nb-iot網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)詳解

　　2015年9月份，全球通信業(yè)對(duì)共同形成一個(gè)低功耗、廣域覆蓋（LPWA）的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成共識(shí)， NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。而今年，隨著NB-IoT即將完成測(cè)試，正式進(jìn)入商用階段，業(yè)界對(duì)于它的關(guān)注度和討論也是逐漸升溫。

　　1、頻譜窄：200kHz；

　　2、終端發(fā)射窄帶信號(hào)提升了信號(hào)的功率譜密度，提升了信號(hào)的覆蓋增益，并且提升了頻譜利用效率；

　　3、相同的數(shù)據(jù)包重復(fù)傳輸也可獲得更好的覆蓋增益；

　　4、另外該技術(shù)降低了終端的激活比，降低了終端基帶的復(fù)雜度。

　　5、NB-IOT四大能力：廣覆蓋，海量連接，更低功耗，更低芯片成本。

　　6、NB-IOT基于現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，可以通過(guò)升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)來(lái)快速支持行業(yè)市場(chǎng)需求，成為GUL網(wǎng)絡(luò)上的第四種模式。

　　1、強(qiáng)鏈接

　　在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。舉例來(lái)說(shuō)，受限于帶寬，運(yùn)營(yíng)商給家庭中每個(gè)路由器僅開(kāi)放8-16個(gè)接入口，而一個(gè)家庭中往往有多部手機(jī)、筆記本、平板電腦，未來(lái)要想實(shí)現(xiàn)全屋智能、上百種傳感設(shè)備需要聯(lián)網(wǎng)就成了一個(gè)棘手的難題。而NB-IoT足以輕松滿足未來(lái)智慧家庭中大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求。

　　2、高覆蓋

　　NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強(qiáng)，比LTE提升20dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對(duì)于廠區(qū)、地下車(chē)庫(kù)、井蓋這類(lèi)對(duì)深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。以井蓋監(jiān)測(cè)為例，過(guò)去GPRS的方式需要伸出一根天線，車(chē)輛來(lái)往極易損壞，而NB-IoT只要部署得當(dāng)，就可以很好的解決這一難題。

　　3、低功耗

　　低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一項(xiàng)重要指標(biāo)，特別對(duì)于一些不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備和場(chǎng)合，如安置于高山荒野偏遠(yuǎn)地區(qū)中的各類(lèi)傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備，它們不可能像智能手機(jī)一天一充電，長(zhǎng)達(dá)幾年的電池使用壽命是最本質(zhì)的需求。NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時(shí)間可以從過(guò)去的幾個(gè)月大幅提升到幾年。

　　4、低成本

　　與LoRa相比，NB-IoT無(wú)需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的。以中國(guó)移動(dòng)為例，900MHZ里面有一個(gè)比較寬的頻帶，只需要清出來(lái)一部分2G的頻段，就可以直接進(jìn)行LTE和NB-IoT的同時(shí)部署。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來(lái)低成本優(yōu)勢(shì)。模塊預(yù)期價(jià)格不超過(guò)5美元。

　　CoAP（Constrained ApplicaTIon Protocol）是IETF專(zhuān)門(mén)為受限應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的協(xié)議，功能上與HTTP類(lèi)似，但更輕量化和高效，適合于NB-IoT 終端。

　　UE直接和IoT平臺(tái)或者M(jìn)2M APP Server通過(guò)CoAP協(xié)議進(jìn)行通信，承載應(yīng)用層數(shù)據(jù)，M2M APP server支持CoAP協(xié)議時(shí)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可不經(jīng)過(guò)IoT平臺(tái)，DTLS協(xié)議可選，需要端到端安全時(shí)支持。

　　NB-IoT的端到端系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。

　　1）NB-IoT終端：通過(guò)空口連接到基站。

　　2）eNodeB：主要承擔(dān)空口接入處理，小區(qū)管理等相關(guān)功能，并通過(guò)S1-lite接口與IoT核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。這里需要注意，NB-IoT可以獨(dú)立組網(wǎng)，也可以與EUTRAN融合組網(wǎng)（在講雙工方式的時(shí)候談到過(guò)，NB僅能支持FDD哦，所以這里必定跟FDD融合組網(wǎng)）

　　3）IoT核心網(wǎng)：承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，并將IoT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺(tái)進(jìn)行處理。同理，這里可以NB獨(dú)立組網(wǎng)，也可以與LTE共用核心網(wǎng)。

　　需要注意的是，這里籠統(tǒng)的寫(xiě)成IoT核心網(wǎng)那是偷懶且毫不負(fù)責(zé)任的寫(xiě)法，下文將就此進(jìn)行詳細(xì)介紹，這里涉及到較多的技術(shù)細(xì)節(jié)。

　　4）IoT平臺(tái)：匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類(lèi)型轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用器進(jìn)行處理。

　　5）應(yīng)用服務(wù)器：是IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，根據(jù)客戶(hù)的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作。

　　1、核心網(wǎng)

　　為了將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（CIoT）在EPS定義了兩種優(yōu)化方案：

　　CIoT EPS用戶(hù)面功能優(yōu)化（User Plane CIoT EPS opTImisaTIon）

　　CIoT EPS控制面功能優(yōu)化（Control Plane CIoT EPS opTImisation）

　　如上圖所示，紅線表示CIoT EPS控制面功能優(yōu)化方案，藍(lán)線表示CIoT EPS用戶(hù)面功能優(yōu)化方案。

　　對(duì)于CIoT EPS控制面功能優(yōu)化，上行數(shù)據(jù)從eNB（CIoT RAN）傳送至MME，在這里傳輸路徑分為兩個(gè)分支：或者通過(guò)SGW傳送到PGW再傳送到應(yīng)用服務(wù)器，或者通過(guò)SCEF（Service Capa- bility Exposure Function）連接到應(yīng)用服務(wù)器（CIoT Services），后者僅支持非IP數(shù)據(jù)傳送。下行數(shù)據(jù)傳送路徑一樣，只是方向相反。

　　這一方案無(wú)需建立數(shù)據(jù)無(wú)線承載，數(shù)據(jù)包直接在信令無(wú)線承載上發(fā)送。因此，這一方案極適合非頻發(fā)的小數(shù)據(jù)包傳送。

　　SCEF是專(zhuān)門(mén)為NB-IoT設(shè)計(jì)而新引入的，它用于在控制面上傳送非IP數(shù)據(jù)包，并為鑒權(quán)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供了一個(gè)抽象的接口。

　　對(duì)于CIoT EPS用戶(hù)面功能優(yōu)化，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送方式和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)流量一樣，在無(wú)線承載上發(fā)送數(shù)據(jù)，由SGW傳送到PGW再到應(yīng)用服務(wù)器。因此，這種方案在建立連接時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外開(kāi)銷(xiāo)，不過(guò)，它的優(yōu)勢(shì)是數(shù)據(jù)包序列傳送更快。

　　這一方案支持IP數(shù)據(jù)和非IP數(shù)據(jù)傳送。

　　2、接入網(wǎng)

　　NB-IoT的接入網(wǎng)構(gòu)架與LTE一樣。

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

　　3、頻段

　　NB-IoT沿用LTE定義的頻段號(hào)，Release 13為NB-IoT指定了14個(gè)頻段。