nb-iot网络架构详解

　　2015年9月份，全球通信业对共同形成一个低功耗、广域覆盖（LPWA）的物联网标准达成共识， NB-IoT标准应运而生。而今年，随着NB-IoT即将完成测试，正式进入商用阶段，业界对于它的关注度和讨论也是逐渐升温。

　　1、频谱窄：200kHz；

　　2、终端发射窄带信号提升了信号的功率谱密度，提升了信号的覆盖增益，并且提升了频谱利用效率；

　　3、相同的数据包重复传输也可获得更好的覆盖增益；

　　4、另外该技术降低了终端的激活比，降低了终端基带的复杂度。

　　5、NB-IOT四大能力：广覆盖，海量连接，更低功耗，更低芯片成本。

　　6、NB-IOT基于现有蜂窝网络的技术，可以通过升级现网来快速支持行业市场需求，成为GUL网络上的第四种模式。

　　1、强链接

　　在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。举例来说，受限于带宽，运营商给家庭中每个路由器仅开放8-16个接入口，而一个家庭中往往有多部手机、笔记本、平板电脑，未来要想实现全屋智能、上百种传感设备需要联网就成了一个棘手的难题。而NB-IoT足以轻松满足未来智慧家庭中大量设备联网需求。

　　2、高覆盖

　　NB-IoT室内覆盖能力强，比LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村这样的广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。以井盖监测为例，过去GPRS的方式需要伸出一根天线，车辆来往极易损坏，而NB-IoT只要部署得当，就可以很好的解决这一难题。

　　3、低功耗

　　低功耗特性是物联网应用一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备，它们不可能像智能手机一天一充电，长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。

　　4、低成本

　　与LoRa相比，NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。以中国移动为例，900MHZ里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2G的频段，就可以直接进行LTE和NB-IoT的同时部署。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。模块预期价格不超过5美元。

　　CoAP（Constrained ApplicaTIon Protocol）是IETF专门为受限应用环境设计的协议，功能上与HTTP类似，但更轻量化和高效，适合于NB-IoT 终端。

　　UE直接和IoT平台或者M2M APP Server通过CoAP协议进行通信，承载应用层数据，M2M APP server支持CoAP协议时，业务数据可不经过IoT平台，DTLS协议可选，需要端到端安全时支持。

　　NB-IoT的端到端系统架构如下图所示。

　　1）NB-IoT终端：通过空口连接到基站。

　　2）eNodeB：主要承担空口接入处理，小区管理等相关功能，并通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。这里需要注意，NB-IoT可以独立组网，也可以与EUTRAN融合组网（在讲双工方式的时候谈到过，NB仅能支持FDD哦，所以这里必定跟FDD融合组网）

　　3）IoT核心网：承担与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。同理，这里可以NB独立组网，也可以与LTE共用核心网。

　　需要注意的是，这里笼统的写成IoT核心网那是偷懒且毫不负责任的写法，下文将就此进行详细介绍，这里涉及到较多的技术细节。

　　4）IoT平台：汇聚从各种接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发至相应的业务应用器进行处理。

　　5）应用服务器：是IoT数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作。

　　1、核心网

　　为了将物联网数据发送给应用，蜂窝物联网（CIoT）在EPS定义了两种优化方案：

　　CIoT EPS用户面功能优化（User Plane CIoT EPS opTImisaTIon）

　　CIoT EPS控制面功能优化（Control Plane CIoT EPS opTImisation）

　　如上图所示，红线表示CIoT EPS控制面功能优化方案，蓝线表示CIoT EPS用户面功能优化方案。

　　对于CIoT EPS控制面功能优化，上行数据从eNB（CIoT RAN）传送至MME，在这里传输路径分为两个分支：或者通过SGW传送到PGW再传送到应用服务器，或者通过SCEF（Service Capa- bility Exposure Function）连接到应用服务器（CIoT Services），后者仅支持非IP数据传送。下行数据传送路径一样，只是方向相反。

　　这一方案无需建立数据无线承载，数据包直接在信令无线承载上发送。因此，这一方案极适合非频发的小数据包传送。

　　SCEF是专门为NB-IoT设计而新引入的，它用于在控制面上传送非IP数据包，并为鉴权等网络服务提供了一个抽象的接口。

　　对于CIoT EPS用户面功能优化，物联网数据传送方式和传统数据流量一样，在无线承载上发送数据，由SGW传送到PGW再到应用服务器。因此，这种方案在建立连接时会产生额外开销，不过，它的优势是数据包序列传送更快。

　　这一方案支持IP数据和非IP数据传送。

　　2、接入网

　　NB-IoT的接入网构架与LTE一样。

　　eNB通过S1接口连接到MME/S-GW，只是接口上传送的是NB-IoT消息和数据。尽管NB-IoT没有定义切换，但在两个eNB之间依然有X2接口，X2接口使能UE在进入空闲状态后，快速启动resume流程，接入到其它eNB（resume流程将在本文后面详述）。

　　3、频段

　　NB-IoT沿用LTE定义的频段号，Release 13为NB-IoT指定了14个频段。