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NB-IoT海量连接的实现方案

1、概述

传统以人为基础的移动通信正逐步达到天花板，因每个人持有的

终端数目有限。根据权威机构预测，到2025年全球物联网总的连接

数将达到270亿，总的市场规模将超过万亿美元，未来海量的物联网

连接市场不仅给运营商，同时也给芯片、模组、平台和应用厂家带来

更多的发展机会。

物联网如此庞大的终端海量连接需求中，主要是传感类、监测类

和控制类连接需求，这些连接速率要求很低，对业务时延不敏感、分

布很广，且某些场景下无线环境恶劣，对功耗和成本非常敏感。现有

3G/4G网络主要服务高速率、高流量业务需求，从技术上无法满足此

类物联网业务需求。而NB-IoT是专门针对此类物联网业务设计的通

信技术，具备广覆盖、海量连接、低功耗、低成本的特点，通过牺牲

一定速率和时延等性能，换取更极致的物联网连接承载能力。

NB-IoT的海量连接目标是按照图1中的物联网连接模型设计的。

图1.小区半径和站间距示意图

例如：参考表1中某城市的情况，假设每平方千米有1517户家

庭，每户家庭的物联网连接数为40个，基站之间的站间距为1732m。

表1.城市模型

由基站站间距可以得到单个小区覆盖面积为0.86km2，进而得到

单小区覆盖的用户数=小区覆盖面积×家庭密度×每个家庭中的终端

数=52547。

NB-IoT系统设计时，按照单小区单载波单日支持5万用户的能

力进行设计。上述能力并不是多用户同一时刻并发的能力，而是在特

定业务模型（见表2）和用户分布下单小区单载波单日服务的用户数

能力。典型物联网业务的业务模型见表2，40%用户1天发1次包，

40%用户2h发1次包，15%用户1h发1次包，5%用户30min发1

次包。实际应用中，物联网业务种类很多，与上述业务模型也不尽相

同，其容量能力需基于实际的业务模型重新进行评估。

表2.业务模型

为避免多用户多业务同时并发对网络的冲击，在业务设计时要尽

量避免不同终端在同一时刻请求数据上报，可采用在一定时间范围内

随机化、离散化的错峰上报方式。

2、海量连接的实现方案

NB-IoT实现海量连接的手段主要有两种：降低控制信令开销和

窄带传输。

（1）降低信令开销

物联网业务特点是大部分数据包为小数据包发送，如果采用图2

所示的LTE传输流程，每次数据传输需要10条信令，资源开销较大。

图2.LTE信令流程

为适应物联网业务的特点，NB-IoT数据传输流程相比LTE做了

简化，分为控制面数据传输方案与用户面数据传输方案。

控制面数据传输方案的传输流程如图3所示。

图3.NB-IoT控制面信令流程

相比于LTE的空中接口信令，控制面数据传输方案无须建立用

户面承载，直接使用控制面承载进行数据传输，可节省5条信令。尤

其适用于长间隔的小数据包传输，效率较高；也支持通过上行直传消

息分段传输大数据包。

用户面数据传输方案的传输流程如图4所示。

图4.NB-IoT用户面信令流程

用户面数据传输方案在LTE基本过程的基础上，引入了RRC挂

起和恢复过程。挂起时，UE、基站、核心网保存上下文，恢复时，

根据各网元保存的上下文，快速恢复控制面、用户面承载和空中接口

安全。相比于LTE的空中接口信令，可节省4条信令。适用于大数

据包传输，或频繁发数据包的业务。

（2）窄带传输

NB-IoT专门设计了窄带传输方式，更适宜承载小数据包、时延

不敏感类的物联网业务。

传统LTE系统带宽典型值为5MHz、10MHz、15MHz、20MHz

等。频域上资源粒度最小是180kHz，而考虑复杂度等问题，实际应

用时每个用户传输占用的资源通常是720kHz以上，承载小数据包时

资源浪费较大。