nb-iot網(wǎng)絡架構詳解

　　2015年9月份，全球通信業(yè)對共同形成一個低功耗、廣域覆蓋（LPWA）的物聯(lián)網(wǎng)標準達成共識， NB-IoT標準應運而生。而今年，隨著NB-IoT即將完成測試，正式進入商用階段，業(yè)界對于它的關注度和討論也是逐漸升溫。

　　 nb-iot網(wǎng)絡架構詳解

　　NB-IOT特點

　　1、頻譜窄：200kHz；

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

　　3、相同的數(shù)據(jù)包重復傳輸也可獲得更好的覆蓋增益；

　　4、另外該技術降低了終端的激活比，降低了終端基帶的復雜度。

　　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)絡的技術，可以通過升級現(xiàn)網(wǎng)來快速支持行業(yè)市場需求，成為GUL網(wǎng)絡上的第四種模式。

　　NB-IoT的優(yōu)勢

　　1、強鏈接

　　在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術提供50-100倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡架構。舉例來說，受限于帶寬，運營商給家庭中每個路由器僅開放8-16個接入口，而一個家庭中往往有多部手機、筆記本、平板電腦，未來要想實現(xiàn)全屋智能、上百種傳感設備需要聯(lián)網(wǎng)就成了一個棘手的難題。而NB-IoT足以輕松滿足未來智慧家庭中大量設備聯(lián)網(wǎng)需求。

　　2、高覆蓋

　　NB-IoT室內覆蓋能力強，比LTE提升20dB增益，相當于提升了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，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應用同樣適用。以井蓋監(jiān)測為例，過去GPRS的方式需要伸出一根天線，車輛來往極易損壞，而NB-IoT只要部署得當，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)應用一項重要指標，特別對于一些不能經(jīng)常更換電池的設備和場合，如安置于高山荒野偏遠地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測設備，它們不可能像智能手機一天一充電，長達幾年的電池使用壽命是最本質的需求。NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應用，因此NB-IoT設備功耗可以做到非常小，設備續(xù)航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。

　　4、低成本

　　與LoRa相比，NB-IoT無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復用的。以中國移動為例，900MHZ里面有一個比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2G的頻段，就可以直接進行LTE和NB-IoT的同時部署。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來低成本優(yōu)勢。模塊預期價格不超過5美元。

　　NB-IOT網(wǎng)絡接口和協(xié)議棧

　　 nb-iot網(wǎng)絡架構詳解

　　CoAP（Constrained Application Protocol）是IETF專門為受限應用環(huán)境設計的協(xié)議，功能上與HTTP類似，但更輕量化和高效，適合于NB-IoT 終端。

　　UE直接和IoT平臺或者M2M APP Server通過CoAP協(xié)議進行通信，承載應用層數(shù)據(jù)，M2M APP server支持CoAP協(xié)議時，業(yè)務數(shù)據(jù)可不經(jīng)過IoT平臺，DTLS協(xié)議可選，需要端到端安全時支持。

　　nb-iot網(wǎng)絡架構詳解

　　NB-IoT的端到端系統(tǒng)架構如下圖所示。

　　 nb-iot網(wǎng)絡架構詳解

　　1）NB-IoT終端：通過空口連接到基站。

　　2）eNodeB：主要承擔空口接入處理，小區(qū)管理等相關功能，并通過S1-lite接口與IoT核心網(wǎng)進行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉發(fā)給高層網(wǎng)元處理。這里需要注意，NB-IoT可以獨立組網(wǎng)，也可以與EUTRAN融合組網(wǎng)（在講雙工方式的時候談到過，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)：承擔與終端非接入層交互的功能，并將IoT業(yè)務相關數(shù)據(jù)轉發(fā)到IoT平臺進行處理。同理，這里可以NB獨立組網(wǎng)，也可以與LTE共用核心網(wǎng)。

　　需要注意的是，這里籠統(tǒng)的寫成IoT核心網(wǎng)那是偷懶且毫不負責任的寫法，下文將就此進行詳細介紹，這里涉及到較多的技術細節(jié)。

　　4）IoT平臺：匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類型轉發(fā)至相應的業(yè)務應用器進行處理。

　　5）應用服務器：是IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點，根據(jù)客戶的需求進行數(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）

　　 nb-iot網(wǎng)絡架構詳解

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

　　對于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分支：或者通過SGW傳送到PGW再傳送到應用服務器，或者通過SCEF（Service Capa- bility Exposure Function）連接到應用服務器（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。

　　這一方案無需建立數(shù)據(jù)無線承載，數(shù)據(jù)包直接在信令無線承載上發(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是專門為NB-IoT設計而新引入的，它用于在控制面上傳送非IP數(shù)據(jù)包，并為鑒權等網(wǎng)絡服務提供了一個抽象的接口。

　　對于CIoT EPS用戶面功能優(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，在無線承載上發(fā)送數(shù)據(jù)，由SGW傳送到PGW再到應用服務器。因此，這種方案在建立連接時會產(chǎn)生額外開銷，不過，它的優(yōu)勢是數(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)構架與LTE一樣。

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