本文是HCIA-IOT学习的第三章节，接着上一章的内容我们继续学习~

通过上一章的学习我们了解了常见的物联网通信技术，在本章中，我们将会继续学习LPWA通信技术及解决方案

上一章我们已经介绍了什么是LPWA，时下针对部分无源、小包、偶发的通信需求，我们将这些需求， 统一归结为LPWA（Low-Power Wide-Area）场景，即低功耗广覆盖网络场景。

对于LPWA我们本章主要讲两个方面的技术：1是基于3GPP标准的NB-IOT，2是华为基于3GPP标准的eLTE-IOT

NB-IOT标准演进与产业发展

对于LPWA技术的应用主要在对成本、功耗、传输速率要求低，对覆盖面积要求广的产业，比如智能停车、智能路灯、指挥农业、智能抄表等，目前对于应用这些技术的设备连接数最多，有20亿，并且还有巨大的发展空间。

其次是对速率有一定的要求，并且需要低功耗的产品，比如我们的可穿戴设别、电子广告牌、健康检测设备等，对于这些设备，目前有8亿的连接数，同样还未饱和，拥有较大的发展潜力。

最后是对我们的传输速率、实时性有着高要求的产品，比如我们这几年炙手可热的自动驾驶、还有智能监控、车联网等等。目前有大概2亿的连接数，有很大的发展潜力。

NB-IOT标准演进

众~所~周~知~NB-IOT是3GPP推行的物联网标准之一，话说，作为LTE的缔造者，3GPP组织一直将物联网作为LTE的重要演进方向。

早在2008年，LTE的第一个版本R8（Release 8）中，除了有满足宽带多媒体应用的Cat.3、Cat.4、Cat.5等终端等级外，也有上行峰值速率仅有5Mbit/s的终端等级Cat.1，可用于物联网等“低速率”应用。

注意！这里的Cat并不是猫的意思，是Category的缩写，“种类，分类”的意思。Cat.X说的就是UE-Category，UE是用户设备（User Equipment ）。Cat.X这个值就是用来衡量用户终端设备无线性能的，说白了就是用来划分终端速率（等级）的。

3GPP在R13中同时新增了一个Cat.NB-1，它的接收带宽仅180kHz。

这个Cat.NB-1，就是我们的NB-IoT。

回归正题，我们来看一下NB-IOT的演进史

2014年，华为与沃达丰共同提出 NB-M2M。

2015年5月，华为和高通共同宣布了一种融合的解决方案，即上行采用 FDMA （频分多址）多址方式，下行采用 OFDM （正交频分复用）多址方式，命名为 NB-CIoT（Narrow Band Cellular IoT）。

2015年8月10日，在 GERAN SI阶段最后一次会议，爱立信联合几家公司提出了 NB-LTE（Narrow Band LTE）的概念。

2015年9月，3GPP在2015年9月的 RAN 全会达成一致，NB-CIoT 和 NB-LTE （基于窄带和LTE制式）两个技术方案进行融合形成了 NB-IoT WID。NB-CIoT 演进到了 NB-IoT（Narrow Band IoT），确立 NB-IoT 为窄带蜂窝物联网的唯一标准。

2016年4月，伦敦 M2M 大会上华为宣布与沃达丰成立 NB-IoT 开放实验室。

2016年4月，NB-IoT 物理层标准在 3GPP R13 冻结。

2016年6月，NB-IoT核心标准正式在3GPP R13冻结。

2017年一季度，根据《国家新一代信息技术产业规划》，把 NB-IoT 网络定为信息通信业“十三五”的重点工程之一。

2017年4月1日，海尔、中国电信、华为三方签署战略合作协议，共同研发基于新一代 NB-loT 技术的物联网智慧生活方案。

2017年4月25日，全球移动通信设备供应商协会发布数据，目前全球仅有4张 NB-IoT 商用网络。但同时又指出，至少有13个国家的18家运营商规划部署或正在测试40张 NB-IoT 网络。

2017年5月，软银与爱立信合作，将在日本全面部署 Cat－M1 和 NB－IoT 网络，以期率先在日本国内推出商用蜂窝物联网业务。

2017年5月，中国联通上海宣布5月底完成上海市 NB-IoT 商用部署。上海联通在2016年上半年，建设了全球首个 pre NB-IoT 大规模连续覆盖区域—上海国际旅游度假区，并携手华为共同发布 NB-IoT 技术的智能停车解决方案。

2017年5月，华为 NB-IoT 芯片 Boudica 120在6月底将大规模发货。

R14新增多项特性持续演进，NB-IOT被认可为5G一部分

华为为NB-IOT标准贡献了1008篇提案，其中通过208项，位居全球第一。

全球运营商对LPWA技术的分布，大多是选择都是首选NB-IOT+eMTC，这两种技术的组合可以覆盖大部分的低功耗物联网领域，例如中国的三大运营商都是以NB-IOT为主+eMTC技术进行部署（不过在国内eMTC技术没有那么火热）。

国外对于eMTC技术反而非常热衷，很多国外的运营商都是以eMTC为首+NB-IOT进行部署的~当然，还有少部分是以LoRa为首+eMTC进行部署的。

全球运营商对于NB-IOT频谱的选择也各不相同，频谱选择策略根据不同运营商的实际使用频段来进行部署适配。

全球大多数运营商使用900MHz频段来部署NB-IoT，中国联通和中国移动在900MHZ部署的，而中国电信分配的频段在850MHz，所以中国电信部署在850MHz。

 之前讲NB-IOT的标准演进时也讲到了华为 NB-IoT 芯片 Boudica（布迪卡） 120在2017年5月大规模发货的消息。华为率先发布了NB-IoT商用芯片与网络版本，2018年发布了商用的Boudica 150，含有R14特性。

Boudica芯片里面高度集成了SOC，SOC它里面包括了有这个基带、射频、电源监控单元、AP/SP/CP、eFlash、SRAM、SRAM。

Boudica：华为海思自研芯片

SOC：System+On+a+Chip 片上系统

BB：BaseBand 基带

RF：radio frequency 射频

PMU：电源管理单元

AP/SP/CP：应用核、安全核、控制核，芯片定义的三个核

eFlash：Embedded flash 嵌入式闪存

SRAM：静态随机存取存储器

FOAT：固件空中软件推送

LWM2M：基于Client-Server的DM设备管理协议，主要用于受限设备。

华为NB-IOT已支持40+行业领域，拥有1000+行业合作伙伴，已建成7个NB-IoT Open Labs，开发环境、测试工具等也已经全面成熟。

 其实从2018年开始，我国已经全面推进国家范围内的 NB-IoT 商用部署。其实在我们生活当中已经推行了很长一段时间了。试用商反馈也是一片良好.垂直使用场景也是数不胜数。

越来越多的行业已经在使用物联网技术提高效率，提升客户满意度并降低运营成本。

NB-IOT关键技术介绍

NB-IOT解决方案总体架构

话不多说，先上图~

这张图就是华为NB-IOT解决方案总体架构图，其实也就是一个端到端的解决方案，之前也讲过NB-IOT端到端的解决方案，这次我们来具体看一下华为NB-IOT端到端的解决方案

先列一下名词解释吧

Uu：UE和 UTRAN之间的接口,网络中终端与基站之间的无线接口

UART：通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。

URTAN：(evolved universal terrestrial radio access network),演进型通用陆地无线接入网,3GPP R8版本提出的一种新型的无线接入架构,具有高传输速率、低延迟和数据包最优化等特点。E-UTRAN包含了若干个E-NodeB，提供了终止于UE用户面(PHY/MAC)和控制面(RRC)协议。

UE：User Equipment,用户设备

NAS：non- -access stratum,非接入层,UE和核心网之间的一个功能层。非接入层支持核心网和UE之间业务和信令消息的传输。

EPC核心网：演进型分组核心网，一种演进型的3GPP系统框架。关注更高的数据速率、更低的延迟、分组优化、支持多重无线接入技术。

MME：( Mobility Management Entity)移动性管理实体，是3GPP协议LTE接入网络的关键控制节点,它负责空闲模式的UE(User Equipment)的定位,传呼过程,包括中继,简单的说MME是负责信令处理部分。它涉及到 bearer激活/关闭过程，并且当一个UE初始化并且连接到时为这个UE选择一个SGW(Serving GateWay)通过和HSS交互认证一个用户，为一个用户分配一个临时ID。MME同时支持在法律许可的范围内,进行拦截、监听。MME为2G/3G接入网络提供了控制函数接口,通过S3接口。为漫游UEs,面向HSS同样提供了S6a接口。主要负责移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证、SGW和PGW的选择等功能

HSS： Home Subscriber Server，归属用户服务器，用户归属网络中存储用户信息的核心数据库。用于在归属网络中保存IMS(IMS (IP Multimedia Subsystem) )用户的签约信息，同时提供管理接口，由运营商及终端用户对签约数据进行定制和修改。HSS中保存的主要信息包括: IMS用户标识、IMS用户安全上下文、IMS用户的路由信息及业务签约信息。类似于GSM系统中的HLR。

PGW：PDN Gateway (Packet Data Network) ，PDN网关，PGW终结和外面数据网络（如互联网、IMS等) 的SGi接口，是EPS锚点，即是3GPP与non-3GPP人网络间的用户面数据链路的锚点，负责管理3GPP和non-3GpPp间的数据路由，管理3GPP接入和non-3GPP接入(如WLAN、WiMAX等) 间的移动，还负责DHCP、策略执行、计费等功能;

SGW：（service Gateway）上服务网关，SGW终结和E-UTRAN的接口，主要负责用户面处理，负责数据包的路由和转发等功能，支持3GPP不同接入技术的切换，发生切换时作为用户面的锁点; 对每一个与EPS相关的UE，在一个时间点上，都有一个SGW为之服务。SGW和PGW可以在一个物理节点或不同物理节点实现。

eNodeB：（简称为eNB）是LTE网络中的无线基站，也是LTE无线接入网的唯一网元，负责空中接口相关的所有功能

这副图的流程呢就是~NB-IOT的终端到NB-IOT eNodeB基站，然后通过S1-lite接口与IOT核心网进行连接，核心网将IOT的业务数据转发到IOT平台进行处理。最左边是NB-IOT的终端，里面有MCU、传感器和芯片。设备中的MCU与芯片之间的交互，是MCU通过UART口将AT指令下发到芯片，从而和芯片进行交互。

eNodeB基站主要是承担空口接入处理和小区管理等相关功能，并且通过S1-lite接口与IOT核心网进行连接，将非接入层的数据转发给高层的网元去处理。

NB-IOT物理层介绍

老规矩~放图

还是老规矩~名词解释

OFDMA (正交频分多址 Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ：OFDMA是OFDM技术的演进，将OFDM和FDMA技术结合。再利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。

OFDMA是一种多址接入调制技术，用户通过OFDMA共享频带资源，接入系统。

OFDMA又分为子信道 (Subchannel) OFDMA和跳频OFDMA。

SC-FDMA ：(单载波频分多址，Single-carrier Frequency-Division Multiple Access) 是子载波连续的调制解调技术，是LTE的上行链路的主流多址。

上行传输技术有单载波与多载波两种传输技术。

单载波 single-tone：

3GPP标准中定义了NB-loT 上行支持Single-tone和Multi-tone传输，Single-tone作为UE的必备功能，Multi-tone为可选功能。应用于NB-loT的上行物理信道，表示UE上行发送仅占用一个子载波。

多载波 multi-tone：

Multi-tone包括3tone、6tone和12tone这3种场景，分别代表eNodeB可一次分配3、6和12个15KHz子载波用于UE上行数据传输。

三种下行物理信道分别如下 ：

NPBCH (窄带物理广播信道) ：NPBCH信道传递系统帧号、NB-SIB1的调度信息、接入限制和操作模式等信息，采用QPSK调制方式，NPBCH信道以640 ms为周期，经过编码后的符号首先映射在帧0的子帧0上，映射在帧0的子帧0上的内容在随后的7个帧的子帧0上重复映射；剩下的符号再重复映射在帧8~ 15的子帧0上，依次类推。

NPDCCH 〈窄带物理下行控制信道) ：NPDCCH信道用于指示NPDSCH、NPUSCH的传输格式、资源分配等信息，采用QPSK调制方式，NPDCCH信道由1个或2个NCCE (窄带控制信道单元) 组成，每个NCCE占用6个子载波，NCCE0占用子载波0~5，NCCE1占用子载波6~11。NPDCCH信道通过多次传输以便增加接收的可靠性，进而增加下行覆盖。

NPDSCH (窄带物理下行共享信道) ：NPDSCH用于传输DL-SCH和PCH的信息，采用QPSK调制方式，NPDSCH信道的TBS (传输块尺寸) 最大为680 bit. 与NPDCCH类似，NPDSCH通过多次传输来增加下行覆盖。

两种下行物理信号分别如下：

NRS (窄带参考信号) ：NRS信号用于下行信道质量测量和信道估计，用于NB-loT UE的相干检测和解调，NRS信号只支持单天线端口和两天线端口，不支持四天线端口，与传统的LTE参考信号一样，不同小区之间的NRS信号通过循环移位来避免频率上的干扰

NSS(窄带同步信号)：NSS信号用于时间同步，确定小区唯一的PCI(物理小区号)。所有的小区的NPSS信号（窄带主同步信号）都采用同一个序列，用于确定无线帧的位置，NSSS信号（窄带辅同步信号）通过504个序列来区分不同小区的PCI。

两种上行物理信道和一种上行参考信号分别如下：

NPUSCH (窄带物理上行共享信道) ：NPUSCH信道用于承载上行数据和信令，采用BPSK或者QPSK调制方式。NPUSCH有两种格式，NPUSCH格式1用于传输上行数据信息，TBS最大为1000 bit，在Single-tone模式下，上行NPUSCH只能分配1个子载波，在Multitone模式下，上行可以分配1、3、6、12个子载波;NPUSCH格式2用于传输上行控制信息，只能分配1个子载波。 与NPDSCH一样，NPUSCH通过多次传输来增加上行覆盖。

NPRACH (窄带物理随机接入信道) : NPRACH信道用于NB-IoT UE的随机接入，采用BPSK调制方式。NPRACH信道由4个随机接入符号组构成，每个随机接入符号组由1个CP和5个内容一样的符号组成，子载波的宽度为3.75KHz。在频域上，NPRACH信道可以分成多组，每组12个子载波，NB-IoT UE每次只能使用单个子载波在一组(12个) 子载波内跳频传输。

NDMRS (窄带解调参考信和号) : NDMRS用于上行信道估计、NPUSCH信道的相干检测和解调。

我们来看一下它的物理层的设计，它使用的系统带宽是180KHz，它的下行技术使用的是OFDMA（正交频分多址），它的子载波间隔达15KHZ，共12个子载波。上行的技术采用的SC-FDMA。

这张图片写的很详细啊~~~~~就不碎碎念了~

NB-IOT 的关键特性

重复讲的东西就是四点： 低功耗、低成本、广覆盖、大连接

NB-IoT部署方式

NB-IOT构建于蜂窝网络，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存，支持SingleRAN的平滑演进。

独立部署：可以利用单独的频带，适合用于GSM频段的重耕。

　　保护带部署：可以利用LTE系统中边缘无用频带。

带内部署：可以利用LTE载波中间的任何资源块。

NB-IoT直接部署于GSM、UMTS或LTE网络，即可与现有网络基站复用以降低部署成本、实现平滑升级，但是使用单独的180KHz频段，不占用现有网络的语音和数据带宽，保证传统业务和未来物联网业务可同时稳定、可靠的进行。

相关部署特性：
RF带宽180KHz (上行/下行) (考虑两边保护带，也被描述为200KHz) 。
下行：OFDMA，子载波间隔15KHz。
上行：SC-FDMA，Single-tone: 3.75KHz/15KHz，Multi-tone: 15KHz。
仅需支持半双工。
终端支持对Single-tone和Mukti-tone能力的指示。
MAC/RLC/PDCP/VRRC层处理基于已有的LTE流程和协议，物理层进行相关优化。
设计单独的同步信号。

超低成本：通信芯片专为物联网设计

终端侧RF进行了裁剪，主流NB芯片支持一根天线，天线本身复杂度及天线算法都有效降低。FDD全双工裁剪为FDD半双工,收发器从FDD-LTE的两套减少到只需要一套。

低采样率，低速率，可以使得Flash/RAM要求小。

低功耗，意味着RF设计要求低，小型PA就能实现。

通过简化协议栈上的物理层、MAC层等，降低芯片运算能力，减少对芯片的要求。

终端的芯片可以低至1$（感觉这才是主要的呐）

超低功耗：DRX与eDRX

设备消耗的能量与数据量跟速率有关，单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小，解码寻呼信道的消息会耗费大量的能量。

PTW: Paging Time Window，寻呼时间窗口。在PTW时间内UE进行paging寻呼消息的检测。

DRX: Discontinuous Reception，非连续接收技术，指的是不连续接收寻呼消息。DRX是无线通信终端节省电量的重要方法，对下行业务时延要求较高的业务适用DRX模式。DRX有周期短，可为1.28s、2.56s、5.12s或者10.24s，其周期由运营商网络侧设置决定。

eDRX: Extended DRX，扩展非连续性接收，是在DRX基础上进行扩展，需要NB-loT终端与核心网之间进行能力协商， eDRX省电技术进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动。eDRX周期最长可设置为2.92h。

超低功耗：PSM省电模式

基于NB-IOT技术，物联网终端在发送数据包后，立刻进入一种休眠状态，不在进行任何通信活动，等到它有上报数据的请求的时刻，它会唤醒自己，随后发送数据，然后又进入休眠状态。按照物联网终端的行为习惯，将会达到99%的时间在休眠状态，使得功耗非常的低。它的休眠态最长可以达到310小时。

超强覆盖：功率谱密度提升与时域重传

MCL： Max Coupling Loss，最大耦合损耗，以此衡量覆盖范围 (穿透范围) ，数值越大，覆盖范围 (穿透范围) 越大。

针对物联网的部署特点，现有接入技术不足以满足深度覆盖的要求。3GPP在技术规范TS45.820中针对智能水表、智慧停车等物联网业务部署特点提出LPWA技术需要满足针对GSM/GPRS/LTE网络的MCL增强20dB的要求。

NB-loT比LTE和GPRS基站提升了20dB的增益，能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信和号难以到达的地方。

频率谱密度提升 :

通过上下行物理信道格式、调制规范的重新定义，使得上下行控制信息与业务信息可以在相对LTE更窄的带宽中发送，相同发射功率下的PSD(Power Spectrum Density)增益更大，降低接收方的解调要求。

重复发送: 引入重复发送的编码方式，通过重复提升信道条件恶劣时的传输可靠性。

超大连接：减小空口信令开销与降低资源使用

首先，NB-loT的基站是基于物联网的模式进行设计的。物联网的话务模型是和手机不同的，它的话务模型是终端很多，但是每个终端发送的包小，发送包对时延的要求不敏感。当前的2G/3G/4G基站是设计保障用户可以同时做业务并且保障时延，基于这样的方式，用户的联接数或者接入数目是控制在1K左右的。但是基于NB-loT，基于对业务时延不敏感，可以设计更多的用户接入，保存更多的用户上下文，这样可以让50k作用的终端同时在一个小区，大量终端处于休眼态，但是上下文信息由基站和核心网维持，一旦有数据发送，可以迅速进入激活态。

另外，2G/3G/4G的调度颗粒较大，NB-loT因为基于窄带，调度颗粒小很多，在同样的资源情况下，资源的利用率会更高。在同样覆盖增益要求下，重传次数少或者没有，频谱效率也更高。

eLTE-IoT通信技术及解决方案介绍

华为基于NB-IoT推出eLTE-IoT

众~所~周~知~华为是一家拥有强大科研能力的公司，它所推出的eLTE-IOT相比于NB-IOT有了以下的改进！