nb-iot工作原理



窄带物联网（Narrowband Internet of Things, NB-IoT）构建于蜂窝移动通信网络，实现物与物通信、物与人通信。NB-IoT 聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。

NB-IoT 网络只消耗大约 180 kHz 的带宽，使用 License 频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。可直接部署于 GSM 网络、UMTS 网络或 LTE 网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

• 低功耗

  IoT 应用（如智能抄表、环境监控、智能农业等）安装环境没有电源供应，需要使用电池。为了满足电池达到 5 到 10 年寿命的需求，NB-IoT 网络引入 PSM 和 eDRX 技术极大降低了终端功耗，可使设备在生命周期绝大部分时间处于极低功耗状态，从而保障电池的使用寿命。

• 低成本

  NB-IoT 终端采用窄带技术，基带复杂度低，只使用单天线，采用半双工方式，射频模块成本低，大部分（SRVCC、IMS、紧急呼叫等功能）不必要的功能都可以裁剪。同时采用 SoC 内置功放（PA），降低了对终端 Flash 存储空间、终端尺寸、终端射频等的要求，从而极大降低了 NB-IoT 的终端成本。

• 大连接

  NB-IoT 比 2G/3G/4G 有 50-100 倍的上行容量提升（特定业务模型），NB-IoT 可比现有无线技术提供 50-100 倍的接入数，单小区可支持 5 万级别的用户规模。

• 覆盖广

  具有 164 dB 最大耦合损耗（Maximum Coupling Loss，MCL），NB-IoT 比 GPRS 提升 20 dB 增益，在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也能较好覆盖。

NB-IoT 网络组成包括 NB-IoT 终端、NB-IoT 基站、NB-IoT 分组核心网、IoT 连接管理平台和行业应用服务器。NB-IoT 的接入网构架与 LTE 一样。

NB-IoT 业务规模发展与承载业务模型密切相关，其适用场景是 小流量，上报为主，长期休眠，功耗敏感，低移动性 应用。为了实现 NB-IoT 网络承载海量的低功耗设备，最重要的技术为 PSM 和 eDRX。

NB-IoT 支持三种省电模式：

• PSM：Power Saving Mode，省电模式
• DRX：Discontinuous Reception，不连续接收模式
• eDRX：Extended DRX，扩展不连续接收模式

PSM 模式

终端非业务期间深度休眠，不接收下行数据。只有终端主动发送上行数据（mobile originated data）时，才可接收涂鸦 IoT 开发平台缓存的下行数据（mobile terminated data）。

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/连接态时无需再附着 PDN 建立。适合对下行数据无时延要求的业务。终端设备功耗低，采取电池供电方式，例如抄表业务。

• Active：模块处于活动状态，所有功能正常可用，可以进行数据发送和接收。模块在此模式下可切换到 idle 模式或 PSM 模式。
• Idle：模块处于浅睡眠状态，模块处于网络连接状态，可接收寻呼消息。模块在此模式下可切换至 active 或 PSM 模式。
• PSM：模块处于深睡眠状态，内部只有 RTC 工作，网络处于非连接状态，不可接收寻呼消息。当定时器超时后，模块将被唤醒，也可通过拉低 引脚从唤醒模块。

eDRX 模式

终端设备兼顾低功耗和对时延有一定要求的业务。在每个 eDRX 周期内，只有在设置的寻呼时间窗口内，终端可接收下行数据，其余时间终端处于休眠状态，不接收下行数据。该模式可在下行业务时延和功耗之间取得平衡，例如远程关闭煤气业务。

DRX 模式

可以认为下行业务随时可达终端设备，在每个 DRX 周期，终端都会检测一次是否有下行业务到达，适用于对时延有高要求的业务。终端设备一般采取供电的方式，例如路灯业务。

首次入网时延：NB-IoT 终端开机后，终端和网络有较多消息交互（认证，建立通道，分配 IP 地址等），花费时间较长，需要 6-8s 才完成网络接入，才能获得 IP 地址，用于后期数据传输使用。

数据上报和接收时延：NB-IoT 终端接入成功后，当终端有数据传输时，终端会主动和基站建立无线连接（此时不再需要认证、IP 地址分配等过程），无线链路建立成功后，立即发送数据。终端进行数据上报的时延与终端所处的状态、无线网络覆盖密切相关。

NB-IoT 应用的低功耗机制和 SIM 卡运营商的配置密不可分。因此，在购买 SIM 卡时请确认自己所办理的 APN 业务，不同 APN 适用于不同的应用场景。电信相关业务如图所示。

当产品功能复杂或 SoC 方案无法满足需求时，客户可以选择 MCU 对接方案。在此方案中，涂鸦模组仅作为数据传输通道。MCU 对接方案常用于大小家电、安防传感等类别的产品。

优点：相对于市场上 NB-IoT 模组普遍的 AT 指令开发方式，采用涂鸦的 NB-IoT 通用对接串口协议方式，客户的开发门槛更低，维护简单，可以更轻易地实现新产品接入。

• PSM 型通用固件：监控上报型业务场景
• DRX 型通用固件：下发控制型业务场景
• 其他类定制固件：综合定制型业务场景

涂鸦已有 MCU 通用对接 NB-IoT 模组：PSM 型通用模组和 DRX 型通用模组。eDRX 型通用模组暂未开发。若有特殊需求，例如协议定制、功能定制等，可咨询涂鸦工作人员，确认方案可行性。

开发流程主要包含创建产品、硬件调试、软件开发和功能调试环节。

登录 涂鸦 IoT 开发平台，创建产品。根据实际需求选择产品品类，联网方式选择 NB-IoT，功耗类型根据自己产品的特性来选择。常用电池类供电、监控上报型业务的产品请选 PSM。对功耗不敏感、下发控制型业务的产品请选 DRX（注意功耗选择关系到后续模组的寄样与生产）。

产品创建完成后，可以根据产品实际需求选择功能、面板、模组和固件，就可以下载 MCU 开发包。

常用模组介绍

在平台创建产品选择模组时，平台会推荐一些常用模组型号。以 NB-IoT 通用方案中使用最多的 NM1-GL 模组举例。

选定模组型号后，您可在线购买模组样品，硬件工程师可以进入画板阶段。关于硬件开发相关资料，可在文档中心查看 NB-IoT 模组规格书。

硬件最小系统搭建

• 串口通讯电路：串口电平 1.8V，需电平转换。
  • UART1（必用）：通用对接管脚，用于模块与用户芯片串口通讯（波特率 或 9600）。
  • UART2（选用）：日志打印管脚，对接流程中发现问题，需要通过抓取日志协同判断时使用，可将此 IO 引出到测试点，方便调试（波特率 ）。
  UART0（选用）：模块固件烧录管脚，方案对接过程中一般使用不到，可将此 IO 引出到测试点，方便调试（波特率 ）。

• 模块唤醒电路：
  • 开机唤醒引脚：
  • 低功耗唤醒引脚：
• SIM 卡电路：设计前，确定需要 SIM 卡封装，USIM 或 eSIM，根据产品特性购买相关业务的 SIM 卡。
• 电源电路：模块功耗峰值约 300mA，需据此合理设计电源电路。
• 天线电路：天线射频电路可参考硬件设计手册，天线需要自行与天线厂商做匹配。

拿到模组后，可先不必着急编写代码，首先确定模组是否工作正常。使用涂鸦提供的模组调试助手（MCU 模拟模式）与模组配合进行配网实操，验证模组的同时可以熟悉协议交互流程，后续开发调试效率将极大提升。

在涂鸦模组调试助手-MCU 模拟模式，调试助手会模拟 MCU 自动回复模组正确的协议数据，用 App 绑定模组后，可测试 DP 数据的上报下发。接下来简要介绍助手和模组配网实操的主要步骤。使用前，需提前了解 涂鸦模组调试助手使用说明。

• 根据最小系统原理图，搭建模组外围电路，供电稳定，天线合规、信号强度良好，且已插上 NB-IoT 专用物联网 SIM 卡。
• 打开开发包中涂鸦模组调试助手，导入调试文件。协议选择 NB-IoT 通用协议，MCU 模拟模式。
• 将模组串口通过 USB 转 TTL 工具接到电脑端，调试助手选择对应的串口及波特率，打开串口单击 启动，将看到模组和上位机自动进行初始化流程协议交互。

App 扫码绑定

1. 注册：NB-IoT 模组在涂鸦出厂授权后，涂鸦 IoT 云会拉取模组信息，并在电信 IoT 平台注册该模组。
2. 激活：NB-IoT 模组首次上电且完成初始化后，即可连接到电信 IoT 平台进行激活，以模组发出的网络状态为准。
3. 使用：只有完成经过激活且未被其他账号绑定的模组，才能被 App 成功绑定。

   

在硬件调试环节，可以看到模组与 MCU 有一系列的串口协议交互数据，需要查看开发包中协议文档来理解这些数据。协议主要分为两部分：基础协议和功能协议。

• 基础协议和产品无关，是模组共有协议，包括模组初始化指令及部分扩展功能指令。
• 功能协议部分主要基于基础协议的上报下发命令字，对 DP 数据内容格式做了详细说明。

基础协议完整内容，文档中心保持实时更新，参考 NB-IoT 模组通用串口协议。

MCU 对接涂鸦模组协议，有两种途径：移植 MCU SDK 或自行对接协议。

自行对接协议

对于 MCU 资源有限或不适宜移植 MCU SDK 情况时，客户可以选择自行对接串口协议。

移植 MCU SDK

• 若 MCU 资源足够，建议用户直接移植 MCU SDK，开发高效便捷。开发包中 MCU SDK 是涂鸦提供的基于 C 语言的协议应用代码，可直接添加到 MCU 工程中。
  • MCU SDK 对 MCU 硬件资源需求：
    • Flash 4K 字节
    • RAM 与 DP 数据长度有关，一百字节左右
    • 函数嵌套级数 9 级。
• 若资源不足的用户，可自行对接协议，SDK 包中的函数依然可以作为参考。

MCU SDK 移植教程，参考 MCU SDK 移植。

移植 MCU SDK 代码开发完成后，可以使用涂鸦模组调试助手-模组模拟模式，验证代码的正确性。使用方法与 MCU 模拟模式类似，模组模拟模式下，调试助手自动发送模组初始化交互流程来验证 MCU 回复是否正确，对于错误数据给予相应提示。初始化交互通过后，可以手动单击其他拓展功能测试，功能验证完成可接实际模组配网联调。

在使用调试助手验证代码后，MCU 可连接模组使用 App 配网，进入功能联调阶段。功能联调主要测试各 DP 上报下发是否正确。在调试过程，可使用一些常用工具：

• 后台日志查询入口：功能联调时，经常需要查看后台数据来判断问题，涂鸦运营中心可以满足您的需求。
• 涂鸦开发者论坛入口：涂鸦开发者论坛提供在线化的支持服务。如果文档资料无法解决您的问题，您可直接在线提问，专业技术团队将为您答疑。
• 常见问题集锦：常见问题答疑，可提前了解，有效避免踩坑。

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