4G的，所以它在進行網路設計的時候和4G是完全契合的，4G的每個小資源塊的頻寬是180KHz，這也就是NB-IoT的系統頻寬是180KHz的原因。所以，不管採用哪一種方式部署，NB-IoT都不會依賴任何系統的訊號資源。
圖3帶內部署
以上就是在部署方式上，NB-IoT做到低成本的一個原因。另外需要讀者瞭解的是，現如今由於技術上的限制，NB-IoT還無法部署在LTE系統的帶內以及保護帶上，所以獨立部署仍然為現階段NB-IoT網路主要的部署方式。
1.2晶片設計
除此之外在晶片的設計上通過對一部分功能進行簡化來達到低成本的一個目的。華為通過單天線和半雙工和其他的一系列處理設計了專門用於物聯網的Boudica150晶片，因為對於NB-IoT來講，單天線和FDD半雙工就已經足夠滿足物聯網的通訊需求了，基於這樣的設計，對於NB-IoT的模組來說，又降低了非常多的成本。
關鍵特性二：超低功耗
NB-IoT為了場景需要，設計了兩種獨特的模式，一種是eDRX另一種是PSM。在描述eDRX模式之前，讀者們首先需要了解DRX模式。DRX這種方式，是廣泛應用在手機裡的一種尋呼方式。可以想一下，如果在最理想的情況下，有人想要給你打電話，以什麼樣的方式手機才能保證一定能監聽到這個尋呼的資訊呢？相當於就需要手機每時每刻都在等著被尋呼，就像是在上課的時候聚精會神的同學，一直等著老師點名叫他回答問題。
圖4模式工作原理
但是，對於手機來講，如果每時每刻都要等著被尋呼的話，是非常耗電的。所以，研發人員就研究出了DRX，不連續接收（DiscontinuousReception）的這樣一種方法。它的原理如圖5-7所示，圖上藍色的脈衝，代表的就是手機在進行尋呼，在每次尋呼之後，手機會休息一下進入IDLE態，進入IDLE態後手機會關閉接收機就相當於是同學們在上課的時候打了個盹。在DRX模式下，手機每次尋呼的間隔，就叫做DRX週期，這個DRX週期可以是1.28s，2.56s，5.12s或者是10.24s。
圖5eDRX模式工作原理
但是對於物聯網裝置來講，這個模式仍然不能滿足它們所需要的低功耗，因為DRX模式是廣泛使用在手機上的模式。但是手機的耗電情況同樣也是比較高的，就算是隻拿手機打電話發簡訊，也得要一天或者兩三天充一次電。但是物聯網裝置所需要的是幾年甚至十幾年充一次電。所以基於DRX這種模式，經過不斷改良就研究出了eDRX模式，也就是擴充套件非連續性接收（ExtendedDRX）。
就如同圖5-8所描述的，它在DRX的基礎上，設計了一個PTW尋呼時間視窗，在每個視窗時間內，物聯網裝置會尋呼三次，每次尋呼的間隔還是跟之前的DRX週期一樣。但是每三次尋呼後，它會進入較長時間的休眠，也就是eDRX週期，這個時間最長可以達到2.92h。但是具體的時長，運營商會根據物聯網裝置和所需資料的實際情況進行設定，所以說在這一方面也可以體現出該模式的靈活性。
圖6PSM模式工作原理
也許，eDRX的這種模式對於有些物聯網裝置來說功耗仍然不夠低，所以就有另一種模式，叫做PSM（PowerSavingMode，省電模式）。簡單來說就是把休眠的週期延的更長了，由圖5-9可知，休眠態最長可以被延長到310小時，差不多就是13天左右。雖然PSM模式所能達到的休眠時間非常長，但是也是會有一些缺點：在PSM模式下，應用層的業務平臺如果給終端下達指令的話，終端是不會接收到這些指令的，這些指令會暫時被儲存在物聯網平臺裡，等待終端被喚醒後再被髮送出去。也就是說當裝置進入PSM模式的休眠態時，平臺層所下發的指令無法將裝置喚醒，只有當裝置到時間之後自己將自己喚醒了之後，平臺側得知該裝置已經上線，才能將命令下發。
所以這些不同的模式對應的就是物聯網中的不同場景需求，比方說共享單車這一應用場景就應該使用DRX模式，因為如果是eDRX模式的話也許就需要使用者站在單車前等了五分鐘它才能自動開鎖。eDRX模式就可以用在物流監控等場景中，因為貨物在運輸時並不需要實時去監控，只要隔一段時間去確定一下位置就可以了。PSM模式可以用在遠端水錶，電錶上，因為這些表上的資料沒必要每天去抄一次，可能半個月左右去檢查一下資料就可以了，所以說NB-IoT低功耗的不同模式是與場景息息相關的。開發者需要根據不同的應用場景靈活地去選擇不同的低功耗模式。
關鍵特性三：超強覆蓋
NB-IoT在覆蓋範圍方面的設計目標是在GPRS的基礎上覆蓋增強20dB，如果將這個資料換個角度進行呈現，就相當於NB-IoT的覆蓋會是GPRS的三倍，並且能夠比GPRS多穿透兩堵牆。其中NB-IoT達到超強覆蓋的原理是什麼樣的呢？其中上行和下行就要分開來進行描述了。從下行來看，它主要是以重複傳送的方式增強傳輸的可靠性來獲得更大的增益。
圖7功率譜密度提升
就上行來講，它主要被分為兩方面，其中之一與下行相同，是通過重複傳送的方式來擴大增益。另一方面是通過NB-IoT的一個特點：該技術可以採用單子載波進行傳輸，也就是15KHz的子載波。這一點和4G不一樣，4G網路將頻譜資源在時域和頻域上進行了劃分，每次進行傳輸最少也需要傳180KHz。如圖5-10所示，在傳輸功率相同的情況下，資料在窄帶下傳輸的增益更大。以上就是NB-IoT達到廣覆蓋的原因。
關鍵特性4：超大連線
最後一個特性是超大連線，那麼它的原理又是什麼呢？讀者們可以想一下，物聯網終端的話務模型和手機有什麼樣的區別呢？其實是在於物聯網的終端很多，但是每個終端傳送的資料包很小，而且對待時延要求也不敏感。但是對於手機來講，它在一個基站區域範圍內只能擁有有限的使用者的原因就在於手機所使用的4G基站需要保證基站範圍內的所有使用者的通訊質量，所以每一個裝置都必須以高質量通訊進行接入。但是對於物聯網裝置來講，它對通訊的質量要求並沒有那麼高，所以這就意味著在相同的基站範圍內它就可以接入更多的終端，這樣就可以讓50k個物聯網裝置容納在一個基站範圍內，因為其中有大量的裝置是處於休眠狀態的。
下圖為NB-IoT解決方案的總體架構，這個架構可以和物聯網架構聯絡起來。首先在感知層的就是NB-IoT終端，之後在網路層首先是接入網比方說NB-IoT基站再到核心網，之後再到平臺層的物聯網平臺，之後再上傳到應用層的各類應用。
圖1NB-IoT解決方案架構
基於這個解決方案的總體架構，接下去就是NB-IoT網路的實際應用情況。
圖2智慧停車解決方案
以上是智慧停車的案例圖。在停車這件事上，其實停車場管理者也受到了非常多的挑戰，停車根據場景不同被分為了路邊停車和室內停車兩種。在這裡所受到的挑戰就有由於訊號問題，停車位定位比較困難，同時因為通訊模組價格高昂而導致每個車檢器裝置的價格都比較高，同時該裝置的功耗也是比較高的。
基於這些問題，華為提供了NB-IoT的網路來進行模組替換。因為使用NB-IoT的模組和基站，在城市當中的其他場景下也可以一同使用，所以可以將整個城市的裝置都連入同一個網路內，便於維護和管理。同時因為NB-IoT的特性，它的功耗比較低，所以使用壽命也有效地延長了。
圖3共享單車解決方案
除此之外還有共享單車的案例，在使用NB-IoT模組之前，共享單車上的車鎖會使用機械鎖和GPRS電子鎖的方式，但是這兩種方式都不是特別好用。因為機械鎖的共享單車是沒有辦法修改密碼的，所以當有人知道密碼之後就可以無限次的使用這臺單車了，這樣對企業來講就會造成非常大的費用流失。使用GPRS的電子鎖也是一樣，因為GPRS電子鎖的成本非常高，同時在充電時的困難程度也比較大，所以使用者體驗感也不是特別好。
所以華為提供的解決方案就使用了NB-IoT的方式來進行通訊，以此來達到低功耗並降低成本的效果。
圖4智慧路燈解決方案
除了智慧停車和共享單車這兩個案例之外，還有智慧路燈和智慧抄表這兩個案例。那麼在這兩個案例當中也是一樣的，使用NB-IoT的方式給企業或公司所帶來的好處就是可以降低他們解決方案的成本並且也能提高使用的效率，同時也能方便他們進行統一管理。
圖5智慧抄表解決方案