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摘要：NB- IoT 网络是基于 4G 网络演进过去的，所以它在上行和上行的复用技术上还是沿用了 4G 的 OFDMA 和 SC-FDMA。
本文分享自华为云社区《一文理解 NB-IoT 四大要害个性以及实现技术》，作者：万万万。
在物理层，NB-IoT 叫窄带蜂窝物联网，那么它的窄带体现在哪里呢？就是这个 180KHz，它仅相当于是 4G 爱护带宽的宽度。咱们晓得，NB-IoT 网络是基于 4G 网络演进过去的，所以它在上行和上行的复用技术上还是沿用了 4G 的 OFDMA 和 SC-FDMA。尽管 NB-IoT 的设计是基于 4GLTE 的，然而因为初衷不一样，因为 4G 的设计是为了高速率高带宽的需要，而 NB-IoT 的设计目标却是低速率。
所以在具体的技术实现上，NB-IoT 也精简掉了很多不必要的局部。比如说物理信道和物理信号的局部，为了缩小实现的复杂性，NB-IoT 在上行只有两种物理信道和一种物理信号，在上行就只有三种物理信道和两种物理信号。进行信道和信号精简的次要目标就在于达到广覆盖，低功耗和低成本的目标。
在接下来的内容当中，将介绍 NB-IoT 的四大要害个性以及个性当中所蕴含的实现技术。
要害个性一：超低老本
1.1 部署形式
在上文中提到过，NB-IoT 的其中一个特点就是它能够间接部署在运营商已有的网络中，以此来达到低成本的目标。NB-IoT 一共有三种部署形式，第一种是独立部署，独立部署的意思是 NB-IoT 能够不依附现有的 LTE 网络，齐全独立进去。所以这种形式实用于 GSM 频段的重耕，因为 GSM 的信道带宽是 200KHz，把 NB-IoT 的 180KHz 带宽放进去入不敷出。
图 1 独立部署
第二种叫做爱护带部署，正如上文中形容的，NB-IoT 的窄带到底有多窄呢？它窄到能够部署在现有 4G 频段的爱护带宽下面，这样的话本来不必的这一部分资源就能够从新被利用起来了。
图 2 爱护带部署
第三种是带内部署，它能够间接部署在 4G 的频带内，学过通信的读者应该会晓得，在 4G 网络内，频域和时域被划分为了一个个小的资源块，同时因为 NB-IoT 的设计是基于 4G 的，所以它在进行网络设计的时候和 4G 是齐全符合的，4G 的每个小资源块的带宽是 180KHz，这也就是 NB-IoT 的零碎带宽是 180KHz 的起因。所以，不论采纳哪一种形式部署，NB-IoT 都不会依赖任何零碎的信号资源。
图 3 带内部署
以上就是在部署形式上，NB-IoT 做到低成本的一个起因。另外须要读者理解的是，现如今因为技术上的限度，NB-IoT 还无奈部署在 LTE 零碎的带内以及爱护带上，所以独立部署依然为现阶段 NB-IoT 网络次要的部署形式。
1.2 芯片设计
除此之外在芯片的设计上通过对一部分性能进行简化来达到低成本的一个目标。华为通过单天线和半双工和其余的一系列解决设计了专门用于物联网的 Boudica150 芯片，因为对于 NB-IoT 来讲，单天线和 FDD 半双工就曾经足够满足物联网的通信需要了，基于这样的设计，对于 NB-IoT 的模组来说，又升高了十分多的老本。
要害个性二：超低功耗
NB-IoT 为了场景须要，设计了两种独特的模式，一种是 eDRX 另一种是 PSM。在形容 eDRX 模式之前，读者们首先须要理解 DRX 模式。DRX 这种形式，是广泛应用在手机里的一种寻呼形式。能够想一下，如果在最现实的状况下，有人想要给你打电话，以什么样的形式手机能力保障肯定能监听到这个寻呼的信息呢？相当于就须要手机每时每刻都在等着被寻呼，就像是在上课的时候目不转睛的同学，始终等着老师点名叫他答复问题。
图 4 模式工作原理
然而，对于手机来讲，如果每时每刻都要等着被寻呼的话，是十分耗电的。所以，研发人员就钻研出了 DRX，不间断接管（DiscontinuousReception）的这样一种办法。它的原理如图 5 - 7 所示，图上蓝色的脉冲，代表的就是手机在进行寻呼，在每次寻呼之后，手机会劳动一下进入 IDLE 态，进入 IDLE 态后手机会敞开接收机就相当于是同学们在上课的时候打了个盹。在 DRX 模式下，手机每次寻呼的距离，就叫做 DRX 周期，这个 DRX 周期能够是 1.28s，2.56s，5.12s 或者是 10.24s。
图 5eDRX 模式工作原理
然而对于物联网设施来讲，这个模式依然不能满足它们所须要的低功耗，因为 DRX 模式是宽泛应用在手机上的模式。然而手机的耗电状况同样也是比拟高的，就算是只拿手机打电话发短信，也得要一天或者两三天充一次电。然而物联网设施所须要的是几年甚至十几年充一次电。所以基于 DRX 这种模式，通过一直改进就钻研出了 eDRX 模式，也就是扩大非连续性接管（ExtendedDRX）。
就如同图 5 - 8 所形容的，它在 DRX 的根底上，设计了一个 PTW 寻呼工夫窗口，在每个窗口工夫内，物联网设施会寻呼三次，每次寻呼的距离还是跟之前的 DRX 周期一样。然而每三次寻呼后，它会进入较长时间的休眠，也就是 eDRX 周期，这个工夫最长能够达到 2.92h。然而具体的时长，运营商会依据物联网设施和所需数据的理论状况进行设置，所以说在这一方面也能够体现出该模式的灵活性。
图 6PSM 模式工作原理
兴许，eDRX 的这种模式对于有些物联网设施来说功耗依然不够低，所以就有另一种模式，叫做 PSM（PowerSavingMode，省电模式）。简略来说就是把休眠的周期延的更长了，由图 5 - 9 可知，休眠态最长能够被缩短到 310 小时，差不多就是 13 天左右。尽管 PSM 模式所能达到的休眠工夫十分长，然而也是会有一些毛病：在 PSM 模式下，应用层的业务平台如果给终端下达指令的话，终端是不会接管到这些指令的，这些指令会临时被保留在物联网平台里，期待终端被唤醒后再被发送进来。也就是说当设施进入 PSM 模式的休眠态时，平台层所下发的指令无奈将设施唤醒，只有当设施到工夫之后本人将本人唤醒了之后，平台侧得悉该设施曾经上线，能力将命令下发。
所以这些不同的模式对应的就是物联网中的不同场景需要，比方说共享单车这一利用场景就应该应用 DRX 模式，因为如果是 eDRX 模式的话兴许就须要用户站在单车前等了五分钟它能力主动开锁。eDRX 模式就能够用在物流监控等场景中，因为货物在运输时并不需要实时去监控，只有隔一段时间去确定一下地位就能够了。PSM 模式能够用在近程水表，电表上，因为这些表上的数据没必要每天去抄一次，可能半个月左右去检查一下数据就能够了，所以说 NB-IoT 低功耗的不同模式是与场景非亲非故的。开发者须要依据不同的利用场景灵便地去抉择不同的低功耗模式。
要害个性三：超强笼罩
NB-IoT 在覆盖范围方面的设计指标是在 GPRS 的根底上笼罩加强 20dB，如果将这个数据换个角度进行出现，就相当于 NB-IoT 的笼罩会是 GPRS 的三倍，并且可能比 GPRS 多穿透两堵墙。其中 NB-IoT 达到超强笼罩的原理是什么样的呢？其中上行和上行就要离开来进行形容了。从上行来看，它次要是以反复发送的形式加强传输的可靠性来取得更大的增益。
图 7 功率谱密度晋升
就上行来讲，它次要被分为两方面，其中之一与上行雷同，是通过反复发送的形式来扩充增益。另一方面是通过 NB-IoT 的一个特点：该技术能够采纳单子载波进行传输，也就是 15KHz 的子载波。这一点和 4G 不一样，4G 网络将频谱资源在时域和频域上进行了划分，每次进行传输起码也须要传 180KHz。如图 5 -10 所示，在传输功率雷同的状况下，数据在窄带下传输的增益更大。以上就是 NB-IoT 达到广覆盖的起因。
要害个性 4：超大连贯
最初一个个性是超大连贯，那么它的原理又是什么呢？读者们能够想一下，物联网终端的话务模型和手机有什么样的区别呢？其实是在于物联网的终端很多，然而每个终端发送的数据包很小，而且看待时延要求也不敏感。然而对于手机来讲，它在一个基站区域范畴内只能领有无限的用户的起因就在于手机所应用的 4G 基站须要保障基站范畴内的所有用户的通信品质，所以每一个设施都必须以高质量通信进行接入。然而对于物联网设施来讲，它对通信的品质要求并没有那么高，所以这就意味着在雷同的基站范畴内它就能够接入更多的终端，这样就能够让 50k 个物联网设施包容在一个基站范畴内，因为其中有大量的设施是处于休眠状态的。
下图为 NB-IoT 解决方案的总体架构，这个架构能够和物联网架构分割起来。首先在感知层的就是 NB-IoT 终端，之后在网络层首先是接入网比方说 NB-IoT 基站再到核心网，之后再到平台层的物联网平台，之后再上传到应用层的各类利用。
图 1NB-IoT 解决方案架构
基于这个解决方案的总体架构，接下去就是 NB-IoT 网络的理论利用状况。
图 2 智能停车解决方案
以上是智能停车的案例图。在停车这件事上，其实停车场管理者也受到了十分多的挑战，停车依据场景不同被分为了路边停车和室内停车两种。在这里所受到的挑战就有因为信号问题，停车位定位比拟艰难，同时因为通信模组价格昂扬而导致每个车检器设施的价格都比拟高，同时该设施的功耗也是比拟高的。
基于这些问题，华为提供了 NB-IoT 的网络来进行模组替换。因为应用 NB-IoT 的模组和基站，在城市当中的其余场景下也能够一起应用，所以能够将整个城市的设施都连入同一个网络内，便于保护和治理。同时因为 NB-IoT 的个性，它的功耗比拟低，所以使用寿命也无效地缩短了。
图 3 共享单车解决方案
除此之外还有共享单车的案例，在应用 NB-IoT 模组之前，共享单车上的车锁会应用机械锁和 GPRS 电子锁的形式，然而这两种形式都不是特地好用。因为机械锁的共享单车是没有方法批改明码的，所以当有人晓得明码之后就能够有限次的应用这台单车了，这样对企业来讲就会造成十分大的费用散失。应用 GPRS 的电子锁也是一样，因为 GPRS 电子锁的老本十分高，同时在充电时的艰难水平也比拟大，所以用户体验感也不是特地好。
所以华为提供的解决方案就应用了 NB-IoT 的形式来进行通信，以此来达到低功耗并降低成本的成果。
图 4 智慧路灯解决方案
除了智能停车和共享单车这两个案例之外，还有智慧路灯和智能抄表这两个案例。那么在这两个案例当中也是一样的，应用 NB-IoT 的形式给企业或公司所带来的益处就是能够升高他们解决方案的老本并且也能进步应用的效率，同时也能不便他们进行对立治理。
图 5 智能抄表解决方案
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