【前言】吴老司机是一个通信行业的人，三十而立一直沉溺于技术不能自拔，从业至今在自己努力之余，也深感行业交流的必要，也希望把自己的一些看法整理出来，抛砖引玉能够让各位通信人能够共同提高，不才搜集整理一些心得体会与众共勉。非广告仅作交流而已，热心朋友可以关注一下wutongtingyu1213，大家一起交流。

吴老司撩通信

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【老司机解读NB-IOT-1】物联网的前世今生

近两年来，关于无线通信技术发展，吴老师听到最多的两个词就是5G和物联网了。本期专题开始就想跟大家好好掰扯掰扯物联网，将包括物联网的前世今生、应用case、NB-IOT技术原理、NB-IOT规划等。至于5G技术，还是等果子成熟了再说（至少还是等协议定下来再说吧，大写的囧）。

1   何为物联网？

何为物联网（IOT）？It stands for Internet of Things。Basic idea is to connect EVERYTHING that you can think of by Internet。

首先我们得知道，自从上世纪80年代以来，从大哥大开始，无线通信技术已经经历了四代的传承与发展。从开始的人与人的连接，发展到人与物的连接，自然地，咱们脑洞大开，是否可以将所有的物都连在一起呢？而实际上从商业上来看，语音通信（人与人连接）收入已经见顶，由于4G的大力建设，数据业务（人与人&人与物的连接）支撑运营商收入进入了新的巅峰，那么下个收入蓝海将是什么？从目前观点来看即是物与物的连接将成为第三个波峰，而物联网将是重要的载体。

这里就不得不涉及到很多商业与技术的思考。试列举之：

◢发展的驱动力在哪？

◢应用case在哪？

◢商业前景如何？

◢选择何种连接技术最经济有效？

先引用一些关于物联网市场前景的预测数据：2020年，中国将达百亿物联网连接（含各种连接），产业链市场空间1万亿人民币（数据来源：麦肯锡等）。当然，你还可以找到各种预测的数据，总之一句话，这个饼很大，机会很多，这将是一群人的狂欢，想去high的（包括单身狗们）快上车，否则你错过的不仅仅是一个亿！

2  物联网的应用场景

物联网应用场景丰富，但是依据对技术的需求，总体来看可以划分为两类：

◢可以使用非蜂窝（以短距 Wi-Fi、蓝牙等为主）网络来承载的应用

◢建议使用蜂窝（包括现有的2/3/4G及其他技术）物联网技术承载的应用（运营商市场主要在蜂窝领域，这也是我们讨论的重点）

目前，对于运营商来说，智能家居、智能楼宇、抄表、市政物联和物流追踪这五大领域将是应用推广的重点。以下引用一些统计和预测数据作为参考：

3  物联网技术的众生相

这张图见诸于各物联网相关资料中，理论上来讲，如果对这图理解了，那么恭喜你对物联网功力已经练到了五成，呵呵。

下面我试着对上图从几个维度进行解读：

◢横轴代表覆盖要求，一般可以划分为长距离和短距离，因此将物联网技术划分为了两个大类。短距离通信技术有我们熟悉的wifi（不要告诉我你不知道）、Bluetooth，还有大家不熟悉的ZigBee等。不过对不起，这些短距离通信技术天生就有覆盖范围受限的缺点，应用场景也就随之受限（如果你看看排球队的菇娘们，就知道有种高度你是高攀不上的），因为比如智能抄表等业务肯定是位于地下室或者弯角旮旯里，覆盖能力不行怎么搞定？这些技术不是运营商的兴趣点，当然也不是咱们研究的重点。对于长距离通信，主要的代表技术是NB-IOT、eMTC、LoRa、SigFox等。实际上对于长距离通信技术，一般同时具备了强覆盖、低成本、小功耗、大连接这四个关键特点（敲黑板，重点重点重点，注意没有高速率），我们又将这类技术称为LPWA（Low Power Wide Area）。从这四个特点来看，简直是人见人爱，所以运营商也爱，并且是真爱。再次敲黑板了，注意注意，咱们这个系列的主角NB-IOT已经自带光环出场了，以后详细聊。

◢纵轴代表速率要求：基本可以划分为高、中、低三个速率等级。高速率：(>1Mbps)，主要的应用场景有车联网、视频监控、远程医疗等，代表技术有4G LTE-V和5G新技术等；中速率：((<1Mbps)，主要的应用场景有可穿戴设备、银行业PoS机、电梯广告推送、车队管理等，代表技术有eMTC、GPRS/CDMA、wifi等；低速率：((<200Kbps)，主要的应用场景有能源抄表、气象/环保监测、资产标签、智能停车、智能锁等，代表技术有NB-IoT、LoRa 、Sigfox（广域覆盖）、蓝牙、zigbee等短距技术等；

◢对于LPLA而言，我们还可以进一步细分，主要国际标准还是私有技术、公共频段还是授权频段，这不展开讲。

◢从这个图还可以看出，技术能力的统一与互斥性，也即很难有种技术是覆盖好又速率快的。如果有，请让我看到你们的双手？？

◢那么为什么有这么多技术呢？多得看花灯似得。答案CMCC早告诉你了：移动过年七款礼，总有一款适合你！

彩蛋时间

好了，最后摘抄一段英文给大家，这是我在最开始接触IOT时看到的。When you start reading about IoT, I am pretty sure that you will see some words about M2M and now start searching about M2M. And when you searching M2M and reading them, I am pretty sure that you will hear something about MTC, D2D. Then while I was googling about MTC, D2D and I started hearing about LTN and realized that even ETSI specification are released about LTN.

In addition to Cellular based IoT/M2M, many kinds of other network and short range wireless protocols that are designed for IoT/M2M or revised from existing application for IoT/M2M application, now we have even more confusing bubbles as illustrated below. If you are confused with this diagram, I would say my mission accomplished. This specific section is to confuse you :).

如果没看懂，那么恭喜我，我的目的达到了，因为这段话的唯一目的就是confuse you。

好了，今天咱们主要聊了物联网的一些概述性的话题，从下篇开始，我们将深入解读NB-IOT技术。

【老司机解读NB-IOT系列-2】NB–IOT的笑傲江湖

上一篇谈到了物联网的前世今生，今天我们正式开始谈NB-IOT。

如果将NB-IOT技术标准的形成看做是江湖比武最终称霸武林的话，并且你正好看过笑傲江湖的话，那这些事就好理解了。

本篇就是要扒一扒NB是如何与不同门派之间相杀后，又如何与同门派不同宗派之间，甚至是同门师兄弟们相爱相杀的故事（说好的攘外必先安内呢）。咱们的故事的主线主要有两个，一是NB（你可以理解为牛逼），二是SB（请注意不要理解错，是撕逼，不是那个SB）。

1  NB是什么？

上一篇我们已经聊过物联网的缩写为IOT，英文为Internet of Things。这里吴老师有个小技巧，有些缩写看起来很吓人，也很难记，建议大家看看英文原文，你会发现so easy，那个敞亮，分分钟有妈妈再也不用担心我的学习的那种感觉。上篇也谈过物联网有很多技术，在IOT之前加上NB，连起来NB-IOT即为我们这个系列的主角，很多文章中都解释为Niubility Internet of Thing，即牛逼的物联网。实际上，这只是一个善意的玩笑，NB的真正含义是narrow band的意思，翻译过来是窄带，所以经常我们在资料中会看到窄带物联网的提法。

2  NB-IOT的四个技术特点

上一篇，我们已经聊过，NB-IOT属于LPWA技术的一种，它天生具备强覆盖、低成本、小功耗、大连接这四个关键特点，下面引用华为的一张图让大家对NB有个爱的初体验。

实话实说，作为一个在无线通信领域摸爬打滚十几年的老司机来说，看到这四个关键特点，我直呼word天，你这么NB，你咋不上天呢？

这里不得不谈谈在通信技术发展上，关于需求与实现等因素之间的一些辩证关系。先来看当前采用2/3/4G承载物联网应用的主要问题：

◢典型场景网络覆盖不足，例如：室内的无线抄表、边远地区的环境监控和地下资源监控（ 4G规划指标穿透1层墙）

◢终端功耗过高（使用5Wh电池），2G终端待现网能力差距

◢ 2/3/4G无法满足未来海量终端的应用

◢ 终端种类多、批量小，开发门槛高，通信模块成本高，综合成本高

正因如此，在2015年9月开始，NB-IOT技术应运而生。当然地NB义不容辞的要解决好以上的痛点和问题。这里的关系就是需求与实现的相生关系。

人有多大胆，地有多大产。吴老师在接下来的篇幅中将会一一道来，如何从技术上去实现这些逆天的要求。

3  NB与不同门派的SB

吴老师，难道催生NB-IOT的就只有需求？

嗯嗯嗯，你问的问题很有深度，答案是NO，NO，NO。

这里不得不提再提下LoRa、SigFox等私有的物联网技术（不清楚的可以看上篇，或者自问度娘）。正因为这些技术的出现，对3GPP这个通信行业带头大哥造成了很大的心里阴影（那面积可是相当的大），所以3GPP才扯起虎旗开搞LPWA技术。当然地，3GPP当大哥多年可不是白给的，自己开招就是独孤九剑厉害招数，再加上多年经营，身边一堆小弟对老大哥一呼百应，一时群雄聚齐，所以才有了NB今天的声势。这就是NB与不同门派的撕逼。

顺便八卦一下，各位如果看3GPP在制定LTE标准中，WiMAX和LTE的剧情，与NB与LoRa之间何其相似？简直跟XX神剧一样，同样的剧情，变着花样的不断地上演。

4  NB与同门师兄弟的SB大战

话说，武林大会中刚与不同门派撕逼完，3GPP内部不同阵营之间的撕逼大战随即拉开。君不见前阵子关于5G编码标准之争，各种刷屏。说到底，不同阵营争的不光是面子，更实际的是利益。引用华为的一张图片，可以清晰的看出NB与同门师兄弟之间上演的相杀相爱的故事。

各位同学请注意，在讲解的过程中，一大波名词将扑面而来：

    ◢第一次内部PK：事情的起因是英国的vodafone（沃达丰）基于LTE网络提供抄表业务成本太高，而GSM网络即将退网的考虑，私下拍拖华为一起提出了NB-M2M解决方案。美国的qualcomm（高通）基于现有的LTE技术提出了NB-OFDMA（侧重是空口解决方案）。接下来就是各种PK，各种妥协，最终融合成第一个统一方案，成为NB-CIOT。

    ◢第二次内部PK：以爱立信等公司为首的阵营基于现有的LTE技术，提出了一些优化方案，因此进行了第二次PK，最终在2016年6月形成了现在的NB-IOT技术标准。

好吧，估计大家都晕掉了，总结一句话，经过两次内部大撕逼，最终才形成NB-IOT技术标准，至于之前的那些你就当是历史课吧。

5  NB与同门不同宗派间的SB

大家知道，在华山派内部也有宗派之分，岳不群属气宗，风清扬是剑宗前辈。同样在3GPP内部针对物联网的解决方案也存在两大宗派，一是基于LTE现网优化的eMTC技术，一个是另起炉灶的NB-IOT技术，见下面图表。

上图是从终端的演进角度来看eMTC技术的发展。其核心思想是在当前的LTE基础上，通过针对性优化，使之与LTE共存的情况下满足物联网的应用需求。其发展演进主要是终端方面的，如以上cat1是LTE终端，3GPP专门为了IOT设计了cat0终端，我们称为MTC，但是带宽还是20M，成本、耗电等都下不来，因此在R12时就被冻结。此后在R13阶段设计了cat M终端，带宽缩小到1.4M，成本、耗电等问题得到较好的解决，但随后3GPP在R13也冻结了eMTC的研究，转而研究NB-IOT去了（有没有一种生了二胎后大小子受冷落的感觉？）。

怎么理解NB-IOT和eMTC的关系？我的理解是长期共存，就如华山派的剑宗和气宗一样。因为定位不一样，eMTC解决的是中速率的IOT需求，而NB-IOT解决的是低速率的需求，武功路数不同而已。具体就不赘述了，详情请自觉翻阅上篇文中图。

好了，老司机今天就聊到这，希望你已经了解到了NB 是如何成就江湖地位的。下篇开始，吴老司将针对NB 的四个技术特性逐一分析，欢迎各位继续上车。

致力于4G、5G、物联网等前沿通信技术的分享！

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【吴老司撩通信】老司机解读NB-IOT-3.NB-IOT强覆盖之降龙掌

导语：上篇吴老司简要介绍了NB-IOT的四大技术特点，本篇开始详细讨论NB-IOT超强覆盖能力的技术细节。各位小同学板凳准备好了没？

1         NB-IOT强覆盖之降龙掌

再次复习下，NB的四大特点（也可以称为NB的四大优势）为强覆盖、小功耗、低成本、大连接，接下来的系列中吴老师将以这四个技术特点为引子，开启NB的技术之旅。

本期主要介绍NB的超强覆盖能力。

NB最一开始就给自己定了一个亿的小目标，即要比GSM覆盖增强20db。对于这样一个小目标，作为一个长期被4G高频段深度覆盖不足困扰的无线老兵来说，我只能说这简直是在“逗逼”。但是3GPP居然真实现了。细细数来，为了实现20db的增益，3GPP分别用了降龙十八掌中的飞龙在天（提升功率谱密度，7db）、六龙回旋（不要命的重传，12db）、亢龙有悔（多天线增益0-3db）这三个大招。

1.1       第一招 飞龙在天

简单的说就是提升IOT终端的发射功率谱密度（PSD，Power spectral density ）。有小同学已经在举手了。问：功率谱密度是个什么梗？和功率是什么关系？简单的理解可以参考质量与密度的关系，如果还不懂，请各位小同学拿出大学中信号与系统、通信原理课本脑补下，弄清楚后还可以顺便进京考个研玩。

请大家看下表，如果你能顺着表的思路自己放到excel中做一次计算，我相信你一定已经理解了功率谱密度和功率的关系，也更清楚了上图中5.3倍的数据来源。

对几个技术点进行说明如下：

1)        通常，我们在通信里面不会直接使用倍数关系，而是使用db的来表征，功率谱密度相比GSM增强10*Log(5.3)=7dB 。

2)        对比中并没有考虑频段因素的影响，即默认使用相同频率。

3)        这里计算的是上行功率谱，而不是下行。原因如下：一般情况下，下行覆盖大于上行覆盖（为什么？因为终端功率往往是受限的，而网络侧RRU功率理论上提升很容易），即上行覆盖受限，所以通常来说计算MCL（最大耦合损耗，链路预算中必备）时大部分会只计算上行链路的。这点以后谈NB覆盖规划时候再细谈。

4)        NB-IOT上行传输有两种带宽3.75KHz和15KHz可供选择，带宽越小，功率谱密度越大，覆盖增益越大。此处对比中采用的是3.75K。至于3.75K和15K的技术细节在后续篇章中将详细讲解到。

5)        学到这里这里大家即可看到窄带的深层次含义了：缩小带宽，在功率不变的情况下，即提升了功率谱密度。

下面再放一张直观的图来辅助理解，功率谱密度越高，柱子越高。从图中也可以看到，如果是将NB-IOT与LTE比，折算出来，PSD带来的增益会更高（如图中所示，达到了17db）。

1.2       第二招 六龙回旋

NB通过重复发送，获得时间分集增益，并采用低阶调制方式，提高解调性能，增强覆盖。简单的理解就是：话说一次听不见，咱多说几次，多一次就多一次正确听到的机会，这种机会转化到通信里面，即称为增益。在标准中规定，所有的物理信道均可重复发送，理论可获得9~12个dB增益(8到256次重传)。以下是NB中信道可重传的次数：

TIPS：请各位同学不要纠缠表中的细节，那是装逼用的。你只要get到如下信息即可：NB无论什么信道都可以重传，且上行最大128次，下行最大2048次。

下面谈谈增益算法：理论上，重复一遍，速率降一半，同时覆盖增加3dB；上行最大重复传输128次，理论上增益有20dB，实际上有16-18dB。而考虑到传输效率，我们系统不会无限制重传，一般取重传增益为12db。下图为重传次数与增益的拟合图。

1.3       第三招 亢龙有悔

这里表征的是通信里常用的天线分集增益。对于1T2R来说，比1T1R会有3db的增益，限于篇幅，天线接收技术这里不详细讲了。需要注意的是，以CMCC现网为例，因为GSM本身就是1T2R，因此此增益对比中一般不算。

看到这里，大家是否明白3GPP中承诺的20db增益是如何来的吗？

20db= 7db（功率谱密度提升）+ 12db（重传增益）+ 0-3db （多天线增益）。

下期我们扒一扒NB-IOT的小功耗技术。

老司机解读NB-IOT-4.NB-IOT小功耗之前戏要做足

导语：

上一篇老司机谈到了NB的强覆盖技术，本篇来扯一扯NB的节电技术，为节能环保做点贡献（实际情况是阶梯电价了，伤不起！）。在正式扯蛋前，咱们先认真做足前戏。前戏很重要，我们不要忽略它。

正文：

上一篇老司机谈到了NB的强覆盖技术，本篇来跟大家伙扯一扯NB的节电技术，响应国家节能环保的号召（实际情况是阶梯电价了，伤不起！你懂得）。在正式扯蛋前，咱们得认真做足前戏，为什么？作为一个资深老司机，我可以负责任地告诉你：

前戏很重要，我们不要忽略它。

咱们先深入了解当前主流通信系统LTE的节电技术，重点是DRX，这将直接影响你对NB中的两大节电技术（就是eDRX、PSM这俩抠货）的理解学习。同时你也将发现任何一项技术的发展都是具有一定的延续性的，而不是你以为的：大喊一声呵呵我就现身了。

在现网任何一个移动通信系统中，终端都不太可能无时无刻都在工作的。这就像人不能时时刻刻上班，需要间隔的休息一样，系统设计了一套叫做DRX的机制使得终端可以休息，在休息的过程中，因为关闭了收发信机（Tx/Rx），从而达到了节电的目的。

DRX(Discontinuous Reception)，又称不连续接收，它的主要思想有两个：

l  通过设计一套定时器，使得终端和网络具有严格的时间同步，以防出现终端在睡觉，但网络不断的在call你；或者你在工作日睡觉不定闹钟，睡到自然醒，结果上班迟到，简直是作死的节奏。

l  网络侧与终端侧设计一套沟通机制，方便终端与网络商量终端是不是可以去睡觉了、什么时候去睡觉。

实际上，老司机还要告诉你，网络侧设计了三种可以让终端去睡觉的场景，分别是idle DRX、connect DRX、inactive timer（有木有一丝要崩溃的感觉？）。下面重点介绍idle DRX和connect DRX的运行机制。

1.1       场景一：IDLE DRX

大家知道，正常情况下咱们早上被闹钟叫醒去上班，晚上到点下班回家，更关键的是我们还有万众期待的双休日和假期，非常具有规律性。

当然，通信狗、程序猿们除外！（有木有戳中泪点？）

同理，LTE终端会跟网络侧协商好一套工作排班表，好让终端可以有时间休息。

下面介绍其工作原理。

TIPS：文科狗们请自觉准备好枕头，这样你可以睡得舒服点。

处于 Idle 模式下的终端，可以使用非连续接收(DRX)的方式去监听寻呼消息（实际上寻呼消息paging与idle态的DRX是完全耦合在一起的）。终端在一个 DRX 的周期内，可以只在相应的寻呼无线帧上的寻呼时刻先去监听 PDCCH 上是否携带有 P—RNTI，进而去判断相应的 PDSCH 上是否有承载寻呼消息。如果在 PDCCH 上携带有 P—RNTI，就按照 PDCCH 上指示的 PDSCH 的参数去接收 PDSCH 物理信道上的数据；而如果终端在 PDCCH 上未解析出 P—RNTI，则无需再去接收 PDSCH 物理信道，就可以依照 DRX 周期进入休眠。

在一个 DRX 周期内，终端可以只在 PO 出现的时间位置上去接收 PDCCH，然后再根据需要去接收 PDSCH。而在其它时间可以睡眠，以达到省电的目的。在 LTE 的物理层协议中，其无线帧帧号的重复周期是 1024，因此每个无线帧帧号的取值范围是 0～ 1023。每个无线帧又被分成 10 个子帧，其子帧编号的取值范围是 0～9。因此终端需要先计算出所监听的 PDCCH 出现的无线帧帧号，然后再计算出无线帧帧号上的寻呼时刻(PO)，就可以精确地知道所监听的 PDCCH 物理信道的具体位置。

以上图为例，终端在320ms的周期内，只需要醒来一次，做一次寻呼消息接收和测量，其他时间都在睡觉，这样就达到了省电的目的。

从中也可以看出如果DRX cycle周期拉得越长，终端也就越省电，如将DRX cycle设置为1280ms比设置为320ms终端空闲态待机时间增加近40%。

1.2       场景二：CONNECT DRX和inactive timer

在南方（在湖南会发音成兰芳，请自觉纠正），大部分人在白天工作中也会抽空睡个午觉（北方好像称为打个盹），正所谓中午不睡，下午崩溃。

同理，这种机制我们称为C-DRX，即connect态下的DRX，这种休息模式是见缝插针，忙里偷闲，是要终端进行许多条件的判断后才可以去睡午觉的，比如咱们上班一族，首先得看是否有睡觉的地儿，第二看时间是否充裕，第三看当天的工作能否做得完。

下面介绍连接态最简单的工作原理（意思是还有难的，为了照顾那些还强撑着没睡的文科狗，再复杂点的吴老司就不讲了，想详细听的请来车站北路XXX号601房间）:

•       连接态终端在时间轴上划分为激活期（On duration Timer控制）和休眠期（Long Drx Cycle 减去 On duration Timer的时间，决定了睡觉时间的长短），转换间隔毫秒级；

•       终端之所以能在工作的状态下抽空休息是因为数据业务在使用中具有突发性，数据业务发生的时间短，但频率高，呈梳齿状；

•       休眠期不接收PDCCH，不上报CQI/PMI/RI，不发送SRS，从而省电；

•       终端周期性进入激活期，当业务连续时保持在激活期。也就是说终端如果真的有业务要传，就不能去睡觉（哪怕你困成狗），除非你干完当前的活后On duration Timer控制的时间内都是没事可干，才可以再去睡觉。这就是前面所讲的，睡午觉也要看当天的工作能否干的完。

此外，LTE系统还设计了RRC inactive timer，主动让终端休息去的机制。简单说来就是：如果你是弹性工作制，该你干的活早就干完，那么领导直接跟你说，陈二狗，你活干完了，可以早点下班休息去了。具体细节不再为难文科狗了，理科狗们请查阅相关资料。

对于同时开启了C-DRX和inactive状态的终端，使用时间能提升将近50%。

好了，后排睡觉的同学可以醒了！

老司机总结下今天的内容，基于终端耗电量的考虑，网络主要设计了DRX、C-DRX、RRC inactive timer这三种方式让终端休养生息，能省点电就省点电，没必要每时每刻跟网络死磕，死扛。

那么我们的节电目标是什么呢，请大家记住：XX空调，每晚低至一度电！

好了有了以上的基础，下篇老司机正式介绍NB的节电技术。

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