作者：吴细刚
出版社：电子工业出版社
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NB-IoT从原理到实践试读：
前言
时光荏苒，我已然在移动通信行业摸爬滚打十载有余，先后参与了GSM、TDS、LTE 网络的建设与优化，而现在正处在万物互联及 5G 兴起的风口，细细思索，这个行业唯一不变的是一直在变，技术的车轮一直滚滚向前。
作为一名技术人员，我一直在不断汲取各方营养滋养自己，如今虽不敢妄称已经修炼为专家，但总算初有所悟、小有所得。又有感于公司新入职员工技术学习道路的艰辛，老同志们又事务缠身，无法时时、处处点拨。于是，我萌生了一个大胆的想法：在公司内部开班授课，传道授业，一来可以赠人玫瑰，二来可以教学相长。不成想，在这三尺讲台上一讲就是七年，从TDS讲到了NB-IoT，自己也从小吴讲成了吴老师。
记得在2016年圣诞，有人问我：如何扩大你技术培训的受益面？此后，就有了“吴老师聊通信”公众号。基于多年的技术讲稿，针对NB-IoT技术，我将自己的部分技术见解写成了系列文章，斗胆在公众号上陆续发布，一来为了技术的普及，二来鞭策自己努力学习，不断提高。晒文章的同时，亦能求教于各位专家，共同进步。公布之后，我收到了好多点赞，好多鼓励（当然也有拍砖的），还有好多朋友在问，有没有出版实体书可以用来系统学习？但我一直回复没有。也有出版商邀约书稿，我亦婉拒。因为潜意识里我觉得写书是件非常严肃的事情，公众号上的文章可以嬉笑怒骂，更新速度可以或缓或急，写的内容亦可天马行空。但是一旦集结成册，就必须严肃对待，我需对技术细节负责，对知识结构进行系统化，对行文进行规范……直到2017年春节后，我的领导鼓励我：为了方便系统化学习，还是汇编成书吧。此后，我用了半年时间，翻阅各种资料，梳理思路，整理文字，将多年的知识进行沉淀，最终汇成此书。
应该说，没有众多朋友、同事、领导、同行、热心网友以及家人的支持，这本书就难以面世，在此，诚挚致谢！特别感谢我的好朋友蒋专、刘言敏等，在网络规划章节给予我很多好的技术建议。
写作本书，我秉承三个基本原则：一是内容上坚持理论加实践，尽量选取跟工作中相关的内容进行讲解，并配备一些现网应用情况；二是尽量做到通俗易懂，在这点上，多年讲课的经验给了我很大的帮助，让我知道如何做到深入浅出，书中大量利用了生活中的例子进行类比说明，使得技术不再是冷冰冰的公式、图表和文字；三是如何做到快速理解，我在本书中重点介绍了NB-IoT与LTE的异同，方便具备LTE技术基础的读者快速完成知识导入，另外尽量多利用图、表进行讲解，使得内容形象化、生动化。
本书是基于作者的主观视角编写而成，其中夹杂了很多例证，观点难免有欠妥之处；又因为是技术讲稿，其间表述难免有不当之处，敬请读者谅解，欢迎提出宝贵意见。作者四大特性篇近两年来，关于无线通信技术发展，最热的两个词恐怕就是5G和NB-IoT了。作为“开胃菜”，本篇吴老师主要讲解NB-IoT的四大特性，即强覆盖、小功耗、低成本、大连接，让大家对NB-IoT有个“爱的初体验”。第1讲NB-IoT的笑傲江湖
作为满汉全席的开胃菜，本讲将介绍物联网的发展历史及NB是如何笑傲江湖的。1.1 物联网的前世今生1.1.1 何为物联网？
首先我们得知道，自从20世纪80年代以来，从“大哥大”开始，无线通信技术经历了四代的传承与发展（目前仍是“三世同堂”）。从开始人与人的连接，发展到人与物的连接，自然地，人们的脑洞大开，是否可以将所有的物都连在一起呢？
而实际上从商业角度来看，语音通信（人与人连接）收入已经见顶，由于4G 的大力建设及推广，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，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。
引用一些关于物联网市场前景的预测数据（见下图）：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1万亿元人民币（数据来源：麦肯锡等）。1.1.2 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：
» 可以使用非蜂窝网络（以短距Wi-Fi、蓝牙等为主）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，这也是本书讨论的重点）。
关于物联网的应用场景，下面引用一些数据作为参考：
目前，对于运营商来说，智能家居、智能楼宇、公共事业（抄表）、智慧城市和物流追踪这五大领域将是应用推广的重点。1.1.3 物联网技术的众生相
吴老师已经在无数个场合被问过如下的问题：（1）NB与其他物联网技术有什么不同？（2）NB是不是物联网的宇宙终极解决方案？（3）有了NB后还要5G干什么？
下面将对物联网众多技术的定位进行讲解，读懂后，以上问题自然有了答案。下图见诸于各物联网相关资料中，理论上来讲，如果理解了此图，那么，恭喜你！你对物联网的认识已经很高深了。
下面吴老师从几个维度对上图进行解读：（1）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Wi-Fi、Bluetooth，还有大家不怎么熟悉的ZigBee等。不过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，因为比如智能抄表等业务一般是位于地下室或者弯角旮旯里，对网络的深度覆盖要求高，所以说短距离通信技术往往不是运营商的兴趣点，也不是本书的研究重点。
» 长距离通信技术：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、小功耗、低成本、大连接这四个关键特性。我们又将这类长距离通信技术称为LPWA（Low Power Wide Area）。（2）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LTE及其演进版本、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、Wi-Fi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。（3）对于 LPWA 而言，还可以进一步细分，是国际标准还是私有技术？是公共频段还是授权频段？如下表所示。（4）从上图还可以看出，技术能力的统一与互斥性，很难有种技术是既覆盖好又速率快的。（5）那么为什么有这么多技术呢？答案CMCC 早告诉你了—“移动过年七款礼，总有一款适合你！”1.2 NB-IoT的笑傲江湖
前面谈到了物联网的前世今生，下面谈谈NB的历史。如果将NB-IoT技术标准的形成看作是江湖比武最终称霸武林的话，而你又正好是个金庸迷，那么，这些事就很好理解了。
这里将要讲到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。1.2.1 NB是什么
前面已经讲到，物联网的缩写为IoT，英文为Internet of Things。在这里，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，你就会发现—So Easy！
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。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，所以我们经常在资料中看到窄带物联网的提法。
NB-IoT属于LPWA技术的一种，它天生具备强覆盖、小功耗、低成本、大连接这四个关键特点，下面引用一张图让大家对NB有个“爱的初体验”。
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，2G终端现网待机能力差。
» 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，2015年9月，NB-IoT技术应运而生。当然NB义不容辞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。
吴老师在接下来的篇幅中将会一一讲解如何从技术上去实现这些逆天的需求。1.2.2 NB大战不同门派
有人举手问问题了：吴老师，难道催生NB-IoT的就只有需求？
答案是：NO！
这里不得不再提一下LoRa、Sigfox等私有的物联网技术。正是因为这些技术的出现，对3GPP这个通信行业的“带头大哥”造成了很大的心里阴影，所以3GPP才加快了LPWA技术的研究。当然，3GPP这头把交椅也不是白坐的，自己开招就很厉害，再加上多年经营，自然是一呼百应，所以才有了NB今天的声势。这就是NB与不同门派的大战。
如果你看过3GPP在制定LTE标准中，WiMAX和LTE的剧情，你会觉得与NB与LoRa之间何其相似！1.2.3 NB大战同门师兄弟
下图引用华为的一张图片，可以清晰地看出NB与同门师兄弟之间上演的“相杀相爱”的故事。NB-IoT 标准演进概况
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网络出于即将退网的考虑，“私下”联合华为一起提出了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）。接下来经过较量和妥协，最终融合成第一个统一方案，称为NB-CIoT。
» 第二次内部较量：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，因此进行了第二轮较量，最终在2016年6月形成了现在的NB-IoT技术标准。
就这样，经过两次内部大战，最终才形成现在的NB-IoT技术标准。1.2.4 NB大战同门不同宗派
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，另一个是另起炉灶的NB-IoT技术，详见下表。
上面是从终端的演进角度来看eMTC和NB技术的发展。eMTC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Cat 1是LTE终端，3GPP 专门为了 IoT 设计了 Cat 0 终端，我们称之为 MTC，但是带宽还是20MHz，成本、耗电等都居高不下，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1.4MHz，成本、耗电等问题得到较好地解决，但随后3GPP在R13也冻结了eMTC的研究，转而研究NB-IoT去了。
怎么理解NB-IoT和eMTC之间的关系？我的理解是长期共存。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，具体就不再赘述。第2讲NB-IoT强覆盖之降龙掌
第1讲中，吴老师简要介绍了NB-IoT的四大技术特性，本讲开始详细讨论NB-IoT超强覆盖能力的技术细节。
NB最开始就给自己定了个大大的目标，即要比GSM覆盖增强20dB。对于这样一个目标，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，觉得简直不可思议，但3GPP居然实现了。
细细数来，为了实现 20dB 的增益，3GPP 分别用了降龙十八掌中的三个大招：
» 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）2.1 第一招 飞龙在天
第一招 “飞龙在天”，简单地说就是提升 IoT 终端的发射功率谱密度（PSD，Power Spectral Density）。
» 问：功率谱密度是什么？和功率是什么关系？
» 答：简单地理解可以参考质量与密度的关系。
请大家看下图，如果你能顺着图的思路自己放到Excel中做一次计算，就一定能理解功率谱密度和功率的关系，也更清楚了下表中5.3倍的数据来源。
对几个技术点说明如下：（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密度增益，而不是下行。因为一般情况下，下行覆盖大于上行覆盖，即上行覆盖受限（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），所以通常来说计算 MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合损耗，链路预算中必备）时大部分只需要计算上行链路即可。这点以后谈NB覆盖规划时再详细说明。（4）NB-IoT上行传输有3.75kHz和15kHz两种带宽可供选择，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3.75kHz。至于3.75kHz和15kHz的技术细节在后续篇章中将详细讲解。（5）到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，提升了功率谱密度。
下面再利用一张图来辅助理解，功率谱密度越高，柱子越高。如果是将NB-IoT与LTE比，折算出来，PSD带来的增益会更高，达到了17dB。2.2 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。简单地理解就是：话说一次听不见，咱多说几次，每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，NB中所有的物理信道均可重复发送，下表是NB中信道可重传的次数：
注意：请大家暂时不要过于纠结表中的技术细节，只要得到如下信息即可：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。
下面谈谈重复技术是如何提升覆盖的。（1）理论上，重复一遍，覆盖增加3dB，速率和效率也下降一半。（2）重复技术的本质是将待发送数据在时域上连续多次重传，降低单位时间内平均有效信息量，本质上是降低了码率，相当于以更低的MCS进行数据发送，对于覆盖提升存在编码增益，降低接收端的解调门限SINR的要求。例如：如果不重复时，一个长度80ms的256bit的码块通过BPSK调制的解调门限约为-1dB，含 CRC 的编码速率为 3.2kbps；如果重复 4 次，意味着通过将编码速率降低为0.8kbps而使解调门限降低为-7dB，此时重复4次的增益为6dB。（3）重复增益随重复次数的趋势（仿真结果）如下图所示。
» 随着重复次数的增加，获得的收益趋缓。根据仿真结果，重复60次可获得15dB的增益，但与理论值相差3dB；如果需要通过重复来获取20dB覆盖增益，则需340次重复。
» 随着重复次数的增加，频谱效率严重下降，速率下降程度与重复次数呈反比。根据仿真结果，如果要获取 12dB 的覆盖增益，需要重复24次，边缘速率会降低为原来的1/24。
» 存在边缘速率要求的前提下，不能通过重复无限提升覆盖。如果在MCS0的最大码块条件下（256bit/80ms）边缘速率要超过100bps，则平均重复次数不能超过32次。
注意：重复本质上是以资源（容量、边缘速率）的降低来换取可靠性（覆盖）的提升，重复次数越多，“换取”的性价比越低。2.3 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。1T2R相对1T1R有3dB的接收增益，限于篇幅，天线接收技术这里不做详细讲解。需要注意的是，以CMCC现网为例，因为GSM本身就是1T2R，因此此增益在对比中一般不算。但现网中，如果NB与FDD共天面，且如果采用2T4R的话，就还是有3dB的增益。
看到这里，大家是否明白3GPP中承诺的相对GSM 20dB增益是如何来的吗？
20dB=7dB（功率谱密度提升）+12dB（重传增益）+（0～3）dB（多天线增益）。2.4 15kHz能达到20dB增益吗？
实际上，上行无论是3.75kHz还是15kHz子载波间隔，都可以做到20dB覆盖提升，理由如下：（1）15kHz相对LTE已经有10.7dB的PSD增益。仿真结果表明，配合16～32次重复，15kHz条件下可以在解调门限为-13dB左右达到164dB的MCL。（2）3.75kHz虽然比15kHz的PSD高6dB，但带宽只有15kHz的1/4，在同等边缘速率时的覆盖是相当的。（3）仿真结果表明，20dB时的解调门限为-6～-8dB，虽然可以通过增加重复来使MCL进一步提高，但边缘速率也会进一步下降。
那么问题又来了，3.75kHz相对于15kHz的价值是什么？（1）覆盖增强的场景下支持的容量更大。参考仿真结果，边缘速率为210bps时，3.75kHz与15kHz的MCL均能达到164dB，也就是说15kHz频谱可以支持一个15kHz的边缘速率210bps的用户，也可以支持4个3.75kHz的同样边缘速率的用户。此时3.75kHz技术的系统容量是15kHz的4倍。（2）支持更多的信道数与更小的调度粒度，小包业务模型下的系统利用效率更高。2.5 链路预算表
这里将NB-IoT与GPRS的链路预算表做一个对比，详见下表。
这里每一项的具体细节在相关章节会做详细讲解，此处仅给出一些关键的结论：（1）NB-IoT比GSM MCL可以大20dB，这都将转化为覆盖增益。（2）上/下行都可以做到20dB增益，前面已经说过因为移动通信系统一般均为上行受限，我们这里提到的20dB的增益一般也是指上行。第3讲NB-IoT小功耗之前戏要做足
上一讲吴老师谈到了NB的强覆盖技术，本讲来讲述NB的节电技术，响应国家节能环保的号召。
首先深入了解当前主流通信系统 LTE 的节电技术，重点是 DRX （discontinuous reception，不连续接收）。一来是NB中还大面积采用了该技术，二来它将帮助你理解NB中的两大节电技术（eDRX和PSM）。希望大家能在其中看到技术发展的延续性。3.1 DRX概述
在现网任何一个移动通信系统中，终端都不是时时刻刻都在工作的。这就像人不能 24 小时上班，需要休息一样。在通信系统中设计了一套叫做 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，它的主要思想有以下两个。（1）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”，但网络不断地在“呼”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。（2）终端侧与网络侧设计一套沟通机制，方便终端与网络商量“自己是不是可以去睡觉了”、“什么时候去睡觉”。
实际上，网络侧设计了三种可以让终端“去睡觉”的场景，分别是Idle DRX、Connected DRX、RRC Inactive Timer。下面分别进行介绍。3.2 场景一：Idle DRX
大家都知道，正常情况下，人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期待的双休日和假期，非常具有规律性。
同理，LTE 终端会跟网络侧协商好一套工作排班表，下面介绍其工作原理。
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）周期与Idle态的DRX周期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（PF）上的寻呼时刻（PO）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信道上的数据；而如果终端在PDCCH上未解析出P-RNTI，则无须再去接收PDSCH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。而在其他时间可以睡眠，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（PF），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，其原理示意图如下：
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，从而达到省电的目的。
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的终端空闲态待机时间增加近40%。
注意：这里必须指出，空闲态DRX和paging周期是完全耦合的，甚至可以将两者等同。关于paging的内容在后续章节中还会详细讲解。3.3 场景二：Connected DRX
这种机制也称为C-DRX，即连接态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休息（比如午睡），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DRX最简单的工作原理。
» 在连接态DRX工作模式下，UE不能一直关闭接收机，必须周期性打开接收机，并开始在之后一段时间内持续侦听可能到来的信令，这段时间称为On Duration，由定时器On Duration Timer控制。
» 连接态终端在时间轴上划分为激活期和休眠期。激活期由 On Duration Timer控制，休眠期由Long DRX Cycle减去On Duration Timer的时间决定，它决定了休息时间的长短，这两者的转换间隔为毫秒级。
» 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。
» 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。
实际上，连接态下的DRX工作可没这么简单。
» 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”，除非在干完当前的活后on duration Timer控制的时间内都是“没事可干”，才可以再去“睡觉”。可见on Duration Timer在满足一定条件后才会停止，也就是说激活期的时长可能要比on Duration Timer长。
» 仅仅靠这两个定时器是没法确保正常工作的，还要考虑到一些特殊情况。在DRX激活期包括on Duration，同时也包括其他DRX相关定时器处于工作状态应该打开接收机的时间段。其他定时器是指DRX Inactivity Timer、DRX Retransmission Timer 和 DRX UL Retransmission Timer。
› DRX Inactivity Timer定时器用于判断UE的激活期是否因为新传或重传数据的到达而扩展。
› DRX Retransmission Timer定时器定义了UE处于激活期等待下行重传的最长等待时间。如果该定时器超时，UE依旧没有收到下行重传数据，则UE不再接受该重传数据。
› DRX UL Retransmission Timer定时器定义了UE处于激活期等待上行重传的最长等待时间。如果该定时器超时，UE依旧没有收到上行重传数据，则UE不再接受该重传数据。HARQ RTT（非设定）定时器定义了从下行数据包到重传该数据包的时间间隔，用于判断何时启动延长激活期相关定时器。
下图为考虑了上述因素后，连接态DRX的工作原理：
实际上，为了进一步省电，LTE中还设定了长周期和短周期的DRX，以上讲到的即为长周期的DRX，短周期的DRX工作原理还要更复杂些。
可喜的是，NB-IoT仅支持长周期DRX，所以短周期的DRX就不再讲述。3.4 场景三：RRC Inactive Timer
LTE系统还设计了RRC Inactive Timer，这是主动让终端去休息的机制。简单来说就是：如果你是弹性工作制，该你干的活早就干完了，那么领导就直接跟你说：你活干完了，可以早点下班休息去了。其技术原理如下。
» 用户处于连接态但又无业务发生时，仍然会占用少量空口控制信令资源（如PUCCH资源、上行sounding导频等），且UE耗电量大。
» 基站通过用户业务监测，满足一段时间上/下行均无业务发生时，就主动释放用户资源，将用户迁移到空闲态，这样可以提高空口资源利用率，同时减小UE的耗电。
» 具体工作原理为：在eNodeB L2 MAC检测到DRB上/下行都没有数据接收/发送之后，启动计时器，在当该计数器满足UE不活动定时器配置值后，L2层上报L3层发起释放（L3层在S1口会向核心网发送S1AP_UE_CONTEXT_REL_REQ 消息，且消息内携带的原因值为User-inactivity）。
» 根据业务特点，LTE网络一般在全网开启，开启此定时器取值为10s。
» 取值过小，会带来额外的随机接入信令开销；取值过大，会使无业务UE长期占用系统资源。
对于同时开启了C-DRX和Inactive状态的终端，使用时间能提升近50%。3.5 小结
基于终端耗电量的考虑，网络主要设计了 DRX、C-DRX（仅仅支持长周期）、RRC Inactive Timer这三种方式让终端“休养生息”。
有了以上的基础，下讲吴老师可以正式介绍NB更节电的技术了。第4讲NB-IoT小功耗之太极拳
那么，NB中对于终端功耗的目标是什么呢？
答案是：基于AA（5000mAh）电池，使用寿命可超过10年。
下面吴老师重点介绍 NB 中主要用到的两种节电技术，分别是 PSM 和eDRX。4.1 PSM
PSM（Power Saving Mode）的技术原理非常简单，即在Idle态下再增加一个新的状态—PSM（Idle的子状态），在该状态下，终端射频关闭，相当于关机状态，但是核心网侧还保留用户上下文，用户进入空闲态/连接态时，无须再附着/PDN建立。此功能在3GPP的Release 12被引入，相关协议规范在“24.301 Power saving mode”&“23.682 UE Power Saving Mode”之中。PSM简要工作原理见下图。
PSM状态、Idle状态及Connected状态之间的转换关系如下图所示：
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。如果IoT设备支持PSM（Power Saving Mode），在附着或TAU（Tracking Area Update）过程中，将向网络表明其能力，从而两者之间协商好定时器值。PSM 模式有两个定时器，分别为 T3324（Active Timer）和 T3412 Extended （Extended TAU）。协议对原LTE中的T3412的时长进行了扩展，增加了T3412 extended字段，最大时长可达31*320小时。
进入PSM模式后设备不再接收寻呼消息，看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中。对于被叫业务，因为UE只有在Active Time这段时间内才能进行业务，所以UE要等到周期TAU定时器超时后需要执行周期TAU时，才会退出PSM模式，这个时候才能进行被叫业务。也即在PSM状态时，下行是不可达的，数据到达MME后，MME通知SGW缓存用户下行数据并延迟触发寻呼。当然对于上行来说，当上行有数据/信令需要发送时（即有主叫业务），终端立即可以退出PSM状态，通过触发随机接入流程而进入连接态。
PSM和上行数据发送的关系见下图。
这里引用一些数据来说明PSM模式下的省电效果，从中可见PSM模式下耗电量是普通空闲状态下的1/200，省电效果更佳。
PSM的优点是可进行长时间睡眠，缺点是对MT（被叫）业务响应不及时，主要应用于表类等对下行实时性要求不高的业务。实际上，物联网设备的通信需求和手机是不同的，也正因如此，才可以设计PSM模式。物联网终端通常来说主要的业务模式为发送上行数据包，而且是否发送数据包是由它自身来决定的，不需要随时等待网络的呼叫，而手机则无时无刻不在等待网络发起的呼叫请求。如果按照 2/3/4G 的方式去设计物联网的通信，那么意味着物联网的设备的行为也如同手机一样，会浪费大量的功耗在监听网络随时可能发起的请求上，从而无法做到低功耗。
基于NB-IoT技术，物联网终端在发送数据包后，立刻进入一种休眠状态，不再进行任何通信活动，等到它有上报数据的请求的时刻，它会唤醒它自己，随后发送数据，然后又进入睡眠状态。按照物联网终端的行为习惯，将会达到99%的时间在休眠状态，使得功耗非常低。4.2 eDRX
在DRX部分，吴老师已经谈到，DRX状态被分为空闲态和连接态两种，以此类推eDRX（Extended DRX）也可以分为空闲态eDRX和连接态eDRX。不过在 PSM 中已经解释，IoT 终端大部分处于空闲态，所以这里主要讲解空闲态eDRX的实现原理。
eDRX 作为 Rel-13 中的新增功能，主要思想即为支持更长周期的寻呼监听，从而达到节电目的。传统的2.56s寻呼间隔对IoT终端的电量消耗较大，而在下行数据发送频率小时，通过核心网和终端的协商配合，终端跳过大部分寻呼监听，从而达到省电的目的。与PSM模式定时器的协商原理一样，终端和核心网通过attach和TAU流程来协商eDRX的长度（最高可达2.92h）。
引用一些数据进行说明：
可见eDRX耗电是DRX的1/16，省电效果非常明显。
必须说明的是：eDRX虽然在节电效果上与PSM相比要差些，但是相对于PSM，它大幅度提升了下行通信链路的可到达性。4.3 PSM和eDRX的关系（1）PSM和eDRX都是属于3GPP协议中的技术，且对NB-IoT和eMTC都是适用的，如下图所示。（2）我们在做通信解决方案的时候，一个基本原理是“没有免费的午餐”，总体资源一定的前提下，任何性能提升都是有代价的。从上面的分析可知，不管是PSM还是eDRX，都可以看成是提升深度睡眠时间的占比，以降低功耗，实际上牺牲了实时性要求。相比较而言，eDRX的省电效果差些，但是实时性好些。这也就是为什么在有了PSM后还仍需要eDRX功能，因为各有所长，又各有所短，它们正好可以用来适配不同的场景，比如 eDRX 可能更适合于宠物追踪，而PSM可能更适用于智能抄表业务。（3）尤其需要指出的是，NB-IoT 目标是针对典型的低速率、低频次业务模型，容量电池寿命达10年以上。对于这个10年的使用寿命，它的假设条件如下：根据TR45.820的仿真数据，在PSM和eDRX均部署的情况下，如果终端每天发送一次200 byte报文，5000mAh电池寿命可达12.8年。这也就是说终端工作在最慵懒的状态下，每天仅仅发送一次200 byte的报文，这几乎是不工作的状态，所以这也是极端场景。对于电池寿命的计算是个大的技术活，在此不细谈。（4）UE 可以同时请求激活 PSM 和 eDRX，由 MME 决定仅 PSM、仅eDRX，或者两个都生效。如果两者都激活，PSM和eDRX关系如下图所示。（5）CMCC目前的策略是PSM为必选项，现网试点中主要开的也是PSM技术。4.4 节电技术小结
如果将空闲态 DRX 看作是下班回家休息的话，那么不妨将连接态 DRX看作是午睡、eDRX 看作是过周末、PSM 看作是国外度年假。这样一来，各个技术的节电原理和节电效果基本就很容易理解了。第5讲NB-IoT低成本之葵花宝典1
本讲开始谈NB是通过哪些手段来降低成本的，主要包括硬件“剪裁”和软件“简化”两个方面。
话说NB-IoT“出山”之前，物联网的江湖上已经有Sigfox、LoRa、ZigBee等诸多成名高手，其产业链较为成熟，商业化应用较早。此外，这些高手的看家本领基本都有一招叫做“成本低廉”，比如蓝牙、ZigBee 等标准的芯片价格在2美元左右，仅支持其中一种标准的芯片价格还不到1美元。正因如此，NB-IoT在下山之前就暗暗苦练葵花宝典，才使得NB-IoT在后续行走江湖时，唯快不破（便于大规模应用，市场推广容易），从此有了纵横江湖的实力。
归纳起来看，为了低成本，NB作了以下两个方面的改进。
» 硬件剪裁：包括采用FDD半双工模式及裁剪不必要的硬件
» 软件简化：包括简化物理层及协议栈，降低运算要求
本讲主要讲解通过硬件剪裁来降低成本，下讲重点讲解软件简化。5.1 采用FDD半双工，降低器件复杂度
提到双工方式，大家估计都笑了，这多简单啊，不过吴老师还是得提醒你，也许没有你想的那么简单。就双工问题，吴老师来帮你翻翻老黄历，炒炒这盘夹生饭。（1）双工方式在通信系统中处于什么样的地位？
双工是一切通信系统的底层设计，也是通信系统最核心的标签。例如在LTE 系统中，常见的双工方式就是 TDD（Time Division Duplex）和 FDD （Frequency Division Duplex）两种，正因双工方式的不同从而形成了TD-LTE和FDD-LTE两种4G技术。（2）双工的作用是什么？
吴老师理解是：怎么区分上下行。比如最常见的区分方式为频率区分和时间区分，示意图如下图所示。（3）双工方式怎么分类？
双工方式简单分为FDD和TDD两类。
NB-IoT支持的是FDD半双工模式。那么什么叫做FDD半双工？
据前所述，在蜂窝通信系统中，根据发送信号双工方式不同，可以分为TDD和FDD两种双工方式。实际上，其中FDD双工方式可进一步分为全双工FDD（Full-Duplex FDD）和半双工FDD（Half-Duplex FDD，HD-FDD），如下图所示。
下面对全双工和半双工方式做进一步说明：
» 全双工（Full Duplex）是指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。目前的网卡一般都支持全双工。全双工可以得到更高的数据传输速度。
» 半双工（Half Duplex）是指一个时间段内只有一个动作发生，就如一条窄窄的马路，同时只能有一辆车通过，当目前有两辆车对开，这种情况下就只能一辆先过，等到头后另一辆再开。这个例子形象地说明了半双工的原理。早期的对讲机，以及早期集线器等设备都是基于半双工的产品。（4）半双工怎么节约成本？
NB-IoT 基于成本考虑，对 FDD-LTE 的全双工方式进行改进，仅支持半双工。其带来的好处当然是终端实现简单，影响是终端无法同时收发上下行，其工作示意图如下图所示：
» 上行传输和下行传输仍在不同的载波频段上进行（FDD）；
» 基站/终端在不同的时间进行信道的发送/接收或者接收/发送；
» H-FDD 与 F-FDD 的差别在于终端不允许同时进行信号的发送与接收，终端相对F-FDD可以简化，只保留一套收发信机即可，从而节省双工器的成本；
» 吴老师还告诉同学们一个秘密：早期的GSM手机的工作原理与此相同！此处不详细介绍，只提供一个经典的GSM手机工作原理图供参考。（5）NB支持TDD吗？
NB 仅支持 FDD 模式。这里特别提醒，在现网中一般来说 TDD 和 FDD的RRU设备是没法共用的，那么这将对后续设备组网复用带来很大的影响。
举例说明：大家知道，对于CMCC，现网采用的是TD-LTE，因为NB仅支持FDD，所以后续NB是没办法与现网TD-LTE的RRU共用（复用）。不用担心，条条大路通罗马！对于 CMCC 来说，虽然 NB 没办法跟现网TD-LTE共设备，但是还有其他办法，比如与GSM共设备。关于组网问题，场景非常复杂，这里不展开讲解。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]