NB-IoT 窄带物联网

一、概述

NB-IoT（Narrowband Internet of Things，窄带物联网）是 3GPP 定义的蜂窝级 LPWAN 技术，工作在运营商授权频段，具备低速率、低功耗、深覆盖、海量连接特点，广泛用于智能抄表、智慧路灯、环境监测、资产追踪。

一句话核心：NB-IoT 借用蜂窝网络（基站）实现广域覆盖——设备通过 AT 指令在运营商网络上注册、上报数据，无需自建网关，一个基站可接入数万设备。

二、与 LoRa 对比

维度	NB-IoT	LoRa
组网	运营商蜂窝网络	自建网关/私网
频段	授权频段（需 SIM）	免授权频段
覆盖	运营商网络（深覆盖，室内/地下）	需自建网关覆盖
速率	上行~200kbps	0.3~50kbps
功耗	低（PSM/eDRX）	极低
移动性	支持	弱
成本	SIM/流量费	无流量费
场景	公网海量/移动设备	私有/园区/偏远

关键理解：NB-IoT 和 LoRa 的最大区别是"用不用运营商网络"。NB-IoT 用运营商基站（覆盖广、需流量费），LoRa 自建网关（免流量、覆盖自管）。

三、NB-IoT 三大特性

3.1 低速率

• 上行峰值约 60~200 kbps，下行约 20~100 kbps；
• 适合小数据包（抄表、状态上报），不适合音视频/大数据。

3.2 深覆盖

• 比 GSM 增益高约 20dB（提升约 100 倍）；
• 可覆盖地下室、井盖下、偏远地区（信号穿透强）。

3.3 海量连接

• 一个基站可接入约 5 万个设备；
• 通过窄带 + 重传实现大容量。

四、省电机制（核心）

NB-IoT 用 PSM 和 eDRX 两大省电机制：

4.1 PSM（省电模式）

设备完成上报后进入 PSM 睡眠，网络侧暂存下行数据，设备睡眠期间"看似失联"：

 上报 → 接收确认 → 进入 PSM 睡眠(长达数小时/天)
       → TAU 定时唤醒检查网络 → 有下行则收

• 设备睡眠时无法被随时叫醒，下行靠 TAU（跟踪区更新）唤醒后补收；
• 适合"设备主动上报"场景，省电效果最佳。

4.2 eDRX（扩展不连续接收）

设备周期性地短暂监听网络寻呼（比 PSM 更频繁唤醒）：

 ┌─醒─┐   ┌─醒─┐   ┌─醒─┐   醒→监听寻呼→睡
 ─────┼────┼────┼────┼──
      eDRX周期(几十秒~几分钟)

• 设备可被服务器较及时下发（比 PSM 快），功耗比 PSM 高。

数值演算（功耗）：设设备 1 天上报 4 次，每次 200ms@50mA 发射，其余时间 PSM 睡眠 5μA：

单次上报耗电 ≈ 200ms × 50mA ≈ 0.0028 mAh
一天上报耗电 ≈ 0.0028 × 4 ≈ 0.011 mAh
睡眠耗电     ≈ 24h × 5μA ≈ 0.12 mAh
一天总耗电   ≈ 0.13 mAh
电池 3000mAh → 可用约 23000 天 ≈ 数年

关键理解：NB-IoT 省电核心是PSM（深度睡眠）+ eDRX（周期监听）。需要"服务器随时下发"则用 eDRX，能忍受延迟则用 PSM 更省电。

五、网络注册与数据上报流程

设备用 AT 指令完成入网与数据收发（NB-IoT 模组用 AT 命令控制）：

 模组(设备)                          基站/核心网
 1. 上电，AT 初始化 ─────────────► 
 2. 搜索网络(AT+COPS) ───────────► 附着(Attach)
 3. 注册成功(AT+CEREG? 返回已注册)
 4. 建立 PDP 上下文(AT+CGACT)
 5. 通过 UDP/CoAP 上报数据 ──────► 数据中心

核心 AT 指令：

AT 指令	作用
AT+CFUN=1	射频打开
AT+CEREG?	查网络注册状态（0/1=已注册，5=漫游注册）
AT+CGATT=1	PS 附着
AT+CGACT=1	激活 PDP 上下文
AT+CSCON?	查连接状态
AT+CEDRXRDP	配置 eDRX
AT+CPSMS	配置 PSM

六、数据上报方式（UDP/CoAP）

NB-IoT 通常用 UDP 或 CoAP（小包、低开销），而非 TCP/HTTP：

协议	特点
UDP	简单、无连接、开销小
CoAP	基于 UDP 的 RESTful，带确认，适合 NB-IoT（见网络协议篇）
TCP/HTTP	开销大、连接成本高，NB-IoT 慎用

关键理解：NB-IoT 数据包小、连接贵，优先用 UDP/CoAP。一个平台连接（OneNET/CMS 等）通常封装好 UDP/CoAP 上报，设备只需填数据。

七、具体例子

7.1 例 1：NB-IoT 模组入网（AT 指令）

AT                       → OK
AT+CFUN=1                → OK        // 开射频
AT+CEREG?                → +CEREG:0,1 // 已注册网络
AT+CGATT=1               → OK        // 附着
AT+CGACT=1               → OK        // 激活PDP
AT+CSQ                   → +CSQ:15,99 // 信号强度(15/31)

7.2 例 2：UDP 上报数据到平台

/* 通过 UDP 发送温度到服务器 */
udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
server.sin_addr = "120.xx.xx.xx";   // 平台服务器
server.sin_port = 5683;

char payload[] = "{\"temp\":25.5}";
udp_sendto(udp_socket, payload, strlen(payload), &server);

udp_recvfrom(udp_socket, ack, &ack_len, &server);  // 收确认

7.3 例 3：配置 PSM 深度睡眠

AT+CPSMS=1,"","","00100000","00000100"   // 启用PSM，T3324=64s
AT+CFUN=0                                 // 关射频进睡眠
// 睡眠数小时后 TAU 唤醒，检查下行

八、常见坑与排查

问题	可能原因	排查
注册失败	无信号/SIM 未激活/频段错	查 AT+CEREG?、确认 SIM 开通 NB-IoT
上报超时	网络弱、数据包大	用 UDP/CoAP、压缩数据
下发不及时	设备处于 PSM 睡眠	用 eDRX 或设备定时唤醒
功耗高	未启用 PSM、频繁连发	配置 PSM/eDRX，减少上报次数
附着失败	基站拥堵/参数错	检查 APN、重试
连接不稳定	信号弱、移动	加天线、测 RSSI/RSRP