STM32 NB-IoT学习指南（一）：详解NB-IoT技术介绍

这篇先总结一下NB-IoT的基本知识，下一篇再涉及相关单片机程序代码。

目录

一. NB-IoT概念及特点

1.概念

2.特点

3.目前主要应用情况

二. NB-IOT部署方式

1.独立部署（Stand alone operation）简称ST

2.保护带部署（Guard band operation）简称GB

3.带内部署（In-band operation）简称IB

三.工作状态         

1、Connected(连接态、工作态)

2、Idle(空闲态、轻休眠态)

3、PSM(节能态、深睡眠态)

4.三种状态之间存在一定的切换关系

四. 工作模式（NB-IoT的省电技术）

1.DRX模式（不连续接收）

2.eDRX模式（扩展不连续接收）

3.PSM模式（省电模式）

4.DRX、eDRX、PSM三种模式的区别

---

一. NB-IoT概念及特点

1.概念

       窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT），NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

        通常，我们把物联网设备分为三类：

　　①无需移动性，大数据量（上行），需较宽频段，比如城市监控摄像头。

　　②移动性强，需执行频繁切换，小数据量，比如车队追踪管理。

　　③无需移动性，小数据量，对时延不敏感，比如智能抄表。

        NB-IoT正是为了应对第③种物联网设备而生。

2.特点

（1）优点

超强覆盖：相对GPRS来说，增加20db的信号增益。在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，可更好满足厂区、管道井、井盖等这类对深度覆盖有要求的地方。

超低功耗：对于终端功耗的目标是：基于AA（5000mAh）电池，使用寿命可超过10年。模块在平时处于休眠状态，每天可根据程序设定自动唤醒上传数据，若没有收到请求的命令，模块会自动进入休眠，终端模块待机时间可长达8年。

超大连接：一个扇区能够支持数万个连接，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。同一基站可比现有无线技术提供50-100倍的接入数。

超低成本：NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。

（2）缺点

传输数据少。基于低功耗的机制，注定了NBIoT只能传输少量的数据到远端，因此正式应用时要么单次传输字节数少，要么传输数据间隔长。比如智能水表、气表，一般是24小时传输一次数据。这意味着依靠实时数据分析的行业应用难以推广此技术。此外，还存在寿命到期电池更换的麻烦。

通信成本贵。目前NBIoT通信模块还是偏贵，主流芯片厂家主要有紫光展锐、华为海思和联发科，一块NBIoT模组在20~50元左右。通信流量上，电信是20元一年，包年时间多相对便宜，中国移动资费差不多，若设备量大还有议价空间。一块水电表零售价也就一两百元，NBIoT模组就吃掉了一大块成本。

技术待成熟。虽然中国各大运营商号称投入大量人力物力财力进行相关建设，NBIoT技术还不是很成熟。诚然，电信云平台后面是华为公司作为技术支撑，实力强大，想必不久将来技术会成熟稳定。

平台对接难。电信的IOT平台走的是CoPA协议，CoPA协议对接方面复杂。虽然华为电信物联网平台上资料齐全，要和电信开放平台对接，还是要花不少时间。

3.目前主要应用情况

公共事业：智能水表、智能水务、智能气表、智能热表。

智慧城市：智能停车、智能路灯、智能垃圾桶、智能窖井盖。

消费电子：独立可穿戴设备、智能自行车、慢病管理系统、老人小孩管理。

设备管理：设备状态监控、白色家电管理、大型公共基础设施、管道管廊安全监控。

智能建筑：环境报警系统、中央空调监管、电梯物联网、人防空间覆盖。

指挥物流：冷链物流、集装箱跟踪、固定资产跟踪、金融资产跟踪。

农业与环境：农业物联网、畜牧业养殖、空气实时监控、水质实时监控。

其他应用：移动支付、智慧社区、智能家居、文物保护

 目前国内的NB-IoT频段主要运行在B5和B8频段。

二. NB-IOT部署方式

        NB-IoT支持在频段内（In-Band）、保护频段（Guard Band）以及（Stand-alone）共三种部署方式。

1.独立部署（Stand alone operation）简称ST

        不依赖LTE，与LTE可以完全解耦。

        不适用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200KHz，这刚好为NB-IoT180KHz带宽辟出空间，且两边还有10KHz的保护间隔。

2.保护带部署（Guard band operation）简称GB

        不占LTE资源。

        利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽得到资源块。

3.带内部署（In-band operation）简称IB

        占用LTE的1个PRB资源。

        可与LTE同PCI，也可与LTE不同PCI，一般来说如果采用的是IB方式，倾向于设置为与LTE同PCI（说明什么问题？一是NB也有PCI，所以同频组网是可行的，不同于GSM，二是PCI也是504个，可以复用LTE的PCI规划，三是PCI的生成、功能基本相同）。

三.工作状态         

1、Connected(连接态、工作态)

       模块注册入网后处于该状态，可以发送和接收数据，无数据交互超过一段时间后会进入Idle模式，时间可配置。

2、Idle(空闲态、轻休眠态)

       可收发数据，且接收下行数据会进入Connected状态，无数据交互超过一段时会进入PSM模式，时间可配置。空闲状态可配置执行DRX或eDRX模式。

3、PSM(节能态、深睡眠态)

       不可收也不可发数据，此模式下终端关闭收发信号机，不监听无线侧的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。持续时间由核心网配置(T3412)，有上行数据需要传输或TAU周期结束时会进入Connected态。

4.三种状态之间存在一定的切换关系

        知道后对NB的使用会有进一步的理解，总结如下：

（1）终端发送数据完毕处于Connected态，启动“不活动计时器”，默认20秒，可配置范围为1s~3600s；

（2）“不活动计时器”超时，终端进入Idle态，启动及或定时器(Active-Timer【T3324】)，超时时间配置范围为2秒~186分钟；

（3）Active-Timer超时，终端进入PSM状态，TAU周期结束时进入Connected态，TAU周期【T3412】配置范围为54分钟~310小时。

（4）TAU周期指的是从Idle开始到PSM模式结束。
 

四. 工作模式（NB-IoT的省电技术）

1.DRX模式（不连续接收）

        DRX（Discontinuous Reception）即非连续接收，是指终端仅在必要的时间段打开接收机进入激活态，用以接收下行数据，而在剩余时间段关闭接收机进入休眠态，停止接收下行数据的一种节省终端电力消耗的工作模式。     

 

         DRX 是一种节省终端功耗的工作模式，其基本原理是让模块周期性地进入休眠模式；休眠期间，模块将不监听 PDCCH、关闭收发单元，以降低其功耗。
        DRX 作用于 Idle 态中，通过在 Idle 态中周期性监听寻呼的方式来降低模块功耗。但DRX 参数由网络决定，模块无法修改也无法建议网络修改。

        注意：

    （1）在激活期，UE将打开接收机，寻呼信道，判断是否有有下行业务。

    （2）NB-IoT的DRX周期取值范围为：1.28s，2.56s，5.12s 或者10.24s。

    （3）DRX周期时长确定后：

激活期越长，则业务处理越及时，但接收机在同一个周期内工作时间长，UE耗电量越大。

激活期越短，则UE（设备）越省电，但接收机在同一个周期内保持关闭的时间越长，业务时延越长。

        对下行业务延时要求高，如路灯。

2.eDRX模式（扩展不连续接收）

        为了节省终端功耗，同时满足一定下行业务时延的要求，3GPP引入了扩展DRX的概念（extended DRX，eDRX）。

        eDRX目的与 DRX 相同，均是通过让模块周期性进入休眠状态以达到降低功耗的目的。

        基本的原理是将 Idle 态分成寻呼期和休眠期：在寻呼期，模块的工作模式和 LTE 的 DRX 一致；在休眠期，模块不监听下行寻呼。相比 DRX，eDRX 可支持更长的寻呼周期，以达到进一步降低功耗的目的。
        eDRX 模式下，模块只在 PTW 内按 DRX 周期监听下行寻呼、接收下行业务（打开接收机）；如果在休眠期有数据发给模块，模块并不能及时接收，只能等到当前 eDRX 周期完毕后再次进入 PTW 监听寻呼。因此，eDRX 模式下，模块功耗的降低以实时性为“代价”，实际应用时需要根据业务模型，确定合适的 eDRX 周期和 PTW 值，以达到功耗与实时性的平衡。

        对下行业务时延有较高要求，可根据设备是否处于休眠状态缓存消息或者立即下发消息，如智能穿戴设备。

3.PSM模式（省电模式）

        PSM(Power Saving Mode) 的技术原理非常简单，在PSM该状态下，终端射频关闭，相当于关机状态，终端非业务期间深度休眠，不接收下行数据，只有 终端主动发送上行数据（MO Data）时可接收IoT平台缓存的下行数据。

模块进入 PSM 的过程：

1. 模块在与网络端建立连接或跟踪区更新（TAU）时，网络会下发 T3324 和 T3412 定时器配置到模块，UE 在进入 Idle 状态后会启动 T3324 和 T3412 定时器。当 T3324 定时器超时后，模块进入 PSM。
2. 模块在针对紧急业务进行连网或初始化 PDN（公共数据网络）时，不能申请进入 PSM。
3. 当模块处于 PSM 模式时，将关闭连网活动，包括搜寻小区消息、小区重选等。但是 T3412 定时器（与周期性 TAU 更新相关）仍然继续工作。

模块退出 PSM（以下任意一种方式）：

T3412 定时器超时后，模块将自动退出 PSM。

当模块处于 PSM 模式时，拉低 PSM_EINT（下降沿）可将模块从 PSM 唤醒。

注意：

（1）终端何时进入PSM状态，以及在PSM状态驻留的时长由核心网和终端协商。

（2）进入PSM模式，虽然UE不再进行接收寻呼消息，看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中，这样当UE从休眠唤醒后就不需重新注册网络就可以进行数据收发。

（3）PSM想唤醒可通过外部唤醒或者周期自身唤醒，外部唤醒常用的是RTC中断唤醒（如：MT2625采用外部RTC唤醒），周期唤醒的周期是核心网运行商配置给NB物联卡，周期性的唤醒。

（4）PSM自动唤醒与RTC_ENIT外部唤醒区别：

在PSM状态下，通过RTC_EINT唤醒后，如果系统没有其他task，则会马上重新进行PSM状态。如有有其他task要执行，则会执行task，在执行完task之后，如果还未到周期自动唤醒，则会继续马上重新进入PSM模式。

如果是周期到了自动唤醒，则会维持Active time后再重新进入PSM状态。而Active Time可继续业务的上行和下行。

 模块在 PSM 下耗流极低（典型耗流： 3.5μA ）。功耗示意图：

4.DRX、eDRX、PSM三种模式的区别

（1）DRX 模式下，模块在每个 DRX 周期监听一次寻呼信道，功耗相对 eDRX 和 PSM 来说较高。

（2）eDRX 就是模块不断地打开、关闭接收机。打开接收机时能够接收数据，关闭接收机时则无法接收数据；eDRX 周期即由关闭接收机和打开接收机这两个完整的时段组成，支持配置的时长为 20.48s ~ 2.92h。eDRX 功耗较 DRX 低。

（3）PSM 与 eDRX 相比，打开、关闭接收机的频率更低，可低至几天打开一次接收机。PSM 周期内，模块仅在接收机打开的时间内能够接收到数据，接收机关闭的时间内将无法接收下行数据。PSM 模式下，功耗只有微安级，终端在此工作模式下才可能实现极低的功耗。
 

参考连接

https://blog.csdn.net/Sanjay_Wu/article/details/83895259

https://blog.csdn.net/qq_44981039/article/details/116745796

史上最全的NB-IoT知识，每个通信人都应该了解的_NB-IoT物联网的博客-CSDN博客

NB-IoT物联网技术_nbiot_啦啦赛的博客-CSDN博客

浅谈NBIOT_Sanjay_Wu的博客-CSDN博客

NBIOT工作模式详解（BC26模组）_nbiot 模式_JavonPeng的博客-CSDN博客