NB-IoT关键技术分析与优化实践

0 NB-IoT概述

物联网世界存在大量的传感类、控制类连接需求，这些连接对速率要求很低，但对功耗和成本非常敏感，且分布很广、海量，现有的3/4G技术从成本上无法满足需求。目前2G虽然已在承担一部分对功耗要求相对不高的业务需求，但明显还有大量需求无法得到满足，也不是长期发展的方案。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）成为万物互联网络的一个重要分支，构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络或LTE网络，以降低部署成本，实现平滑升级。

1 NB-IoT关键技术

“低功耗”是NB-IoT技术具备的最大优势之一。物联网终端的工作环境相比较个人终端的工作环境要复杂得多，有些物联网终端会部署在高温高压的工业环境中，有些则远离城市、放置在人迹罕至的边远地区，还有一些可能深嵌地下或落户在溪流湖泊之中，很多设备需要电池的长期供电来工作，由于地理位置和工作环境无法向它们提供外部电源，所以更换电池的成本也异常高昂，因此“低功耗”是保证他们持续工作的一个关键需求。在不少应用场景中，一小粒电池的电量需要维持某个终端“一生”的能量供给，因此能够降低功耗的技术在NB-IoT中尤为重要。

1.1 PSM省电模式

PSM（PowerSaving Mode，省电模式），是3GPP R12引入的技术，其原理是允许UE在进入空闲状态一段时间后，关闭信号的收发和AS（接入层）相关功能，这相当于关机，在此模式下，终端仍旧注册在网但信令不可达，从而使终端能够更长时间驻留在深睡眠，减少通信元器件（天线、射频等）的能源消耗，达到省电的目的。

根据标准，终端的一个TAU周期最大可达310H（小时）；“空闲状态”的时长最高可达到3.1小时（11160s）。

从技术原理可以看出，PSM适用于那些几乎没有下行数据流量或对下行业务时延没有要求的应用场景。云端应用和终端的交互，主要依赖于终端自主性地与网络联系。在绝大多数情况下，云端应用是无法实时“联系”到终端的。

表1 T3324参数配置取值表

配置原则和建议：

（1）如果对于下行业务有实时性要求，不建议开通PSM功能；如果不开通PSM功能，则不应有T3324参数。

（2）对于上报业务建议配置PSM，PSM Active Timer配置为8秒（包含三次寻呼机会）。

（3）对于有下行业务但不要求实时性的，PSM Active Timer配置为2分钟并且配置eDRX周期为20.48s（提供多次下行传输机会）。

1.2 差异化TAU

终端需要周期性地做TAU，向网络报告终端的在网状态。但TAU过程耗电（红色、蓝色、黑色）远大于PSM态的耗电（灰色），周期性的TAU会造成功耗增加，因此可以考虑结合业务及现网情况，配置差异化的TAU周期，来达到省电的目的。TAU与功耗相关的参数为T3412。

图1 差异化TAU运行机制图

配置原则和建议：

（1）T3412决定终端向网络报告在网状态的时间间隔，同时需兼顾功耗，在配置PSM模式且无主动触发下行业务场景时，初步建议尽可能配置大的T3412（例如大于业务周期）。

（2）T3412（TAU周期）在标准中共217个值，综合考虑业务情况和现网情况，在标准值基础上进行筛选得出90个值，取值范围54min～310小时，排除粒度过小值（秒级），同时遵循取值大于等于现网数值（54min）。

表2 T3412参数配置取值表

1.3 eDRX省电模式

eDRX（Extended idle mode DRX，扩展不连续接收模式），是3GPP R13引入的技术。R13之前已经有DRX技术，终端在待机态周期监听寻呼消息，在PTW窗口内，终端监听寻呼消息，在PTW窗口外，终端不监听寻呼消息。eDRX是对原DRX技术的增强，支持的寻呼周期更长，从而达到节电的目的。

从技术原理可以看出，eDRX适用于下行数据传送的需求相对较多，但允许终端接受消息有一定的延时，可根据设备是否处于休眠状态决定缓存消息或者立即下发消息，如智能穿戴设备。

配置原则和建议：

（1）eDRXCycle建议基于业务的时延敏感度配置。对于时延小于20.48s的MT业务，不配置eDRX。建议eDRX周期根据业务需求分为20.48s、81.92s及163.84s三种。

（2）对于配置eDRX的业务，建议PTW配置为10.24秒，包含一次寻呼消息重发的机会（考虑核心网寻呼消息重发间隔6s）。

2 NB-IoT实践与案例

2.1 A市智慧路灯优化案例

2.1.1 智慧路灯优化背景

目前A市在中南西路与环湖路路口部署了8个路灯，进行智慧路灯业务试点。分别在8个路灯下进行定点无线环境测试，信号良好，8个路灯全在覆盖等级0的范围。电平达到-70dbm，SINR达到20左右。

在调测过程中发现，在打开省电模式后，由于此场景并不适用，导致路灯上电后，尝试对路灯进行控制时，发现下了指令之后，路灯响应时延普遍较长，有时候甚至无响应。

2.1.2 智慧路灯优化思路

图2 A市智慧路灯试点分布

通过信令分析，发现下发了paging消息之后，会存在UE无响应的情况，等到周期性上报心跳数据时，才会把指令带下来并响应。

图3 智慧路灯信令消息一

图4 智慧路灯信令消息二

而在初始附着的时候，MME下发attach accept的消息里，携带了PSM和eDRX的状态。

图5 智慧路灯信令消息三

因此初步怀疑是开启PSM、eDRX状态导致UE有不应答的情况，怀疑PSM、eDRX的开启导致路灯响应时间延长，甚至长至超时定时器，故而导致无应答的情况。

2.1.3 智慧路灯调整建议

为了不耽误演示进度，将PSM与EDRX同时关闭，进行复测，此时在attach accept消息里，不再携带PSM与EDRX的设定。

图6 智慧路灯信令消息四

复测后，没有再出现问题。

图7 智慧路灯信令消息五

总结：PSM、eDRX技术能够减少消息的交互，继而节省能耗，这是NB-IoT中的关键技术。可与此同时，也牺牲了部分应用性能。所以，PSM、eDRX技术并不是在所有场景下均可适用，不可盲目开启，需要根据实际情况配置，或可关闭或可修改计时器参数以适应目标场景。

2.2 C市智能水表优化分析

2.2.1 业务场景

规模：智能水表应用位于丽都城市花园和新桥东方花苑，总数约500个。

覆盖距离：

新桥东方花苑：主要由2小区（分属2个基站）覆盖，基站距终端覆盖距离分别约170米、420米。

丽都城市花园：主要由3小区（分属2个基站）覆盖，基站距终端覆盖距离分别约310米、580米。

2.2.2 话务模型

通过核心网针对水表终端的IMSI跟踪抓包，水表行为如下：

（1）UE分别在05：14及17：14主动上报数据，通过Control Plane Service Request，应用数据嵌入在InitialUEMessage中，上报两次，数据包大小196字节和168字节。

（2）水表应用平台收到终端上报数据后，发下行确认包，数据包大小55字节。终端如果收不到下行的确认数据，会每2秒搜索一次下行数据，一共搜索20次，共40秒，如果40秒都没有收到下行数据，会间隔20分钟后再重新上报，重复的次数为三次。

（3）UE在 15：15发 起 Tracking area update， 距 上 次UeContext Release 10小时。终端扩展TAU周期为10小时。

2.2.3 节电模式

水表在attach和TAU的过程中，会主动上报活动定时器T3324=10s，扩展TAU周期T3412_ext=20.48s，以及扩展eDRX=81.92s。

图8 TAU Request消息

现网MME侧设定：T3412=34min，T3324=60s。

通过与MME协商后，在TAU accept消息中下发T3324=120s，以避免PSM与eDRX参数冲突，T3412_ext=10h。

2.2.4 水表性能统计

通过提取后台统计，水表区域的情况如下：

（1）覆盖等级分布：CE0/CE1/CE2的分布分别为48.46%、33.04%、18.51%，覆盖偏弱。

（2）RRC成功率：CE0/CE1/CE2的RRC成功率分别为97.31%、85.06%、44.44%。RRC总成功率83.48%。

统计显示覆盖偏弱，且RRC成功率偏低，尤其是CE2的成功率偏低。

2.2.5 参数优化

由于天线性能的差异，水表模组接收到的信号会比测试终端低20dB左右，加上现场水表铁箱导致的信号衰减，致使水表接收到的信号普遍比较弱。因此初步怀疑模组在搜索网络信号过程中，到了T3324设定的时间，还没有完成接入就进入了PSM状态，导致数据上报不成功。

修改建议：

（1）通过调整T3324，让水表有更多的时间进行小区选择，增加其数据上报的成功率。

（2）通过修改T3324，能够增加模组的搜网时间，增加在网络附着的成功率，提升上报率。

（3）通过修改小区驻留门限，可以改善模组驻留小区的无线环境，从而提升数据上报成功率。

12月29号针对覆盖水表的2个小区进行参数调整，调整后RRC连接成功率如下图所示。

图9 调整前后RRC连接成功率趋势

图10 调整前后水表上报率趋势

从指标统计可以看出RRC连接成功率均有提升，其中CE2的较为明显；水表上报率也有明显改善。

3 结束语

NB-IoT技术可满足对低功耗、长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务，更适合静态业务，以及对时延低敏感、非连续移动、实时传输数据的业务场景，适合于小数据量、低频次、终端主动上报模式的应用，能够充分利用低功耗的特性。

本文对NB-IoT的关键技术进行了剖析，重点结合现有的试验网实践结果，对实践中遇到的问题及优化思路进行了分析，着重对低功耗、广覆盖方面的应用实践进行了详细分析。随着NB-IoT对行业的不断渗透，生态体系的不断完善，其发展将给当今社会的各个层面带来深远的影响。