NB-IoT工作模式

NB-IOT工作模式

1.介绍

①无需移动性，大数据量（上行），需较宽频段，比如城市监控摄像头。

②移动性强，需执行频繁切换，小数据量，比如车队追踪管理。

③无需移动性，小数据量，对时延不敏感，比如智能抄表。

NB-IoT正是为了应对第③种物联网设备而生。

2.特点

（1）优点

超强覆盖：相对GPRS来说，增加20db的信号增益。在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，可更好满足厂区、管道井、井盖等这类对深度覆盖有要求的地方。
超低功耗：对于终端功耗的目标是：基于AA（5000mAh）电池，使用寿命可超过10年。模块在平时处于休眠状态，每天可根据程序设定自动唤醒上传数据，若没有收到请求的命令，模块会自动进入休眠，终端模块待机时间可长达8年。
超大连接：一个扇区能够支持数万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。同一基站可比现有无线技术提供50-100倍的接入数。
超低成本：NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。
（2）缺点

传输数据少。基于低功耗的机制，注定了NBIoT只能传输少量的数据到远端，因此正式应用时要么单次传输字节数少，要么传输数据间隔长。比如智能水表、气表，一般是24小时传输一次数据。这意味着依靠实时数据分析的行业应用难以推广此技术。此外，还存在寿命到期电池更换的麻烦。
通信成本贵。目前NBIoT通信模块还是偏贵，主流芯片厂家主要有紫光展锐、华为海思和联发科，一块NBIoT模组在20~50元左右。通信流量上，电信是20元一年，包年时间多相对便宜，中国移动资费差不多，若设备量大还有议价空间。一块水电表零售价也就一两百元，NBIoT模组就吃掉了一大块成本。
技术待成熟。虽然中国各大运营商号称投入大量人力物力财力进行相关建设，NBIoT技术还不是很成熟。诚然，电信云平台后面是华为公司作为技术支撑，实力强大，想必不久将来技术会成熟稳定。
平台对接难。电信的IOT平台走的是CoPA协议，CoPA协议对接方面复杂。虽然华为电信物联网平台上资料齐全，要和电信开放平台对接，还是要花不少时间。

3.目前主要应用情况

公共事业：智能水表、智能水务、智能气表、智能热表。
智慧城市：智能停车、智能路灯、智能垃圾桶、智能窖井盖。
消费电子：独立可穿戴设备、智能自行车、慢病管理系统、老人小孩管理。
设备管理：设备状态监控、白色家电管理、大型公共基础设施、管道管廊安全监控。
智能建筑：环境报警系统、中央空调监管、电梯物联网、人防空间覆盖。
指挥物流：冷链物流、集装箱跟踪、固定资产跟踪、金融资产跟踪。
农业与环境：农业物联网、畜牧业养殖、空气实时监控、水质实时监控。
其他应用：移动支付、智慧社区、智能家居、文物保护
目前国内的NB-IoT频段主要运行在B5和B8频段。

二. NB-IOT部署方式

NB-IoT支持在频段内（In-Band）、保护频段（Guard Band）以及（Stand-alone）共三种部署方式。

1.独立部署（Stand alone operation）简称ST

不依赖LTE，与LTE可以完全解耦。

不适用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200KHz，这刚好为NB-IoT180KHz带宽辟出空间，且两边还有10KHz的保护间隔。

2.保护带部署（Guard band operation）简称GB

不占LTE资源。

利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽得到资源块。

3.带内部署（In-band operation）简称IB

占用LTE的1个PRB资源。

可与LTE同PCI，也可与LTE不同PCI，一般来说如果采用的是IB方式，倾向于设置为与LTE同PCI（说明什么问题？一是NB也有PCI，所以同频组网是可行的，不同于GSM，二是PCI也是504个，可以复用LTE的PCI规划，三是PCI的生成、功能基本相同）。

三.工作状态

1、Connected(连接态、工作态)

模块注册入网后处于该状态，可以发送和接收数据，无数据交互超过一段时间后会进入Idle模式，时间可配置。

2、Idle(空闲态、轻休眠态)

可收发数据，且接收下行数据会进入Connected状态，无数据交互超过一段时会进入PSM模式，时间可配置。空闲状态可配置执行DRX或eDRX模式。

3、PSM(节能态、深睡眠态)

不可收也不可发数据，此模式下终端关闭收发信号机，不监听无线侧的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。持续时间由核心网配置(T3412)，有上行数据需要传输或TAU周期结束时会进入Connected态。

4.三种状态之间存在一定的切换关系

知道后对NB的使用会有进一步的理解，总结如下：

（1）终端发送数据完毕处于Connected态，启动“不活动计时器”，默认20秒，可配置范围为1s~3600s；

（2）“不活动计时器”超时，终端进入Idle态，启动及或定时器(Active-Timer【T3324】)，超时时间配置范围为2秒~186分钟；

（3）Active-Timer超时，终端进入PSM状态，TAU周期结束时进入Connected态，TAU周期【T3412】配置范围为54分钟~310小时。

（4）TAU周期指的是从Idle开始到PSM模式结束。

四.低功耗模式

NB-IoT（窄带物联网）设备支持多种低功耗模式，以延长设备的电池寿命。以下是几种主要的低功耗模式：

1.Power Saving Mode (PSM) - 省电模式：

• 在PSM模式下，设备可以进入超低功耗状态。虽然设备不与网络通信，但仍然保持注册状态。设备在PSM模式下不接收下行数据，也不会主动发送数据。设备定期唤醒，以检查是否有数据需要发送或接收。

• 特点

  ：

  • 超低功耗
  • 保持网络注册状态
  • 不接收下行数据

2.Extended Discontinuous Reception (eDRX) - 扩展的不连续接收：

• eDRX允许设备以较长的间隔周期接收网络下行数据。设备在eDRX周期内大部分时间处于休眠状态，只在特定时段唤醒以检查是否有下行数据需要处理。

• 特点

  ：

  • 较低功耗，但高于PSM
  • 定期接收下行数据
  • 可配置的唤醒周期

3.Discontinuous Reception (DRX) - 不连续接收：

• DRX模式下，设备在空闲状态下也不会持续接收网络数据，而是按照配置的周期性唤醒，接收网络下行数据。

• 特点

  ：

  • 适中的功耗
  • 定期接收下行数据
  • 比eDRX更频繁的唤醒周期

NB-IoT 低功耗模式的对比

模式	功耗	数据接收	典型用途
PSM	最低	无法接收	传感器数据上传
eDRX	低	定期接收	定期监测和控制
DRX	中等	定期接收	相对频繁的数据传输

五.模式转换

1.connected->idle

NB-IoT 模块在上电后，发送数据时会进入 connected（连接）状态。如果停止发送数据，模块会进入 idle（空闲）状态。具体过程如下：

1. 模块上电后进入 connected 状态：

   • 当 NB-IoT 模块上电并开始发送数据时，它会与网络建立连接，进入 connected 状态。在此状态下，模块与基站保持活跃的通信连接，可以进行数据的上行和下行传输。

2. 停止发送数据后进入 idle 状态：

   • 当模块停止发送数据后，如果一段时间内没有新的数据传输请求，模块会断开与基站的活跃连接，从 connected 状态转为 idle 状态。在 idle 状态下，模块不再保持与基站的持续连接，但仍然可以通过监听寻呼信道来接收网络的唤醒指令或新的下行数据。

状态转换详细过程

1. 连接建立（connected 状态）：

   • 模块发送数据时，需要与网络建立 RRC（Radio Resource Control）连接。这个过程包括建立物理层和数据链路层的连接，以确保数据能够成功传输。

2. 进入 idle 状态：

   • 当数据传输完成并且一段时间内没有新的数据发送需求时，模块的 RRC 连接会被释放。此时，模块进入 idle 状态。在 idle 状态下，模块不再消耗大量电力维持活跃连接，而是通过非连续接收（DRX）机制周期性地监听网络的寻呼信道，以确保在有新的下行数据或唤醒指令时能够及时响应。

3. 定时器管理：

   • 在进入 idle 状态后，模块会启动 T3324 和 T3412 定时器。T3324 定时器用于管理模块在 idle 状态下的非活动时间，T3412 定时器用于控制模块的定期位置更新。
   • 当 T3324 定时器超时，模块会进入 PSM 模式，大幅降低功耗。

总结

NB-IoT 模块在上电并发送数据时会进入 connected 状态，以确保数据传输的可靠性。当停止发送数据后，模块会进入 idle 状态，通过 DRX 机制节省功耗，并在需要时及时响应网络的请求。在 idle 状态下，模块的功耗相比 connected 状态要低，但仍能保持一定的网络连接能力。一段时间后，根据 T3324 定时器的设置，模块可能会进一步进入 PSM 模式，实现更低的功耗。

2.idle->psm

在无线通信网络（如 LTE 和 NB-IoT）中，用户设备（UE）在进入 idle（空闲）模式后，会启动 T3324 定时器。当 T3324 定时器超时后，UE 进入 PSM（Power Saving Mode，省电模式）。下面详细说明这一过程：

过程详解

1. 数据传输完成并进入 idle 模式：

   • 当 UE 完成数据传输并不再需要保持活跃的 RRC（Radio Resource Control）连接时，网络会将 UE 释放到 idle 模式。在 idle 模式下，UE 不再维持一个持续的连接，但会周期性地监听网络的寻呼信道。

2. 启动 T3324 定时器：

   • 一旦 UE 进入 idle 模式，T3324 定时器开始计时。T3324 定时器定义了 UE 在 idle 模式下保持非活动状态的时间。在此期间，UE 仍会周期性地打开接收机监听寻呼信道，通过 DRX（Discontinuous Reception，非连续接收）机制接收下行数据或网络指令。

3. T3324 定时器超时：

   • 当 T3324 定时器超时后，UE 进入 PSM 模式。在 PSM 模式下，UE 的接收机关闭，设备进入极低功耗状态。此时，UE 无法接收下行数据，但能够大幅度降低功耗。

4. PSM 模式中的行为：

   • 在 PSM 模式下，UE 的接收机只有在特定的时间窗口内才会打开进行通信。这些时间窗口由网络和 UE 协商确定，通常用于接收批量数据、发送周期性更新（如通过 T3412 定时器触发的 TAU 消息）等。

状态转换示意

1. Connected 状态：

   • UE 正在进行数据传输，维持与网络的 RRC 连接。

2. Idle 状态：

   • 数据传输完成，RRC 连接释放，UE 进入 idle 状态。
   • UE 启动 T3324 定时器，在定时器计时期间，周期性地通过 DRX 机制监听网络。

3. T3324 超时：

   • 定时器到期，UE 进入 PSM 模式。

4. PSM 模式：

   • UE 处于极低功耗状态，接收机关闭。
   • UE 仅在预定的时间窗口内打开接收机进行通信。

结合其他定时器的关系

• T3412 定时器：
  • 控制 UE 的周期性位置更新（P-TAU）的时间间隔。T3412 定时器的计时与 T3324 定时器独立运行。
  • 即使在 PSM 模式下，T3412 定时器仍在计时。T3412 超时时，UE 会唤醒发送 TAU 消息，并重新进入 PSM 模式。

综上所述

当 UE 进入 idle 模式并启动 T3324 定时器后，会在定时器超时时进入 PSM 模式。PSM 模式使得 UE 能够在不频繁通信的情况下，极大地降低功耗，从而延长电池寿命。这个机制特别适用于那些需要长时间运行且数据传输频率低的物联网设备。

3.PSM->connected

从 PSM 状态到 connected 状态的过程

1. T3412 定时器超时：
   • 在 PSM 模式下，T3412 定时器继续计时。T3412 定时器超时后，UE 必须进行位置更新。
   • 这时，UE 会从 PSM 模式唤醒，重新打开接收机，准备发送 TAU 消息。
2. 发送 TAU 消息：
   • UE 从 PSM 模式唤醒后，进入 connected 状态，建立 RRC（Radio Resource Control）连接。
   • UE 向网络发送 TAU 消息，以更新其位置并保持网络的注册状态。
3. 完成 TAU 过程：
   • 网络接收到 TAU 消息后，会处理并确认位置更新。
   • 在 TAU 过程完成后，UE 可能会根据网络的配置继续保持 connected 状态，或返回 idle 状态，再次开始计时 T3324 和 T3412 定时器。

状态转换示意

1. Idle 状态：
   • UE 进入 idle 状态后，启动 T3324 定时器。
   • 在 T3324 定时器超时前，UE 通过 DRX 机制周期性监听网络。
2. T3324 定时器超时：
   • 定时器超时后，UE 进入 PSM 模式，接收机关闭，功耗极低。
3. PSM 状态：
   • UE 在 PSM 模式下维持极低功耗，T3412 定时器继续计时。
4. T3412 定时器超时：
   • T3412 定时器超时后，UE 从 PSM 模式唤醒，重新打开接收机。
5. 重新进入 connected 状态：
   • UE 建立 RRC 连接，进入 connected 状态。
   • 发送 TAU 消息，进行位置更新。
6. 完成 TAU 过程：
   • 网络确认 TAU 更新后，UE 根据网络配置决定保持 connected 状态或返回 idle 状态。

总结

PSM 状态下的 UE 在 T3412 定时器超时后，会唤醒并重新进入 connected 状态，以发送 TAU 消息进行位置更新。这一过程确保了 UE 能够定期向网络报告其位置，保持网络注册状态，同时通过 PSM 模式最大限度地降低功耗。通过这种机制，网络能够有效地管理资源，而 UE 也能在需要时保持通信连接，实现节能和通信需求的平衡。

六.轻休眠的两种模式

DRX（Discontinuous Reception）和 eDRX（extended Discontinuous Reception）是两种用于降低无线通信模块功耗的机制，主要区别在于它们的接收机打开和关闭周期的长度和频率。以下是两者的主要区别及相关的定时器使用情况：

DRX 与 eDRX 的区别

1. DRX（Discontinuous Reception，非连续接收）：

   • 工作原理：DRX 机制通过周期性地关闭和打开接收机，减少功耗。模块在每个 DRX 周期内有一个特定的时间窗口来监听寻呼信道和接收下行数据。
   • 周期长度：DRX 周期一般较短，通常在几百毫秒到几秒之间。周期越短，模块功耗越高，但响应速度越快。
   • 应用场景：适用于对延迟敏感且需要频繁通信的场景，例如普通的移动通信。

2. eDRX（extended Discontinuous Reception，扩展非连续接收）：

   • 工作原理：eDRX 机制是在 DRX 的基础上进一步延长接收机的关闭时间。模块在每个 eDRX 周期内有更长的时间窗口关闭接收机，从而进一步减少功耗。
   • 周期长度：eDRX 周期可以从 20.48 秒到 2.92 小时不等。周期越长，模块功耗越低，但响应速度越慢。
   • 应用场景：适用于对延迟不敏感但对功耗要求较高的场景，例如物联网设备。

定时器 T3324 与 DRX 的关系

• T3324 定时器：T3324 定时器用于管理模块在进入 idle 状态后的非活动时间，即控制模块在 idle 状态下等待多久进入 PSM（Power Saving Mode，省电模式）。当 T3324 定时器超时，模块会进入 PSM 模式，此时接收机会长时间关闭，进一步降低功耗。

DRX 是否使用 T3324 定时器

• DRX 模式：在 DRX 模式下，T3324 定时器并不是专门用于控制 DRX 的，而是用于管理模块进入 idle 状态后的行为。当模块停止数据传输并进入 idle 状态时，会启动 T3324 定时器。在 T3324 定时器计时期间，模块处于 DRX 模式，周期性地打开接收机监听网络。在 T3324 定时器超时后，模块会进入 PSM 模式，接收机会长时间关闭。

• eDRX 模式：eDRX 模式下，T3324 定时器同样用于管理模块进入 idle 状态后的行为。在 eDRX 周期内，模块会周期性地打开接收机，但周期长度更长。当 T3324 定时器超时后，模块也会进入 PSM 模式。

总结

• DRX 和 eDRX 的区别：主要在于接收机打开和关闭周期的长度。DRX 周期较短，适用于频繁通信场景；eDRX 周期较长，适用于低功耗要求高的物联网场景。
• T3324 定时器：用于管理模块从 idle 状态进入 PSM 模式的时间，不直接用于控制 DRX 或 eDRX 的周期。但在 DRX 和 eDRX 模式下，T3324 定时器超时后，模块都会进入 PSM 模式以实现更低的功耗。

七.两种定时器

1.T3412 定时器

T3412 定时器在无线通信网络中，特别是在 LTE（Long-Term Evolution）和 NB-IoT（Narrowband IoT）网络中，起着关键作用。它主要用于控制用户设备（UE）进行周期性更新（Periodic Tracking Area Update，P-TAU）的时间间隔。具体来说，T3412 定时器的作用包括以下几个方面：

作用和功能

1. 控制周期性位置更新：

   • T3412 定时器定义了 UE 需要向网络报告其位置的时间间隔。即使 UE 没有移动或发生其他事件，也需要定期发送位置更新消息（Tracking Area Update, TAU）给网络。这是为了确保网络知道 UE 的大致位置，并维持网络对 UE 的跟踪。

2. 保持网络注册状态：

   • T3412 定时器有助于保持 UE 在网络中的注册状态。通过定期发送 TAU 消息，UE 向网络表明它仍然处于活动状态，并希望继续保持连接。这对于网络的资源管理和调度是必要的。

3. 节省网络资源：

   • 通过设定一个合理的 T3412 定时器值，网络可以减少不必要的信令开销。如果 UE 在很长一段时间内没有移动或其他活动，较长的 T3412 定时器可以减少不必要的 TAU 消息，节省网络资源。

工作机制

• 启动：T3412 定时器在 UE 完成附着（attach）过程或最近一次 TAU 之后启动。
• 计时：定时器开始计时，并在设定的时间间隔内倒计时。
• 超时：当 T3412 定时器超时后，UE 需要向网络发送一个 TAU 消息，以更新其位置并重新启动 T3412 定时器。

结合其他定时器的工作

1. 与 T3324 定时器的关系：

   • T3324 定时器用于控制 UE 在 idle 状态下的非活动时间，当 T3324 定时器超时后，UE 进入 PSM（Power Saving Mode）。在 PSM 模式下，UE 的接收机大部分时间关闭，只在特定时间窗口内打开。
   • T3412 定时器独立于 T3324 定时器工作，即使 UE 进入 PSM 模式，T3412 定时器仍然在后台计时。当 T3412 定时器超时时，UE 会从 PSM 模式中唤醒并发送 TAU 消息，然后重新启动定时器。

2. 与 eDRX 模式的关系：

   • 在 eDRX 模式下，UE 周期性地打开和关闭接收机以节省功耗。T3412 定时器的运行不受 eDRX 周期的直接影响，但在 T3412 定时器超时时，UE 会进行 TAU 更新，这可能会触发接收机的打开。

总结

T3412 定时器在 NB-IoT 和 LTE 网络中起着关键作用，主要用于控制 UE 的周期性位置更新，维持 UE 的网络注册状态，确保网络能够跟踪 UE 的位置，并有效管理网络资源。T3412 定时器与其他定时器（如 T3324 定时器）协同工作，以优化 UE 的功耗和网络资源的利用。

2.T3324 定时器

T3324 定时器在无线通信网络，尤其是 LTE（Long-Term Evolution）和 NB-IoT（Narrowband IoT）网络中，主要用于管理用户设备（UE）进入省电模式（PSM, Power Saving Mode）的时间。其主要作用和功能如下：

作用和功能

1. 控制非活动时间：

   • T3324 定时器定义了 UE 在进入 idle（空闲）状态后，仍然保持与网络连接并进行非连续接收（DRX）的时间。当 T3324 定时器超时后，UE 会进入 PSM 模式。

2. 延迟进入省电模式：

   • 在 T3324 定时器运行期间，UE 处于一种较低功耗的 idle 状态，但仍然周期性地监听寻呼信道，可以接收下行数据或命令。这允许 UE 在不进行数据传输的情况下，仍然能够及时响应网络的唤醒。

3. PSM 模式的触发：

   • 当 T3324 定时器超时后，UE 进入 PSM 模式。在 PSM 模式下，UE 的接收机关闭，大幅降低功耗。UE 只有在预定的时间窗口内才能接收和发送数据，这使得设备能够在需要时迅速恢复通信。

工作机制

1. 启动：

   • T3324 定时器在 UE 进入 idle 状态时启动。这个状态通常在 UE 完成数据传输并释放 RRC（Radio Resource Control）连接后发生。

2. 计时：

   • T3324 定时器开始计时，并在设定的时间间隔内倒计时。在此期间，UE 处于 DRX 模式，周期性地打开接收机进行监听。

3. 超时：

   • 当 T3324 定时器超时后，UE 从 DRX 模式转为 PSM 模式。在 PSM 模式下，接收机关闭，设备进入极低功耗状态，只有在特定的时间窗口内会唤醒进行通信。

结合其他定时器的工作

1. 与 T3412 定时器的关系：

   • T3412 定时器控制 UE 的周期性位置更新（P-TAU）的时间间隔。T3412 定时器的计时与 T3324 定时器独立运行。
   • 当 T3324 定时器超时，UE 进入 PSM 模式，而 T3412 定时器继续计时。在 T3412 定时器超时时，UE 需要进行位置更新，即使在 PSM 模式下，也会唤醒发送 TAU 消息。

2. 与 DRX 模式的关系：

   • 在 T3324 定时器运行期间，UE 处于 DRX 模式，周期性地打开接收机以监听寻呼信道和接收下行数据。
   • T3324 定时器超时后，DRX 模式结束，UE 进入 PSM 模式。

总结

T3324 定时器在 NB-IoT 和 LTE 网络中起着重要作用，主要用于控制 UE 在进入 PSM 模式前的非活动时间。通过定义这个时间间隔，T3324 定时器允许 UE 在 idle 状态下保持低功耗并周期性地监听网络，确保在必要时能够及时响应网络请求。当 T3324 定时器超时后，UE 进入 PSM 模式，实现极低功耗运行。这种机制对于延长电池寿命、优化设备功耗具有重要意义，特别是在需要长时间运行的物联网设备中。