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NB-IoT技术深度解析:部署模式与节能机制全指南

知识点1【NB-IoT的介绍】

NB-IoT 是指Narrow Band Internet of Things,聚集于低功耗窄带宽广域物联网。

1、License介绍

“有牌照”(license)频谱,指的是政府或者监管机构通过拍卖,划拨等方式,授予给各个运营商独立使用的无线电频段

特点

(1)受监管,独占使用

获得某一频段的使用牌照后,享有该频段在特定区域内的独家运营权,其他主体不得随意使用

(2)质量与覆盖保障

由于独占,干扰可控,网络质量和可靠性更高,便于做覆盖规划和容量管理。

2、NB-IoT的部署方式

因为NB-IoT使用的是有牌照(license)的频谱,运营商可以在自己的频段里灵活编排子载波,因此NB-IoT可以实现以下三种部署方式跟现有的移动通信网络(如LTE/4G)共存:

  • 带内部署(In‑band)

    直接在现有 LTE(或其它)载波的频谱中划出一部分子载波来承载 NB‑IoT 信号,不需要额外的频谱资源。

  • 保护带部署(Guard‑band)

    利用现有载波与邻近信道之间为了防止互相干扰而预留的“保护带”频段,把 NB‑IoT 放在那里。

  • 独立载波部署(Standalone)

    在一段完全独立、专门给 NB‑IoT 用的频谱(例如原来做 GSM 的 200 kHz 频段)上运行,不跟 LTE 等主业务共用。

3、NB-IoT的特点

NB-IoT传输速度较慢,延迟较高,但是它无需 像Lora SigFox等需要借助蓝牙,WIFI等才能实现与公网的对接。成本较低。

1、低成本

NB-IoT可直接采用LTE网络,利用现有技术和基站。此外,NB-IoT能与LTE互相兼容,可以重复使用已有的硬件设备,共享频谱,同时避免系统共存的问题

终端设备价格很低:半双工,单接收天线,峰值速率低,内存需求低,上下行带宽低至180kHz。

2、低功耗

下面将详细介绍

3、大连接

理想情况下,每个扇区可连接约5万台设备

注意:

这里指的是在线设备可达5万台,但是不能全部同时发送,同时发送的设备数量是由带宽决定的,根据带宽计算,NB-IoT同一时刻最多可支持48台设备同时发送。

应用优势:

知识点2【NB-IoT通信流程】

终端设备:由厂商提供的芯片或者模组,在其基础上做二次开发。并且需要我们从运营商处购买NB卡

NB-IoT基站:通过NB卡附着于基站

NB-IoT核心网:上面说的NB-IoT的部署方式,部署的就是NB-IoT的网络

NB-IoT平台:云平台,可以自己去搭建,也可以用第三方的

知识点3【NB-IoT三种工作模式】

1、Active(活跃模式)

  • 通信能力

    可发送数据:设备可以主动向网络传输数据(如传感器读数)

    可接收数据:设备实时监听网络,可接收下行指令或数据(如远程控制指令)

  • 特点

    功耗最高

2、Idle(浅睡模式)

  • 通信能力

    不可主动发送数据:设备需要先切换到Active模式才能发送数据

    可接收寻呼消息:设备周期性监听网络寻呼信道(如eDRX机制),可接收下行唤醒指令或紧急通知

  • 特点

    功耗中等,接收到消息后,切换到Active模式才能进行完整通信。

3、PSM(省电模式)

  • 通信能力

    不可发送数据:设备完全断开网络连接,无法主动上传数据

    不可接受数据:网络无法通过下行链路联系设备,所有下行数据会被缓存或删除

  • 唤醒条件

    主动唤醒:设备通过内部定时器或者预设事件唤醒并切换到Active模式(如检测水表,每日凌晨唤醒一次)

    强制唤醒:T3412定时器超时后,设备必须执行TAU流程

知识点4【NB-IoT的节能机制】

1、NB-IoT的节能机制

1、DRX,不连续接收,周期性监听接收数据

2、eDRX,增强型不连续接收,长时间间隔的不连续接收数据,间隔时间可从秒级到小时可配置

3、PSM,省电模式,长时间关闭接收数据

2、重点

(1)DRX和eDRX都是在Idle模式

(2)DRX是在Idle模式下,设备周期性唤醒(1.28s,2.56s等)以监听寻呼消息,监听窗口称为PTW。

PTW期间:不连续性接收

(3)eDRX是在DRX基础上拓展,允许更长的睡眠时间,但每次监听窗口的时间更短

(4)DRX 与 eDRX的参数独立配置

大家看下面两张图

这里补充以下TAU的概念

3、TAU(Tracking Area Update

1、定义

设备移动到新的跟踪区域或周期性位置更新时,向网络上报当前位置,确保网络能正确寻呼设备。

2、触发条件

  • T3412定时器超时
  • 设备位置变动
  • 网络主动请求更新

3、TAU流程关键步骤

  • 设备唤醒

    切换到Active模式

  • TAU请求

    设备向基站发送TAU请求(带有 旧TA 等信息)

  • 网络验证

    核心网验证 设备合法性

  • 位置更新

    核心网更新设备位置数据库,通知基站 跟踪区域 变动

  • 返回休眠

    设备重新进入PSM/Idle模式

结束

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