一直以來，人們通過相應的終端（電腦、手機、平板等）使用網路服務，“個人”一直是網路的使用者主體。個人對網路質量的要求“高”且“統一”：玩網路遊戲必需要低時延，下載檔案或看網路視訊則期望高頻寬，通話需要聲音清晰，而接收的簡訊絕不能有遺漏。

  對於行動通訊網路，運營商們儘可能地維繫著低時延、高頻寬、廣覆蓋、隨取隨用的網路特性，以保證良好的使用者體驗，以及營造出豐富多姿的移動應用生態。

 對於個人通訊業務，雖然使用者的要求很高，但整體上對網路質量的需求是一致的，運營商只需要建立一套網路質量標準體系來建設、優化網路，就能滿足大多數人對連線的需要。

 隨著網路中使用者終端（手機、PAD等）數量的增長逐漸趨緩，M2M應用成為了運營商網路業務的增長髮力點，大量的M2M應用終端則成為了網路的使用者。M2M應用終端（感測裝置、智慧終端），本質上就是物聯網終端，它們通過裝配無線通訊模組和SIM卡，連線到運營商網路，從而構建出各類集中化、數字化的行業應用。

 不同於個人通訊業務，在物聯網終端構建的行業應用中，各領域應用對資訊採集、傳遞、計算的質量要求差異很大；系統和終端部署的環境也各不相同，特別是千差萬別的工業環境；此外，企業在構建應用時，還需要考量技術限制（供電問題、終端體積等）和成本控制（包括建設成本和運營成本）。因此，千姿百態的行業應用具有“個性化”的一面，使得連線的需求朝著多樣性的方向發展。

1.物聯網業務需求的差異化，體現在兩個方面

一方面，不同的終端和應用對網路特性有不同的要求。傳統的網路特性包括：網路接入的距離、上下行的網路頻寬、移動性的支援、還有資料收發的頻率（或稱為週期性）、以及安全性和資料傳輸質量（完整性、穩定性、時效性等）。這幾個方面可濃縮成三個方面，為“接入距離”、“網路特性”、“網路品質”。“接入距離”主要分為近距接入和遠距接入兩種。網路的“特性”和“品質”則是體現需求差異化的主要因素，例如感測器終端的“網路特性”可能是：只有向雲端傳送的“上行資料”，而沒有接收的“下行資料”。

另一方面，網路還需要“照顧”原本不太被關注的終端特性，以適應各類的行業應用需求：對“能耗”和“成本”的控制。

（1）能耗

個人使用者大多數時間都是處於宜居的環境中，智慧終端常伴左右，並且在人類活動的環境中總能找到充電的“電源插頭”，所以這些終端的生產廠家對電池的電量並不敏感。

而物聯網終端的工作環境相比較個人終端的工作環境，則要複雜的多。有些物聯網終端會部署在高溫高壓的工業環境中，有些則遠離城市、放置在人跡罕至的邊遠地區，還有一些可能深嵌地下或落戶在溪流湖泊之中。

很多裝置需要電池的長期供電來工作，因為地理位置和工作環境無法向它們提供外部電源，更換電池的成本也異常高昂。所以“低功耗”是保證他們持續工作的一個關鍵需求。在不少應用場景中，一小粒電池的電量需要維持某個終端“一生”的能量供給。

（2）成本

個人使用的終端，不論是電腦還是手機，其功能豐富、計算能力強大、應用廣泛，通訊模組只是其所有電子元件和機械構建中的一小部分，在總的製造成本中佔比較低。

個人終端作為較高價值的產品，使用者、廠家對其通訊單元的固定成本並不特別敏感。而物聯網終端則不同，許多不具備聯網功能的終端原本只是簡易的感測器裝置，其功能簡單、成本低廉，相對於感測裝置，價格不菲的通訊模組加入其中，就可能引起成本驟升。

在應用場景中大量部署聯網的感測裝置，往往需要企業下決心提高終端的成本投入。而與此矛盾的是：簡單的感測器終端上傳網路的資料量通常都很小；它們連線網路的週期長（網路的使用頻次低）；每一次上傳資訊的價值都很低。終端成本和資訊價值不成比例，使得企業會在大量部署物聯網終端的決策上猶豫不前。如何降低這些啞終端（單一的感測器終端）的通訊成本，是一個迫在眉睫的難題。

此前提及的能耗問題，如果不妥善解決，也會影響到物聯網應用的運營成本：如果終端耗電過快，就需要不斷地重新部署投放或更換電池。

2.低功耗、低成本是物聯網通訊的一大需求

原本的網路對應用並不敏感，只要提供統一的高質量網路通道（標準唯一），就可以滿足大多數使用者的需求。不論使用者喜歡使用什麼樣的業務，都可以通過高品質的網路質量來獲得通訊服務，網路能夠滿足個人使用者的大多數要求。

然而隨著行業應用的深入，網路設計和建設者必須關注到應用、終端的差異性，也就是網路需要針對終端、應用做出相應的調整和適配。

在此前提到的網路特性和終端特性中：“距離、品質、特性”和“能耗、成本”，前後兩類特性存在密切的關聯關係：通訊基站的訊號覆蓋越廣（“距離長”），則基站和終端的功耗越高（“能耗高”）；要實現高品質、安全可靠的網路服務（“品質高”），需要健壯的通訊協議實現差錯效驗、身份驗證、重傳機制、以建立端到端的可靠連線，保證的基礎就是通訊模組的配置就不能低（“成本高”）

運營商在推廣M2M服務（物聯網應用）的時候，發現企業對M2M的業務需求，不同與個人使用者的需求。企業希望構建集中化的資訊系統，與自身資產建立長久的通訊連線，以便於管理和監控。

這些資產，往往分佈各地，而且數量巨大；資產上配備的通訊裝置可能沒有外部供電的條件（即電池供電，而且可能是一次性的，既無法充電也無法更換電池）；單一的感測器終端需要上報的資料量小、週期長；企業需要低廉的通訊成本（包括通訊資費、裝配通訊模組的成本費用）。

以上這種應用場景在網路層面具有較強的統一性，所以通訊領域的組織、企業期望能夠對現有的通訊網路技術標準進行一系列優化，以滿足此類M2M業務的一致性需求。

2013年，沃達豐與華為攜手開始了新型通訊標準的研究，起初他們將該通訊技術稱為“NB-M2M（LTE for Machine to Machine）”。

2014年5月份，3GPP的GERAN組成立了新的研究專案：“FS_IoT_LC”，該專案主要研究新型的無線電接入網系統，“NB-M2M”成為了該專案研究方向之一。稍後，高通公司提交了“NB-OFDM”（Narrow Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 窄帶正交頻分複用)的技術方案。

（3GPP,“第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project）”標準化組織;TSG-GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network):負責GSM/EDGE無線接入網技術規範的制定）

2015年5月，“NB-M2M”方案和“NB-OFDM方案”融合成為“NB-CIoT”（Narrow Band Cellular IoT）。該方案的融合之處主要在於：通訊上行採用FDMA多址方式，而下行採用OFDM多址方式。

2015年7月，愛立信聯合中興、諾基亞等公司，提出了“NB-LTE”（Narrow Band LTE）的技術方案。

在2015年9月的RAN#69次全會上，經過激烈的討論和協商，各方案的主導者將兩個技術方案（“NB-CIoT”、“NB-LTE”）進行了融合，3GPP對統一後的標準工作進行了立項。該標準作為統一的國際標準，稱為“NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，基於蜂窩的窄帶物聯網）”。自此，“NB-M2M”、“NB-OFDM”、“NB-CIoT”、“NB-LTE”都成為了歷史。

2016年6月，NB-IoT的核心標準作為物聯網專有協議，在3GPP Rel-13凍結。同年9月，完成NB-IoT效能部分的標準制定。2017年1月，完成NB-IoT一致性測試部分的標準制定。

在我看來，促成這幾種低功耗蜂窩技術“結盟”的關鍵，並不僅僅是日益增長的商業訴求，還有其它新生的（非授權頻段）低功耗接入技術的威脅。LoRa、SIGFOX、RPMA等新興接入技術的出現，促成了3PGG中相關成員企業和組織的抱團發展。

和其競爭對手一樣，NB-IoT著眼於低功耗、廣域覆蓋的通訊應用。終端的通訊機制相對簡單，無線通訊的耗電量相對較低，適合小資料量、低頻率（低吞吐率）的資訊上傳，訊號覆蓋的範圍則與普通的移動網路技術基本一樣，行業內將此類技術統稱為“LPWAN技術”(Low Power Wide Area，低功耗廣域技術)。

NB-IoT針對M2M通訊場景對原有的4G網路進行了技術優化，其對網路特性和終端特性進行了適當地平衡，以適應物聯網應用的需求。

在“距離、品質、特性”和“能耗、成本”中，保證“距離”上的廣域覆蓋，一定程度地降低“品質”（例如採用半雙工的通訊模式，不支援高頻寬的資料傳送），減少“特性”（例如不支援切換，即連線態的移動性管理 ）。

網路特性“縮水”的好處就是：同時也降低了終端的通訊“能耗”，並可以通過簡化通訊模組的複雜度來降低“成本”（例如簡化通訊鏈路層的處理演算法）。

所以說，為了滿足部分物聯網終端的個性要求（低能耗、低成本），網路做出了“妥協”。NB-IoT是“犧牲”了一些網路特性，來滿足物聯網中不同以往的應用需要。

1.部署方式

為了便於運營商根據自由網路的條件靈活運用，NB-IoT可以在不同的無線頻帶上進行部署，分為三種情況：獨立部署(Stand alone)、保護帶部署(Guard band)、帶內部署(In band)。

Stand alone模式：利用獨立的新頻帶或空閒頻段進行部署，運營商所提的“GSM頻段重耕”也屬於此類模式；

Guard band模式：利用LTE系統中邊緣的保護頻段。採用該模式，需要滿足一些額外的技術要求(例如原LTE頻段頻寬要大於5Mbit/s)，以避免LTE和NB-IoT之間的訊號干擾。

In band模式：利用LTE載波中間的某一段頻段。為了避免干擾，3GPP要求該模式下的訊號功率譜密度與LTE訊號的功率譜密度不得超過6dB。

除了Stand alone模式外，另外兩種部署模式都需要考慮和原LTE系統的相容性，部署的技術難度相對較高，網路容量相對較低。

2.覆蓋增強

為了增強訊號覆蓋，在NB-IoT的下行無線通道上，網路系統通過重複向終端傳送控制、業務訊息（“重傳機制”），再由終端對重複接受的資料進行合併，來提高資料通訊的質量。

這樣的方式可以增加訊號覆蓋的範圍，但資料重傳勢必將導致時延的增加，從而影響資訊傳遞的實時性。在訊號覆蓋較弱的地方，雖然NB-IoT能夠保證網路與終端的連通性，但對部分實時性要求較高的業務就無法保證了。

在NB-IoT的上行通道上，同樣也支援無線通道上的資料重傳。此外，終端訊號在更窄的LTE頻寬中傳送，可以實現單位頻譜上的訊號增強，使PSD（Power Spectrum Density，功率譜密度）增益更大。通過增加功率譜密度，更利於網路接收端的訊號解調，提升了上行無線訊號在空中的穿透能力。

通過上行、下行通道的優化設計，NB-IoT訊號的“耦合損耗（coupling loss）”最高可以達到164dB。

（備註: 耦合損耗,指能量從一個電路系統傳播到另一個電路系統時發生的能量損耗。這裡是指無線訊號在空中傳播的能量損耗）

為了進一步利用網路系統的訊號覆蓋能力，NB-IoT還根據訊號覆蓋的強度進行了分級（CE Level），並實現“尋呼優化”：引入PTW（尋呼傳輸窗），允許網路在一個PTW內多次尋呼UE，並根據覆蓋等級調整尋呼次數。

常規覆蓋（Normal Coverage）,其MCL(Maximum Coupling Loss，最大耦合損耗)小於144dB，與目前的GPRS覆蓋一致。

擴充套件覆蓋（Extended Coverage），其MCL介於144dB與154dB之間，相對GPRS覆蓋有10dB的增強

極端覆蓋（Extreme Coverage），其MCL最高可達164dB，相對GPRS覆蓋強度提升了20dB。

3. NB-IoT低功耗的實現

要終端通訊模組低功耗執行，最好的辦法就是儘量地讓其“休眠”。NB-IoT有兩種模式，可以使得通訊模組只在約定的一段很短暫的時間段內，監聽網路對其的尋呼，其它時間則都處於關閉的狀態。這兩種“省電”模式為：PSM（power saving mode，省電模式）和eDRX（Extended Discontinuous Reception，擴充套件的不連續接收）

（1） PSM模式

在PSM模式下，終端裝置的通訊模組進入空閒狀態一段時間後，會關閉其訊號的收發以及接入層的相關功能。當裝置處於這種區域性關機狀態的時候，即進入了省電模式-PSM。終端以此可以減少通訊元器件（天線、射頻等）的能源消耗。

終端進入省電模式期間，網路是無法訪問到該終端。從語音通話的角度來說，即“無法被叫”。

大多數情況下，採用PSM的終端，超過99%的時間都處於休眠的狀態，主要有兩種方式可以啟用他們和網路的通訊：

當終端自身有連線網路的需求時，它會退出PSM的狀態，並主動與網路進行通訊，上傳業務資料。

在每一個週期性的TAU (Tracking Area Update，跟蹤區更新)中，都有一小段時間處於啟用的狀態。在啟用狀態中，終端先進入“連線狀態（Connect）”，與通訊網路互動其網路、業務的資料。在通訊完成後，終端不會立刻進入PSM狀態，而是保持一段時間為“空閒狀態（IDLE）”。在空閒狀態狀態下，終端可以接受網路的尋呼。

在PSM的執行機制中，使用“啟用定時器（Active Timer，簡稱AT）”控制空閒狀態的時長，並由網路和終端在網路附著（Attach，終端首次登記到網路）或TAU時協商決定啟用定時器的時長。終端在空閒狀態下出現AT超時的時候，便進入了PSM狀態。

根據標準，終端的一個TAU週期最大可達310H(小時)；“空閒狀態”的時長最高可達到3.1小時（11160s）。

從技術原理可以看出，PSM適用於那些幾乎沒有下行資料流量的應用。雲端應用和終端的互動，主要依賴於終端自主性地與網路聯絡。絕大多數情況下，雲端應用是無法實時“聯絡“到終端的。

（2） PSM模式

在PSM模式下，網路只能在每個TAU最開始的時間段內尋呼到終端（在連線狀態後的空閒狀態進行尋呼）。eDRX模式的執行不同於PSM，它引入了eDRX機制，提升了業務下行的可達性。

（備註：DRX(Discontinuous Reception)，即不連續接收。eDRX就是擴充套件的不連續接收。）

eDRX模式，在一個TAU週期內，包含有多個eDRX週期，以便於網路更實時性地向其建立通訊連線（尋呼）。

eDRX的一個TAU包含一個連線狀態週期和一個空閒狀態週期，空閒狀態週期中則包含了多個eDRX尋呼週期，每個eDRX尋呼週期又包含了一個PTW週期和一個PSM週期。PTW和PSM的狀態會週期性地交替出現在一個TAU中，使得終端能夠間歇性地處於待機的狀態，等待網路對其的呼叫。

eDRX模式下，網路和終端建立通訊的方式同樣：終端主動連線網路；終端在每個eDRX週期中的PTW內，接受網路對其的尋呼。

在TAU中，最小的eDRX週期為20.48秒，最大週期為2.91小時

在eDRX中，最小的PTW週期為2.56秒，最大週期為40.96秒

在PTW中，最小的DRX週期為1.28秒，最大週期為10.24秒

總體而言，在TAU一致的情況下，eDRX模式相比較PSM模式，其空閒狀態的分佈密度更高，終端對尋呼的響應更為及時。eDRX模式適用的業務，一般下行資料傳送的需求相對較多，但允許終端接受訊息有一定的延時（例如雲端需要不定期地對終端進行配置管理、日誌採集等）。根據技術差異，eDRX模式在大多數情況下比PSM模式更耗電。

4. 終端簡化帶來低成本

針對資料傳輸品質要求不高的應用，NB-IoT具有低速率、低頻寬、非實時的網路特性，這些特性使得NB-IoT終端不必向個人使用者終端那樣複雜，簡單的構造、簡化的模組電路依然能夠滿足物聯網通訊的需要。

NB-IoT採用半雙工的通訊方式，終端不能夠同時傳送或接受訊號資料，相對全雙工方式的終端，減少了元器件的配置，節省了成本。

業務低速率的資料流量，使得通訊模組不需要配置大容量的快取。低頻寬，則降低了對均衡演算法的要求，降低了對均衡器效能的要求。（均衡器主要用於通過計算抵消無線通道干擾）

NB-IoT通訊協議棧基於LTE設計，但它系統性地簡化了協議棧，使得通訊單元的軟體和硬體也可以相應的降低配置：終端可以使用低成本的專用積體電路來替代高成本的通用計算晶片，來實現協議簡化後的功能。這樣還能夠減少通訊單元的整體功耗，延長電池使用壽命。

5.業務在核心網路中的簡化

在NB-IoT的核心網路（EPC- Evolved Packet Core，即4G核心網）中，針對物聯網業務的需求特性，蜂窩物聯網（CIoT）定義了兩種優化方案：

CIoT EPS使用者面功能優化（User Plane CIoT EPS optimisation）

CIoT EPS控制面功能優化（Control Plane CIoT EPS optimisation）

（1） 使用者面功能優化

“使用者面功能優化”與原LTE業務的差異並不大，它的主要特性是引入RRC (無線資源控制)的“掛起/恢復（Suspend/Resume）流程”，減少了終端重複進行網路接入的信令開銷。

當終端和網路之間沒有資料流量時，網路將終端置為掛起狀態（Suspend），但在終端和網路中仍舊保留原有的連線配置資料。

當終端重新發起業務時，原配置資料可以立即恢復通訊連線（Resume），以此減去了重新進行RRC重配、安全驗證等流程，降低了無線空口上的信令互動量。

（2） 控制面功能優化

“控制面功能優化”包括兩種實現方式（訊息傳遞路徑）。通過這兩種方式，終端不必在無線空口上和網路建立業務承載，就可以將業務資料直接傳遞到網路中。

備註：通訊系統的特性之一是控制與承載（業務）分離，直觀的來說就是業務的控制訊息（建立業務、釋放業務、修改業務）和業務資料本身並不在同一條鏈路上混合傳遞。NB-IoT的控制面功能優化則簡化了這種慣常的資訊業務架構。

CP模式的兩種實現方式，即兩種資料傳遞的路徑：

A.在核心網內，由MME、SCEF網元負責業務資料的轉接

在該方式中，NB-IoT引入了新的網元：SCEF（Service Capa- bility Exposure Function，服務能力開放平臺）。物聯網終端接受或傳送業務資料，是通過無線信令鏈路進行的，而非無線業務鏈路。

當終端需要上傳資料時，業務資料由無線信令訊息攜帶，直接傳遞到核心網的網元MME(Mobility Management Entity，4G核心網中的移動性管理實體)，再由MME通過新增的SCEF網元轉發到CIoT服務平臺（CIoT Services，也稱為AP-應用服務）。雲端向終端傳送業務資料的方向則和上傳方向正好相反。

路徑：UE(終端)-MME-SCEF- CIoT Services

B.在核心網內，通過MME與業務面交互業務資料

在該方式中，終端同樣通過無線信令鏈路收發業務資料。對於業務資料的上傳，是由MME裝置將終端的業務資料送入核心網的業務面網元SGW，再通過PGW進入網際網路平臺；對於下傳業務資料，則由SGW傳遞給MME，再由MME通過無線信令訊息送給終端。業務資料上傳和下傳的路徑也是一致的。

路徑：UE(終端)-MME-SGW-PGW-CIoT Services

按照傳統流程（包括使用者面優化方案），終端需要和網路先建立SRB(Signaling Radio Bearer)再建立DRB(Data Radio Bearer)，才能夠在無線通道上傳輸資料。而採用控制面優化方案（CP模式），只需要建立SRB就可以實現業務資料的收發。

（3）功能優化模式總結

CP方式借鑑了短距通訊的一些設計思路，非常適合低頻次、小資料包的上傳業務，類似於簡訊業務。但網路中“信令面”的頻寬有限，CP方式所以並不適合傳遞較大的業務資料包。UP模式則可以滿足大資料業務的傳遞。

不論是UP模式，還是CP模式，本質上都是通過無線通訊流程的簡化，節省了終端的通訊計算和能量消耗，提升了資料傳遞效率。

6.連線態的移動性管理

最初，NB-IoT的規範是針對靜態的應用場景(如智慧抄表)進行設計和制定的，所以在Rel-13版本（2016年6月）中它並不支援連線狀態下的移動性管理，即不支援“無線切換”。在隨後的Rel-14版本中，NB-IoT會支援基站小區間的切換，以保證業務在移動狀態下的連續性。

從NB-IoT的特性中可以看出，其通過“訊號增強”、“尋呼優化”加強了通訊覆蓋的深度。主要通過三個方面，來“照顧”終端對低耗電、低成本的要求：

1、引入了低功耗的“睡眠”模式（PSM、eDRX）；

2、降低了對通訊品質要求，簡化了終端設計（半雙工模式、協議棧簡化等）；

3、通過兩種功能優化模式（CP模式、UP模式）簡化流程，減少了終端和網路的互動量。

這些對廣域移動通訊技術的“優化”設計，使得NB-IoT更加適合於部分物聯網的場景應用，也就是LPWA（低功耗廣域網）型別的應用。並且由於引入了睡眠模式，降低了通訊品質的要求（主要是實時性要求），使得NB-IoT的基站比傳統基站，能夠接入更多的（承載LPWA業務的）終端。

採用NB-IoT的終端可以在滿足低功耗的需求下，用於較高密度部署、低頻次資料採集的應用（包括固定位置的抄表、倉儲和物流管理、城市公共設定的資訊採集等），或者是較低密度部署、長距離通訊連線的應用（包括農情監控、地質水文監測等）。

當然，作為一種LPWAN技術，NB-IoT有其固有的侷限性，它顯然並不適用於要求低時延、高可靠性的業務（車聯網、遠端醫療），而且中等需求的業務（智慧穿戴、智慧家居）對於它來說也稍顯“吃力”。