一文看懂蜂窝物联网进化史，NB-IoT带来新突破

所谓蜂窝物联网，就是蜂窝移动通信网+物联网（废话）。

蜂窝移动通信网络已经发展30多年了，高高的通信铁塔拔地而起，随处可见，比工业时代的烟囱可多多了，象征着辉煌的信息时代。

因此，蜂窝移动通信网络的广覆盖性和移动性，成为了物联网的天然搭档。

曾经，我们用2/3G网络来连接物联网设备。

这些物联网应用通常数据流量很小，有些仅需一条短信就可以搞定，主要应用于智能抄表、车队管理追踪、集装箱追踪、垃圾管理等等。

然而，随着物联网的发展，特别是其它LPWAN技术兴起，我们发现工作于2/3G网络下的物联网越来越不适应时代需求了。

GPRS模块较贵，令人担忧的是，GSM已经运行25年，离关闭退服的日子不远了。而物联网设备的电池寿命可维持10年之久，10年之内，2G网络要是关闭了那可咋整？况且，LTE网络也具备技术优势：频谱效率、时延、数据吞吐率均优于2/3G网络。

我们得面向未来，得为蜂窝物联网考虑下家，寻找4G LTE的解决方案。于是，3GPP 在Rel.13定义了eMTC （LTE Cat M1）和NB-IoT。

3GPP为啥到Rel.13才定义eMTC和NB-IoT呢？是不是反应太慢了点？

话不能这么说，事实上，3GPP很早就意识到了这一点，因为LTE设计之初是为了应付移动宽带业务，在设计上需要专门针对物联网做一些改进。同时，在LTE初期，网络规模还没有达到2/3G覆盖水平，并不能满足物联网广覆盖的需求。

Rel.10和Rel.11解决了"一大"问题

如果没记错，从Rel.10开始，3GPP就开始针对物联网引入新功能。

关于蜂窝物联网的设计原则，总得来说，我们把它称为"一大、一强、三低"。

一大，就是大规模连接，物联网设备连接数量很多；一强，就是覆盖增强；三低，就是低功耗、低成本、低流量。

在Rel.10和Rel.11阶段，3GPP主要在解决"一大"问题。

大量设备同时接入网络，会引起网络过载，从而影响移动宽带业务，比如大规模断电恢复后，大量设备同时接入网络，网络信令负荷直呼受不了。要想LTE网络引入物联网，首先得保证4G主业务--移动宽带不受伤害。

由于很多物联网设备对时延并不敏感，在连接过程中可接受较长时间等待，在Rel. 10引入了初始连接拒绝机制，就是让一些设备先靠边站，等一会再来连接（Extended wait time）。

在Rel. 11还引入了接入等级（access classes）机制，网络为每一个终端设备设置了接入等级，指示哪些设备可以接入。

总得来说，Rel. 10 和Rel. 11阶段，3GPP做了一些应付大规模接入的工作，这确保了LTE在应对物联网时网络的可靠性和稳定性。

接下来，就是解决"三低"问题了。

从Rel. 12开始，3GPP主要着手解决"三低"问题。在这一阶段，主要定义了PSM（Power Saving Mode）省电模式和LTE Cat 0。

LTE Cat 0

比较LTE Cat 1，LTE Cat 0模块的复杂度降低了50%，这主要是通过牺牲部分功能的方式来降低模块硬件复杂度，也降低了成本和功耗。

LTE Cat 0取消了全双工模式，采用半双工，这意味着终端设备无需同时接收和发送数据，也意味着不需要双工滤波器来防止发送和接收信号之间的干扰。

LTE Cat 0还降低了数据速率，上下行仅为1Mbps，这降低了模块的处理和存储能力，从而降低成本。

PSM

PSM在数据连接终止或周期性TAU完成后启动。数据连接终止后，终端首先进入空闲模式，并进入不连续接收（DRX）状态，此时，终端监听寻呼（Paging）。

当DRX定时器T3324超时后，终端进入PSM模式。

PSM模式下，终端处于休眠模式，近乎于关机状态，可大幅度省电。在PSM期间，终端不再监听寻呼，但终端还是注册在网络中，因此，要发送数据时不需要重新连接或建立PDN连接。

所以，PSM适用于那些反应迟钝的，通常由终端主动发起和网络通信的物联网场景，否则，你要是捉急让它办点事，它可能要很久才回应你。当然，我们在网络设计时，也一定要考虑实际应用需求，合理设置空闲模式和PSM模式的时间间隔。

LTE Cat M1（eMTC） 和 LTE Cat NB1（NB-IoT）

3GPP在Rel. 13引入了LTE Cat M1。LTE Cat M1更精简、更低成本、更低功耗，带宽从20MHz降到1.4MHz，终端发射功率更小，可20dBm。

与LTE Cat M1同时到来的是LTE Cat NB1。

如果说eMTC是LTE的瘦身版，那么，NB-IoT就是打了类固醇的LPWAN。

总得来说，NB-IoT让蜂窝物联网从"更低"走向"超低"，从"更大"走向"超大"：超低功耗、超低成本、超低流量、超强覆盖、超大规模连接。

NB-IoT的带宽仅为180KHz，这样它可以部署于空闲的LTE资源块，LTE载波之间的空闲频谱（保护带）或独立部署（空闲的GSM载波）。

与LTE Cat 0