NB-IoT信号发射方式技术解析

一、物理层信号处理

1. 频段与调制技术

   • 工作频段：采用Sub-1GHz频段（国内以800MHz/900MHz为主），通过低频率特性实现3km以上城市覆盖与地下5m穿透能力，相比4G频段（2000MHz+）具备显著穿透优势‌
   • 调制方式：
     ▸ 上行传输：使用SC-FDMA（单载波频分多址），功率谱密度集中，降低终端峰值功耗‌
     ▸ 下行传输：采用OFDMA（正交频分多址），支持多用户并发接入‌

2. 多天线发射增强

   • 空频块编码（SFBC）：在双天线端口配置下，通过不同子载波与天线端口的信号映射实现空间分集，提升抗干扰能力（典型场景下接收灵敏度提升3dB）‌
   • 波束赋形优化：通过RRU通道动态调整相位，在密集城区场景实现定向波束聚焦，覆盖半径提升20%‌

二、网络层传输机制

1. 基站协同架构

   • 蜂窝组网：单基站支持10万级终端接入，采用独立载波部署（200kHz带宽）或LTE带内部署模式，避免与4G网络相互干扰‌
   • 终端连接管理：
     ▸ 心跳包间隔可调（2小时~24小时），PSM模式待机电流低至5μA‌
     ▸ eDRX扩展非连续接收周期（10分钟级），降低终端功耗‌

2. 反向控制实现

   • 长连接维持：通过TCP/IP长连接保持终端可达性，服务器下发指令时延＜10秒（相比传统轮询模式效率提升80%）‌
   • 数据优先级调度：紧急告警数据（如水浸报警）触发上行抢占机制，传输优先级高于常规状态上报数据‌

NBIOT双工模式
NB-的IoT技术是基于现有的LTE标准，包括在下行链路中使用的OFDMA（正交频分多址）接入（DL）和SC-FDMA（单载波频分多址）接入上行链路（UL）信道，时间 - 频率结构，信道编码等等。这显著减少了时间规范开发，并开发和组织网络和客户端设备的生产。可用于部署NB-IoT的3GPP版本13中可用的所有频带都是频率双工频带。然而，尽管如此，M2M终端（M2M-UE）可以在任何时间用于接收或传输。从传输模式（UL）到接收模式（DL）的转换伴随着保护子帧（SF）的插入，其允许M2M-UE切换发送器和接收器链。这种类型的访问称为半双工，具有分频（HD-FDD - 半双工FDD）。


HD-FDD是对FDD-LTE进行阉割得到的一种LTE标准，仅支持半双工，半双工数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。例如在一个局域网上使用具有半双工传输技术，一个工作站可以在线上发送数据，然后立即在线上接收数据，这些数据来自数据刚刚传输的方向。像全双工一样，半双工包含一个双向链路。


H-FDD与FDD的差别在于终端不允许同时进行信号的接收和发送，这就是上面说的半双工，这样的特性决定了H-FDD基站和FDD基站是一样的，但是H-FDD终端相对与FDD来说可以简化，只保留一套收发机就OK，进一步简化了成本。


说一下对FDD-LTE的理解：首先FDD指频分双工，指上行链路和下行链路采用两个分开的频率，并且对频率间隔有一定的要求。在FDD中，任何双工信道实际上都是由两个单工信道所组成的，利用在用户和基站里的称为双工器的设备，允许同时在双工信道上进行无线发射和接收。

为了解决现有蜂窝网传输方式功耗高、无法支持长续航的缺点，NB-IoT通过简化系统流程、加快传输速度等方式来降低终端功耗，提高续航能力，满足物联网业务的长续航需求。

　　从传输内容看，可以传输三种数据类型，分别为IP、非IP（Non-IP）和短消息（SMS）。IP传输与LTE下传输的差异不大，SMS传输方式相比传统有一定的改动。

　　非IP类型的传输为NB-IoT新引入的数据类型，如果终端采用该类型的传输，在PDN连接过程中网络不为终端分配IP地址，该数据类型的传输有两条路径，一条为通过传统的IP类型的传输路径；另一条为通过新引入的SCEF进行传输。非IP类型数据的路由有两种方式，一种为在PDN连接建立过程中P-GW为终端分配IP地址，但该地址不传输给UE，只保存在P-GW内部，P-GW后的选址与原LTE相同；另一种方式为采用绑定的方式，采用上层应用的标识进行寻址。将UE传输的数据与SCEF及AS绑定。

　　NB-IoT传输方式可分为三类：控制面传输、用户面传输和短消信传输。下面将针对这三类传输方式展开介绍。

1、控制面传输

　　由于CIoT终端大部分时候都是小包传输，并且发包间隔较长，为了节省开销，提出了控制面数据传输方案。控制面数据传输方案针对小数据传输进行优化，支持将IP数据包、非IP数据包或SMS封装到NAS协议数据单元（PDU）中传输，无须建立数据无线承载（DRB）和基站与S-GW之间的S1-U承载，节省了终端和系统的开销，简化了终端和网络的实现，节省了端到端各网元的成本。

　　控制面数据传输是通过RRC、S1-AP协议进行NAS传输，并通过MME与S-GW之间，以及S-GW与P-GW之间的GTP-U隧道来实现。对于非IP数据，也可以通过MME与SCEF之间的连接来实现。

　　当采用控制面优化时，MME应支持封装在NAS PDU中的小包数据传输；并通过与S-GW之间建立S11-U连接，完成小包数据在MME与S-GW之间的传输。

　　对于IP数据，UE和MME可基于RFC4995定义的ROHC框架执行IP头压缩。对于上行数据，UE执行ROHC压缩器的功能，MME执行ROHC解压缩器的功能。对于下行数据，MME执行ROHC压缩器的功能，UE执行ROHC解压缩器的功能。通过IP头压缩功能，可以有效节省IP头的开销，提高数据传输效率。

三、终端硬件实现

1. 天线设计

   • 全向天线方案：采用柔性PCB板或FPC天线，增益范围-2dBi~3dBi，适配井盖/表计等隐蔽安装场景‌
   • 定向增强方案：金属外壳设备采用外置陶瓷天线，通过50Ω阻抗匹配降低驻波比（VSWR＜1.5）‌

2. 射频前端优化

   • 低功耗PA模块：发射功率≤23dBm，支持自适应功率回退（步进精度0.1dB），延长电池寿命‌
   • 抗干扰滤波器：集成SAW滤波器抑制2G/4G频段带外干扰（抑制度≥40dB）‌

四、典型应用对比

技术演进：2025年NB-IoT Release 17标准新增TDD双工模式，支持动态频谱共享（DSS），实现与5G NR的协同组网‌。