从2G到4G，移动通信网络都仅仅是为了连接“人”而生。但随着万物互联时代的到来，移动通信网络需面向连接“物”而演进。

  为此，3GPP在Release13制定了NB-IoT标准来应对现阶段的物联网需求，在终端支持上也多了一个与NB-IoT对应的终端等级——cat-NB1。

  ●GSM是最早的广域M2M无线连接技术，EC-GSM增强了其功能和竞争力。

  ●NB-IoT(Cat-NB1)尽管和LTE紧密相关，且可集成于现有的LTE系统之上，但认为是独立的新空口技术。

  NB-IoT，甚至说目前低功耗广域网（LPWAN），其设计原则都是基于“妥协”的态度。

  终端都很懒，大部分时间在睡觉，每天传送的数据量极低，且允许一定的传输延迟（比如，智能水表）。

  与“人”的连接不同，物联网的流量模型不再是以下行为主，可能是以上行为主。

  这三大特点支撑了低速率和传输延迟上的技术“妥协”，以此来实现覆盖增强、低功耗、低成本的蜂窝物联网。

  为了应对日渐强烈的物联网需求，于是国际移动通信标准化组织3GPP决定制订一个新的蜂窝物联网（CIOT：CellularInternetofThing）的标准。

  NB-IoT信令流程基于LTE设计，去掉了一些不必要的信令，包括在控制面和用户面均进行了优化。

  手机（终端）和网络不断传送数据是很费电的。假如没有DRX，即使我们没用手机上网，手机也要一直的监听网络（PDCCH子帧），以保持和网络的联系，但是，这导致手机耗电太快。

  因此，在LTE系统中设计了DRX，让手机周期性的进入睡眠状态（sleepstate），不用时刻监听网络，只在需要的时候，手机从睡眠状态中唤醒进入wakeupstate后才监听网络，以达到省电的目的。

  一些物联网终端本来就很懒，长期睡觉，而在PSM模式下，相当于关机状态，所以更加省电。

  其原理是，当终端进入空闲状态，释放RRC连接后，开始启动定时器T3324，当T3324终止后，进入PSM模式，并启动T3412（周期性TAU更新）。在此期间，终端停止检测寻呼和执行任何小区/PLMN选择或MM流程。

  此时，网络无法发送数据给终端或寻呼终端，网络与终端几乎失联（终端仍注册在网络中）。

  只有当周期性TAU更新定时器超时后，才退出PSM模式。这个定时器可设置最大12.1天，想想这是有多么省电啊！

  总的来说，物联网分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层负责采集信息，网络层提供安全可靠的连接、交互与共享，应用层对大数据做多元化的分析，提供商业决策。

  为了将物联网数据发送给应用，蜂窝物联网（CIoT）在EPS定义了两种优化方案：

  如上图所示，红线表示CIoTEPS控制面功能优化方案，蓝线表示CIoTEPS用户面功能优化方案。在实际网络部署时，为减少物理网元的数量，可以将核心网网元(如MME、SGW、PGW)合一不部署，称为CIoT服务网关节点C-SGN，如虚框中所示。从这里能够准确的看出，PGW可以合设，也可以集成到C-SGN中，图中标示的为PGW单独设置。

  对于CIoTEPS控制面功能优化，上行数据从eNB（CIoTRAN）传送至MME，在这里传输路径分为两个分支：或者通过SGW传送到PGW再传送到应用服务器，或者通过SCEF（ServiceCapa-bilityExposureFunction）连接到应用服务器（CIoTServices），后者仅支持非IP数据传送。下行数据传送路径一样，只是方向相反。

  这一方案无需建立数据无线承载，数据包直接在信令无线承载上发送。因此，这一方案极适合非频发的小数据包传送。

  SCEF是专门为NB-IoT设计而新引入的，它用于在控制面上传送非IP数据包，并为鉴权等网络服务提供了一个抽象的接口。

  对于CIoTEPS用户面功能优化，物联网数据传送方式和传统数据流量一样，在无线承载上发送数据，由SGW传送到PGW再到应用服务器。因此，这种方案在建立连接时会产生额外开销，不过，它的优势是数据包序列传送更快。

  CP方案的控制面协议栈，UE和eNodeB之间不要建立DRB承载，没有用户面处理。

  CP方案在UE和eNodeB之间不需要启动安全功能，空口数据传输的安全性由NAS层负责。因此空口协议栈中没有PDCP层，RLC层和RRC层直接交互，上行数据在上行RRC消息包含的NAS消息中携带，下行数据在下行RRC消息包含的NAS消息中携带。

  UP方案的控制面协议栈，上下行数据通过DRB承载携带，需要启动空口协议栈中PDCP层提供AS层安全模式。

  传输数据时空口节省约50%的信令，相对CP方案，增加了PDN建立时用户面承载建立信令

  低，数据需分多个包，每个包都需封装在NAS信令中传输，效率低。(单个NASPDU最大64kb)

  eNB通过S1接口连接到MME/S-GW，只是接口上传送的是NB-IoT消息和数据。尽管NB-IoT没有定义切换，但在两个eNB之间依然有X2接口，X2接口使能UE在进入空闲状态后，快速启动resume流程，接入到其它eNB（resume流程将在本文后面详述）。

  NB-IoT占用180KHz带宽，这与在LTE帧结构中一个资源块的带宽是一样的。所以，以下三种部署方式成为可能：

  适合用于重耕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。

  半双工设计意味着只需多一个切换器去改变发送和接收模式，比起全双工所需的元件，成本更低廉，且可降低电池能耗。

  在Release12中，定义了半双工分为typeA和typeB两种类型，其中typeB为Cat.0所用。在typeA下，UE在发送上行信号时，其前面一个子帧的下行信号中最后一个Symbol不接收，用来作为保护时隙（GuardPeriod,GP），而在typeB下，UE在发送上行信号时，其前面的子帧和后面的子帧都不接收下行信号，使得保护时隙加长，这对于设备的要求降低，且提高了信号的可靠性。

  MIB消息在NPBCH中传输，其余信令消息和数据在NPDSCH上传输，NPDCCH负责控制UE和eNB间的数据传输。

  NB-IoT的小区接入流程和LTE差不多：小区搜索取得频率和符号同步、获取SIB信息、启动随机接入流程建立RRC连接。当终端返回RRC_IDLE状态，当有必要进行数据发送或收到寻呼时，也会再次启动随机接入流程。

  总的来说，NB-IoT协议栈基于LTE设计，但是根据物联网的需求，去掉了一些不必要的功能，减少了协议栈处理流程的开销。因此，从协议栈的角度看，NB-IoT是新的空口协议。

  以无线承载（RB）为例，在LTE系统中，SRB（signallingradiobearers，信令无线承载）会部分复用，SRB0用来传输RRC消息，在逻辑信道CCCH上传输；而SRB1既用来传输RRC消息，也会包含NAS消息，其在逻辑信道DCCH上传输。

  此外，NB-IoT还定义一种新的信令无线的配置基本一致，除了没有PDCP，这也代表着在ControlPlaneCIoTEPSoptimisation下只有SRB1bis，因为只有在这种模式才不需要。

  需特别说明的是，SIB-NB是独立于LTE系统传送的，并非夹带在原LTE的SIB之中。

  由于NB-IoT主要为非频发小数据包流量而设计，所以RRC_CONNECTED中的切换过程并不是特别需要，被移除了。若需要改变服务小区，NB-IoT终端会进行RRC释放，进入RRC_IDLE状态，再重选至其他小区。

  NB-IoT的小区重选机制也做了适度的简化，由于NB-IoT终端不支持紧急拨号功能，所以，当终端重选时没办法找到SuitableCell的情况下，终端不会暂时驻扎(Camp)在AcceptableCell，而是持续搜寻直到找到SuitableCell为止。根据3GPPTS36.304定义，所谓SuitableCell为能够给大家提供正常服务的小区，而AcceptableCell为仅能提供紧急服务的小区。

  由于NB-IoT并不支持不同技术间的切换，所以RRC状态模式也非常简单。

  当终端需要再次进行数据传输时，只需要在RRCConnectionResumeRequest中携带ResumeID（如上图第四步），基站即可通过此ResumeID来识别终端，并跳过相关配置信息交换，立即进入数据传输。

  简而言之，在RRC_Connected至RRC_IDLE状态时，NB-IoT终端会尽可能的保留RRC_Connected下所使用的无线资源分配和相关安全性配置，减少两种状态之间切换时所需的信息交换数量，以达到省电的目的。

  如前文所述，NB-IoT定义了两种数据传输模式：ControlPlaneCIoTEPSoptimisation方案和UserPlaneCIoTEPSoptimisation方案。对于数据发起方，由终端选择决定哪一种方案。对于数据接收方，由MME参考终端习惯，选择决定哪一种方案。

  这两类消息中包含的是带有NAS消息的byte数组，其对应NB-IoT数据包，因此，对于基站是透明的，UE的RRC也会将它直接转发给上一层。

  在UserPlaneCIoTEPSoptimisation模式下，数据通过传统的用户面传送，为降低物联网终端的复杂性，只可以同时配置一个或两个DRB。

  •当RRC连接释放时，RRC连接释放会携带携带ResumeID，并启动resume流程，如果resume成功，更新密匙安全建立后，保留了先前RRC_Connected的无线承载也随之建立。

  •当RRC连接释放时，如果RRC连接释放没有携带携带ResumeID，或者resume请求失败，安全和无线承载建立过程如下图所示：

  在重配置消息中，基站为UE提供无线承载，包括RLC和逻辑信道配置。PDCP仅配置于DRBs，因为SRB采用默认值。在MAC配置中，将提供BSR、SR、DRX等配置。最后，物理配置提供将数据映射到时隙和频率的参数。