NB-IoT 是一种基于蜂窝网络的低功耗广域网技术，专为物联网应用设计，它的所有技术特性都围绕着物联网设备的核心需求：低功耗、广覆盖、大连接、低成本。
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下面我们从不同维度来解析 NB-IoT 支持的关键技术。
核心网络技术 (基于蜂窝网络演进)
NB-IoT 架构与传统移动网络（如 4G）一脉相承，但进行了深度优化，使其更适合小数据包、低频次传输的物联网设备。
独立部署
这是最理想的部署方式,NB-IoT 可以直接部署在现有的 LTE 载波频段上，利用 LTE 网络中已经分配但利用率较低的保护频带，这样做的好处是：
- 频谱利用高效：不占用现有 LTE 的核心频谱，实现了“变废为宝”。
- 部署简单：只需对现有基站进行软件升级，即可开启 NB-IoT 功能，无需额外硬件投资。
保护带部署
如果运营商的 LTE 载波频谱两侧没有足够的保护频带，可以在 LTE 载波的边缘划出一个独立的频带用于 NB-IoT。
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- 优点：对现有 LTE 业务影响小。
- 缺点：频谱资源相对独立，灵活性稍差。
内置载波部署
这是最复杂但频谱效率最高的方式,直接在现有的 LTE 载波内部署 NB-IoT，与 LTE 用户共享同一频段。
- 优点：频谱利用率最高。
- 缺点：实现技术最复杂，需要精确的资源协调，以确保不会对高速 LTE 数据业务产生显著干扰，目前商用较少。
空口关键技术 (物理层与MAC层优化)
这些是 NB-IoT 实现其核心优势的根本所在，主要体现在对 LTE 技术的简化和增强。
超窄带传输
- 技术：NB-IoT 的信道带宽仅为 180 kHz，是 LTE 信道带宽（20 MHz）的 1/12。
- 优势：
- 提升覆盖：窄带意味着更长的符号周期，这极大地增强了抵抗多径效应和频率选择性衰落的能力，从而显著提升了覆盖范围（比 GSM 覆盖好 20 dB，相当于穿透能力更强，覆盖距离更远）。
- 降低功耗：接收机可以在更窄的频带上监听信号，减少不必要的能量消耗。
- 降低成本：对射频器件的要求降低，简化了设计。
低功耗设计
这是 NB-IoT 的基石，通过多种机制实现。
- PSM (Power Saving Mode, 功耗节省模式)：
- 工作方式：设备在数据发送或接收后，会进入深度睡眠状态，在此状态下，它不监听网络寻呼，仅周期性（可配置，最长可达数小时）短暂唤醒，注册到网络以检查是否有下行数据，没有数据时，它几乎不消耗能量。
- 优势：实现了超长电池寿命，可达 10 年以上。
- eDRX (extended Discontinuous Reception, 扩展非连续接收)：
- 工作方式：是对传统 LTE DRX 的扩展，它允许网络和设备协商一个更长的寻呼周期，在此周期内，设备大部分时间处于睡眠状态，只在特定的“监听窗口”醒来接收寻呼消息。
- 优势：在需要一定实时性（如接收短信、电话）的场景下，比 PSM 更省电，但仍远低于普通 LTE 的功耗。
大连接能力
- 技术：通过降低信令开销和优化接入机制实现。
- 简化信令：NB-IoT 的信令交互流程比 LTE 简化了非常多，减少了设备接入网络时的信令消耗。
- 优化的接入：引入了“Skip paging”机制，允许网络在设备休眠期间不发送不必要的寻呼消息，从而节省了网络资源，让一个基站可以同时连接更多的设备。
- 优势：一个小区（扇区）可支持数万个 NB-IoT 连接，非常适合智能表抄读、共享单车等海量设备接入的场景。
增强型覆盖
- 技术：除了超窄带带来的覆盖增益外，还采用了：
- 更高功率的发射：允许设备以比普通手机更高的功率发射信号（最大 23 dBm），弥补了天线尺寸小、增益低的不足。
- 重复传输：对于重要的控制消息和上行数据，NB-IoT 支持自动重复传输，直到网络正确接收为止，确保了在信号极差的环境下也能建立连接。
- 接收灵敏度提升：NB-IoT 基站的接收灵敏度比 LTE 基站高约 20 dB，意味着它能“听”到更微弱的信号。
低成本
- 技术：
- 简化协议栈：NB-IoT 省略了 LTE 中复杂的协议层（如不必要的切换、复杂的 QoS 机制），芯片和模组的实现更简单。
- 窄带射频：如前所述，180 kHz 的窄带要求降低了射频前端的设计难度和成本。
- 半双工模式：设备不能同时收发数据，这简化了硬件设计，进一步降低了成本。
- 优势：NB-IoT 模组的成本已降至与 2G/GPRS 模组相当的水平，使其在成本敏感的物联网应用中极具竞争力。
网络架构与核心网技术
NB-IoT 的网络架构也进行了专门优化，以适应物联网的海量、小数据包特性。
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核心网优化
NB-IoT 的信令和数据流会经过核心网的专门网元进行处理，如服务能力功能，这使得物联网应用平台可以更高效、更安全地与海量 NB-IoT 设备进行交互，而不会冲击传统的移动核心网。
无缝移动性管理
- 技术：NB-IoT 不支持像手机那样的无缝切换。
- 原因：切换过程会产生大量信令开销，与低功耗、大连接的设计目标相悖。
- 解决方案：当 NB-IoT 设备移动到新小区时，它会重新发起附着和注册流程，虽然这个过程会有短暂的延迟和信令消耗，但对于大多数物联网应用（如智能表计、资产追踪）这种延迟是完全可以接受的。
安全技术
安全是物联网的基石,NB-IoT 提供了端到端的安全保障。
- 双向鉴权：网络鉴权设备（防止非法设备入网），设备也鉴权网络（防止连接到伪基站）。
- 空中接口加密：所有在无线链路上传输的用户面和控制面数据都采用高强度加密算法（如 AES, SNOW 3G）进行保护。
- 核心网安全：数据在核心网传输时也受到保护，确保数据机密性和完整性。
- 唯一标识：每个 NB-IoT 设备都有一个全球唯一的 IMSI（国际移动用户识别码）和 IMEI（国际移动设备识别码），用于身份识别和管理。
总结表格
| 技术类别 | 关键技术 | 实现的目标/优势 |
|---|---|---|
| 网络部署 | 独立/保护带/内置载波部署 | 利用现有 LTE 网络快速部署，保护投资 |
| 空口技术 | 超窄带传输 (180 kHz) | 超广覆盖、低功耗、低成本 |
| 低功耗设计 | PSM (深度睡眠)、eDRX (长寻呼周期) | |
| 大连接能力 | 简化信令、优化接入机制 | |
| 增强型覆盖 | 高功率发射、重复传输、高灵敏度 | |
| 低成本 | 简化协议、窄带射频、半双工 | |
| 网络架构 | 核心网优化、无切换 | 适应海量小数据包，信令开销低 |
| 安全技术 | 双向鉴权、空口加密、核心网安全 | 端到端安全，防止数据泄露和非法接入 |
NB-IoT 并非凭空创造的技术，而是基于成熟的蜂窝网络技术，通过“减法”（简化协议、降低带宽）和“加法”（增强覆盖、优化功耗），量身打造出的一套完美匹配物联网四大需求（LPWA）的解决方案。
