NB-IoT 通用方案

窄带物联网（Narrow Band 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。

背景简介

NB-IoT 网络只消耗大约180kHz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。

NB-IoT 特性

• 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

  164db MCL，NB-IoT 比 GPRS 提升 20db 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。

特点	NB技术特点	具体取值范围
小数据量	空口资源有限（180khz），适宜小数据通信	50字节~200字节为宜，越小越好
低频次、长周期	大部分终端应长期处于休眠状态，上报数据频次低	按天上报，每天1~2次较为合适。高频次上报（例如30分钟），对网络容量占用大。上报频次越高，对网络容量影响越大。
低功耗	NB网络PSM模式功耗最低	功耗敏感应用优选
低移动性	NB适宜慢速移动	移动速度小于30km/h
深度覆盖	NB覆盖能力较好	可支持地下室等场景覆盖
低速率	上行理论峰值速率15.6kbps，下行理论峰值速率21.25kbps	带宽型大速率的业务不能使用NB承载

NB-IoT 网络结构

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 省电模式

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，最为重要的技术为：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（MO Data）时，才可接收开发者平台缓存的下行数据 。

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，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 PSM_EINT 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，如远程关闭煤气业务。

每个eDRX周期内，有一个寻呼时间窗口 PTW（ Paging Time Window ），终端在PTW内按照 DRX 周期（DRX 周期时间短，可以认为终端不休眠、一直可达）监听寻呼信道，以便接收下行数据，其余时间终端处于休眠状态。
eDRX 模式可以认为终端设备随时可达，但时延较大，时延取决于 eDRX 周期配置，可以在低功耗与时延之间取得平衡。

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，如路灯业务。

由于 DRX 周期短（ 1.28s，2.56s，5.12s 或者10.24s，由运营商网络侧设置决定——SIM 卡办理 APN 业务），可认为下行业务随时可达，时延小。
适用于对时延有高要求的业务，但功耗相对较高，终端设备一般采用市电供电方式。

NB-IoT 时延

首次入网时延: NB 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 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。

终端上报数据	平台下发数据（PSM）	平台下发数据（DRX）	平台下发数据（eDRX）
空口时延+专网到客户服务器之间的时延	空口时延+专网到平台之间的时延+PSM最长休眠周期（最大 310小时）	空口时延（750ms）+ DRX寻呼周期（最大为 10.24秒，最小 1.28秒）	空口时延（750ms）+ eDRX寻呼周期（最大为 2.92小时，最小 5.12秒）
秒级（3 秒到 30 秒）	小时/天级别，取决于终端上报周期	秒级，取决于DRX寻呼周期	秒级到小时级，取决于eDRX寻呼周期

NB-IoT 业务受理关键参数

从上述内容可知，NB 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 卡时请明确好自己所办理的 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。

不清楚如何选择 APN 业务时可咨询涂鸦工作人员

NB-IoT 功耗

终端状态	功耗消耗	某环境实测结果
PSM 状态	3 uA	2.7 uA
eDRX 空闲态	xxuA~2 mA	1 mA
DRX空闲态	1~4mA	1mA
连接状态	发送 200 mA，接收 65 mA	发送 189 mA，接收 161 mA

MCU通用对接方案介绍

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。

固件选型

• 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

涂鸦现在已有 MCU 通用对接 NB 模组：PSM 型通用模组、DRX 型通用模组；（eDRX 型通用模组暂未开发）。
若有特殊需求，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

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。

步骤1. 创建产品

登录 开发者平台，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（注意功耗选择会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、固件，就可以下载到 MCU 开发包。

创建产品在 MCU 方案概述中有详细介绍，在此就不做赘述，具体步骤请参考：产品创建-平台实操

常用模组介绍

在平台创建产品选择模组时，平台会有一些常用模组型号的推荐。这里以 NB-IoT 通用方案中使用最多的 NM1 模组举例。

选定模组型号后，可在线购买模组样品。硬件工程师可以进入画板阶段，硬件开发相关资料均可在文档中心查看：

数据手册链接：NB-IoT模组数据手册

硬件设计指导：NM1 硬件设计

PCB 资料：常用模组封装库

注意：NB-IoT 通用模组工作峰值电流会达到300mA以上，电源设计时一定要留有余量。

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
  • 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115200）
  • 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115200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921600）

• 模块唤醒电路：

  开机唤醒引脚： PWRKEY

  低功耗唤醒引脚：PSM_EINT

• Sim 卡电路：设计前确定好需要 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，天线需要自行去天线厂商做匹配。

步骤2. 绑定验证

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）与模组配合可以配网实操，验证模组的同时可以熟悉协议交互流程，后边开发调试效率将极大提升。

涂鸦模组调试助手-MCU模拟模式，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。下边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的使用说明，初次使用助手的用户可提前阅读：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 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，助手选择对应的串口及波特率，打开串口点击启动，将看到模组和上位机自动进行初始化流程协议交互。

注：NB-IoT 模组上电就会不断发送产品信息查询指令，收到正确回复后进行后续初始化协议的交互。若上电无数据发出，请检查模组外围电路是否正确。

App扫码绑定

• 注册：NB-IoT 模组在涂鸦出厂授权后，涂鸦云会拉取模组信息，并在电信 IoT 平台注册该模组。

• 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。

• 使用：只有完成过激活且未被其他账号绑定的模组，才能被App成功绑定。

说明：NB-IoT 二维码需要使用涂鸦的生产打印工具生成。详情请联系涂鸦工作人员。

步骤3. 软件开发

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，这些数据怎么理解就需要看开发包中协议文档了。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，可点击链接查看： 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，一般建议用户直接移植 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 点数据长度有关，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

步骤4. 协议验证

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，模组模拟模式下助手可将自动发送模组初始化交互流程验证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，可以手动点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。

注：涂鸦模组调试助手模组模拟模式，没有联网功能，仅用来验证MCU串口协议收发正确性。

步骤5. 功能联调

在使用助手验证完毕代码后，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点上报下发是否正确。
在调试过程有一些常用工具链接如下：

后台日志查询入口：功能联调时，经常需要查看后台数据判断问题，开发者平台-运营中心可以满足您的需求。

涂鸦在线支持入口：涂鸦提供在线化的支持服务，如有问题文档资料解决不了，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，开发对接提前了解，避免踩坑。