随着物联网（IoT）的热潮以及相应的风险投资增加，形成了一个高度多元化的物联网生态系统。多种无线技术被开发出来，其中一些已经标准化（例如蓝牙、IETF 6TiSCH、LoRaWAN、Weightless、Sigfox等），而许多专有的替代方案不断涌现。所有这些技术都满足着一些应用的需求，或者至少试图满足，这些应用的范围受到技术限制的影响。将新兴应用与现有技术相匹配已经成为物联网倡议的主要挑战之一，尤其是当新技术出现在格局中时，需要重新绘制地图。
物联网最早展现出明确价值主张的一个应用是智能计量。无侵入式远程访问公用事业表具带来了减少读数间隔的能力，从而为用户（例如动态定价和使用模式分析等新服务）和运营商（例如多用户间的负载平衡）带来了新的服务。几乎立即取得的成功部分上造成了物联网应用应当是低功耗和低数据速率的先入之见。这种潜在的偏见至今仍然存在。
作为LTE的延伸，窄带物联网（NB-IoT）在该框架内构思，体现了一套特别适合智能计量用例的规范。3GPP标准组织专注于增强用户设备（UE）的特性，以应对新的物联网市场（图1）。
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例如，与LTE相比，一些限制被放宽了：NB-IoT设备被视为静止的，只间歇性地传输小数据块，并且应用被设想为能够容忍延迟；而其他特性被强化了：需要容纳大量设备（数量级远超LTE设备），通常安装在覆盖较差的地方（例如建筑物的地下室）和/或没有电源供应的地方（这基本上意味着采用电池供电的UE，具有合理的使用寿命）。
在本文中，我们探讨了这种方法所产生的界限，并特别强调了与LTE遗产有关的缺点，同时讨论了针对物联网的优化措施。为此，我们采取了一种务实的视角，将自己置于技术的潜在采用者的立场，并专注于那些在最终用户控制范围内的参数。在这个前提下，我们：
1.分析了NB-IoT核心的主要特性，特别是那些旨在提高覆盖范围和降低功耗的特性。
2.进行了彻底的实验性特性描述，揭示了NB-IoT设备在实际运行中的行为。
3.根据获得的结果为该技术设定了现实的界限。鉴于这些限制，我们质疑了它对不同物联网应用和使用情况的适用性。
4.将NB-IoT与LoRaWAN进行比较，我们认为LoRaWAN是当前低功耗广域网（LPWAN）生态系统中最突出的技术（见图1）。
图1. NB-IoT定位。NB-IoT是3GPP针对新兴的远程、低功耗、低数据速率物联网市场提出的建议
我们的工作旨在补充现有的最新技术。许多研究不仅提供了针对NB-IoT网络能耗的理论模型，还有针对其延迟和延迟界限、覆盖范围扩展的影响、（理论上的）最佳配置策略以及特定行业整体性能的模型。然而，这些工作没有专注于采用者，并没有对该技术在实际网络中部署时进行操作性和经验性分析。我们认为，尽管理论模型具有不可置疑的价值（例如，用于理解数量级或猜测理论上的上下界），但经验方法可以真实地洞察UE在实际条件下的变化。因此，我们的工作作为对相关研究的补充，进一步提供了采用实际世界NB-IoT网络部署的UE的经验性测量数据，始终从应用开发者的角度出发。
文章组织如下。第二部分描述了LTE Release 13中为支持物联网场景而设计的节能和覆盖扩展机制。第三部分从能耗角度和不同实际配置下考察了UE的行为。第四部分基于收集的经验数据呈现了能耗和延迟的概率分布。第五部分将获得的结果与已确立的LPWAN技术LoRaWAN进行比较，以从实际角度评估NB-IoT技术的表现。最后，第六部分总结了本文。
II. LTE针对NB-IoT的优化
NB-IoT在文献中已有详细描述。因此，我们将专注于那些对理解NB-IoT操作权衡至关重要的LTE增强功能，尤其是与前文描述的低功耗和低数据速率相关的内容。
A. 概述
为了说明NB-IoT的运作和不同的节能优化，我们依赖于图2。LTE无线资源控制（RRC）协议仅有两个状态：RRC连接状态和RRC空闲状态。在NB-IoT Release 13中，不支持小区切换和重定向，因此RRC的状态模型变得非常简单。图中（顶部）展示了这两种可能的状态。当用户设备（UE）首次唤醒时，建立网络连接，UE进入RRC连接状态。在连接状态下，UE可以访问网络并请求通信资源。
此时，LTE Release 13已经扩展了LTE节能模式的可配置性，以支持更广泛的能耗和UE通信能力的权衡。NB-IoT中的节能选项包括几种机制：
1.连接释放/恢复：当基站，即Evolved Node B（eNB），释放连接时，UE转换到RRC空闲状态并存储当前的Access Stratum（AS）安全上下文。稍后，UE可以使用该上下文恢复到RRC连接状态，从而避免AS设置并为传输不经常的小数据包节省了大量信令开销。这种机制的主要好处是避免了安全重新协商，本文将在第II-D节中进行讨论。
2.空闲状态下的节能优化：当连接释放时，UE可以进入两种节能模式之一：Extended/Enhanced Discontinuous Reception Mode（eDRX）或Power Saving Mode（PSM）。这两种模式是互补的，它们的目标是在没有数据传输时降低UE的总能耗。eDRX旨在减少UE在空闲等待下行消息时的能耗。在此模式下，UE没有分配资源，而是继续接收网络的广播信息。该机制允许UE发现是否有可接收的数据，从而触发RRC恢复。当eDRX到期或被强制结束时，UE进入PSM。在PSM中，设备关闭无线电，因此无法被网络访问。然而，该机制有助于设备进入更深的硬件休眠模式。
B. NB-IoT中的节能机制
在空闲状态下的eDRX：DRX（Discontinuous Reception）过程被设计用于有效支持下行通信。在RRC空闲状态下，无法从网络请求新资源，但会跟踪Narrowband Physical Downlink Control Channel (NPDCCH)以维持网络同步，并确定是否有待处理的下行数据。能耗效率来自寻呼机制：UE仅监视某些子帧、一组无线帧内的寻呼时刻（Paging Occasions，PO）以及寻呼帧（Paging Frames，PF）。寻呼涉及周期性地在主动监听和睡眠之间交替。当然，这种间断接收会带来一些额外的延迟，这是为节能所付出的代价。在RRC空闲状态下，支持128、256、512和1024无线帧的DRX周期，范围从1.28秒到10.24秒（每个无线帧为10毫秒）。
在LTE中，延长/增强DRX（eDRX）的概念也适用于NB-IoT。如果支持eDRX，UE不监视寻呼消息的时间间隔可以大大延长，最长接近3小时。eDRX周期具有特定的时间段，是超级帧（1024个无线帧，即10.24秒）的倍数。eDRX过程由一组定时器控制，如TableI中所定义。特别是，Active Timer（T3324）控制UE在RRC空闲状态下可以被网络访问的时间间隔，即eDRX周期数。一个eDRX周期由一个主动阶段组成，由Paging Time Window（PTW）定时器控制，范围从2.56秒到40.96秒，然后进入睡眠阶段直至eDRX周期结束。在PTW内，观察标准LTE的寻呼。
连接状态下的eDRX：DRX机制不仅限于RRC空闲状态。在RRC连接状态下，当没有流量时，UE也会交替进行主动监听PO和睡眠周期。在连接模式下，LTE中的DRX值以子帧的倍数（1毫秒）定义，范围为10到2560。在NB-IoT中，允许的值从256开始，但延长至9216，在RRC连接模式下称为增强DRX（C-eDRX）。在仍然连接的情况下，UE可以通过无连接的NB-IoT物理随机接入通道（NPRACH）访问网络并请求通信资源。
图2. NB-IoT中终端设备行为的总结图表。从上到下分别为：（顶部）RRC连接状态，（中部）所涉及的时序，（底部）终端设备与网络之间的无线互动，伴随着示意性地描述的功耗
节能模式：当活动定时器（T3324）到期（或由于其他原因释放连接）时，UE进入PSM（Power Saving Mode）模式。PSM模式完全关闭无线电，因此UE可以进入更深的睡眠状态。在PSM状态下，UE可以随时恢复连接。为此，需要启动恢复流程，直到达到RRC连接状态。然而，正如我们已经提到的，UE保存了上下文；因此，这个过程的开销远远小于建立新连接。显然，由于无线电关闭，UE在PSM期间将无法接收到通知。因此，只有在连接释放时才会注意到下行数据的存在。
配置了一个定时器，称为TAU（Tracking Area Update）或Extended Timer（T3412），使UE定期唤醒以执行跟踪区更新（TAU）。TAU过程类似于LTE的过程；然而，对于NB-IoT，可以将其配置为长达413天的时间段。
C. 覆盖增强
NB-IoT旨在支持在深度室内或偏远地区运行的物联网设备。为了满足这些要求，Release 13增强引入了一套技术，通过利用对数据速率和延迟放宽的物联网要求来改善覆盖范围。与GPRS相比，估计这种改进可以带来+20dB的增益，对应于164dB的最大耦合损耗（MCL）。
为实现这种增益，介绍了两种主要机制：重复和通过多音调操作分配可变带宽。
重复发生在上行通道（例如NPRACH）和下行通道（例如NPDCCH）中，由eNB（直接连接到UE的基站）根据UE接收到并报告的信号强度确定。基于此，eNB建立了一个设备的类别，称为覆盖增强级别（ECL），它基本上确定了重复的次数（上行重复次数限制为2^i，其中i = 1...7）。可能存在多达3个级别，从ECL0用于正常操作到ECL2用于最坏情况。网络确定CE级别的定义方式。
多音调操作跨越多个同时子载波（1、3、6和12），而强制的单音调通信使用单个子载波，将传输延长至一定时间。NB-IoT支持开环功率控制。UE根据接收到的信噪比和eNB进行的传输配置确定传输功率。
所有这些信息通过NPDCCH下行控制信息（DCI）对象发送到UE。在DCI中，通知了上行共享信道（NPUSCH）的起始时间、重复次数、资源分配、子载波指示和调制解调编码方案（MCS）。
D. 安全性
NB-IoT继承了LTE中定义的两个安全级别，即接入层（AS）和非接入层（NAS）安全。AS安全建立在UE和eNB之间，而NAS安全由UE和移动性管理实体（MME）建立和管理。AS和NAS安全是通过一组列在中的可能加密和完整性算法执行的。具体来说，3GPP定义了四种加密算法，称为EPS加密算法（EEA），以及四种完整性算法，称为EPS完整性算法（EIA）。每个安全级别的配置是在UE与eNB或MME之间进行协商后进行的。因此，eNB和MME有一个优先级列表的加密和完整性算法，最终根据UE的安全能力进行选择。关于安全模式的配置，NAS安全始终在AS安全之前进行配置。虽然加密和完整性算法都应用于NAS，但AS中的加密用于RRC和用户平面（UP），而完整性算法仅应用于RRC。
表 I. eDRX定时器摘要
LTE还定义了控制平面（CP）数据传输（在RRC/NAS消息中）作为完全数据无线承载（DRB）IP用户平面（UP）数据传输的低开销替代方案。对于这种数据传输方式，AS级别上不应用安全措施，并且不重新配置RRC连接。这样可以大大减少开销，更适合于短数据交易 - 尽管这是以降低传输安全性为代价的，因为它仅使用NAS安全级别。这个特性在NB-IoT中是强制性的。然而，在进行本工作时，所评估的平台中没有一个能够让最终用户控制这个功能。因此，这个例子呈现了最基本的使用情况，即上行用于发送单个数据报，而下行基本上被忽略了。尽管这种简单的使用模式，但图中显示的复杂性源自底层LTE网络，特别是与诸如LoRaWAN或SigFox等随机接入技术相比。
III. 观察UE行为
从实际角度来看，任何NB-IoT芯片组都可以通过提供的应用程序编程接口（API）进行配置，通常以一组AT命令的形式出现。这个API由3GPP联盟标准化为“用户设备的AT命令集” 。尽管不同的供应商可能通过特定命令或快捷方式扩展它，但所有NB-IoT模块都应该可以通过这个标准化的API进行管理。一般来说，应用程序开发者只能通过API可用的配置选项来访问。这一点很重要，因为尽管NB-IoT标准设计了多个可配置选项，并且许多文章讨论了确定最佳设置的方法，但应用程序开发者只对达到一组操作点具有实际控制权。最佳设置方法可能会导致对特定UE及其与网络匹配的子优化结果，这取决于网络支持的可配置级别。在本节中，我们观察了使用不同配置的UE的能耗特征，并讨论了网络依赖性，特别是那些无法从应用程序端进行控制的依赖性。
图3呈现了在NB-IoT Vodafone网络中运行时从3获得的测量电流跟踪。在图3a中，我们可以观察到UE恢复RRC连接并传输一个512字节的UDP数据报。在数据传输阶段结束后，当任何方向上没有挂起的流量时，UE进入了连接模式下的DRX（C-DRX），在此模式下它以固定时间间隔监视控制信道。图中显示了在唤醒周期期间处于接收模式的无线电峰值。这些峰值间隔为2.048秒，对应于标准中定义的2048个子帧中的一个离散值。网络不活动计时器在20秒无活动后到期，然后UE进入PSM模式。网络提供的不活动计时器和C-DRX都是配置的，无法从UE端更改。出乎意料的是，这种特定芯片在无线电峰值之间的空闲间隙中仍然保持空闲模式（约10 mA），从而浪费了进入深度睡眠的机会。
图3b呈现了一个等效传输的跟踪，但在配置UE以立即释放连接后。在这种情况下，T3324计时器被配置为在UE进入PSM之前以Idle模式下的DRX（I-DRX）保持20秒。在空闲状态下，DRX周期每2.56秒发生一次。这是标准中定义的四个默认paging间隔之一，对应于256个无线电帧。尽管UE可以请求其他尝试值，但网络在我们的测试中没有接受任何其他配置。最后值得一提的是，与之前的RRC连接的情况不同，在RRC空闲状态下，芯片在无线电周期之间进入深度睡眠，将电流耗尽降低到几微安。
在图3c中，我们观察到一个具有即时释放和T3324计时器设置为零（I-DRX禁用）的上行传输。使用这些设置，数据报发送后UE直接进入PSM，并释放RRC连接。
最后，在图3d中，我们观察到一个上行和下行的序列。在这里，UE发送并立即释放连接。Active Timer（T3324）被设置为在传输后将UE转到RRC空闲状态，在该状态下，它继续以I-DRX模式监视控制通道。在连接释放后大约8秒钟之内，服务器使用某些寻呼机会发送通知，指示有针对UE的下行数据。这个事件触发了RRC Resume机制以接收16字节的数据报。在接收之后，UE等待空闲计时器到期（在这个网络中为20秒），然后将连接再次释放到RRC空闲状态。最后，UE等待Active Timer到期（在这个例子中为16秒）然后进入PSM。
图3a
图3b
图3c
图3d
(a) UE处于C-DRX状态下，正在监听控制信道（NPDCCH）。在发送数据报后20秒，即不活动计时器的过期时间后，网络连接被释放。I-DRX被禁用。
(b) 连接在发送数据报后立即释放（没有C-DRX）。模块在I-DRX状态下继续监听20秒。这个值由活动计时器控制。
(c) 连接在发送数据报后立即释放，防止了空闲监听的C-DRX周期。通过将活动计时器设置为零，也禁用了I-DRX。这个设置提供了最小的功耗。
(d)与上图相同的设置。在这种情况下，在I-DRX模式下监听到一个下行消息。当消息被下载时，它会触发一个C-DRX周期，直到不活动计时器过期。
根据以上观察，我们得出以下结论：
i) 就网络活动及因此传输单个数据报所需时间的可变性而言，这值得注意。这可能对能耗产生显著影响，特别是在可预测性方面。
ii) 空闲计时器无法由UE控制。根据网络配置的不同，这可能是一个主要的节能问题，特别是如果芯片在寻呼空闲间隙期间无法进入深度睡眠，就像分析的例子中所示。
iii) 当接收到下行消息时，T3324定时器会被重置。如果下行数据被分段，这将对节能产生负面影响。
iv) 传输功率会动态变化，因为UE根据分配的带宽和路径损耗进行内部调整。这个功能的控制不会通过API暴露，因此这可能导致表面上相同的传输存在差异。例如，可以在图3c中观察到这种行为，传输峰值约为100mA至220mA不等。
最后要说明的是，需要考虑到应用级别的可配置选项侧重于优化UE的下行操作。相比之下，UE对于优化上行操作的选项非常有限，这意味着能源消耗几乎完全受网络状态的支配。
在这一部分，我们探讨了NB-IoT技术在能源消耗方面的性能。还讨论了其他功能方面，比如延迟和可靠性。我们特别感兴趣的是找到NB-IoT的运行边界，我们通过近3000条完整的数据记录来解决这个目标，我们认为这些数据可以很好地代表采用者长期从这项技术中期望得到的结果。每条记录，就像图3中所示的那样，都包括了RRC连接的恢复过程，实际传输，RRC释放以及随后进入PSM的过渡。
为了提供公正的结果，我们使用了来自不同供应商的两个商业平台进行评估。实验是使用Vodafone NB-IoT网络（20频段）进行的，该网络部署在巴塞罗那都市区。
这些测试旨在尽可能地复制第一节中描述的物联网模型，其中智能电表是我们的参考示例。在这个模型中，通信始终是从UE定期报告小数据块开始的。下行通信（偶尔发生）被安排为对这些交易的响应，UE在每次传输后打开一个小的监听窗口。设备在交易之间的空闲期间进入深度睡眠（PSM）。
研究过程中使用了三种不同的UE和网络配置。
Mode 1：监听窗口在RRC连接模式下打开。持续时间由网络管理的空闲计时器决定。
Mode 2：传输后立即释放RRC连接，监听窗口在RRC空闲状态下打开。持续时间由设备的活动计时器决定，因此可配置。
Mode 3：传输后立即释放连接。DRX被禁用（无监听窗口），因此通信基本上是单向的。
这些配置的具体设置总结在表II中。
表II. 评估配置摘要
在我们的实验中，通过连接到天线的衰减器强制施加了不同数值的信噪比（SNR）。这样做的目的是强制执行NB-IoT中设计的提高覆盖范围的机制，主要是重复次数和可变传输功率。值得注意的是，覆盖范围必须由网络运营商通过适当的网络部署规划来保证。因此，NB-IoT的性能必须从采用者/用户的角度在不同覆盖条件下进行评估，即在不同的ECL下进行评估。
我们还强调，许多NB-IoT的特性是用户无法控制的，特别是在上行链路中：传输功率和重复次数是UE和eNB之间协商的，而重传完全取决于网络状态。因此，我们依靠在收集大量样本后进行概率分析。
最后，需要指出的是，诸如UP和CP之类的传输模式优化对于正在评估的平台而言超出了最终用户的控制范围。因此，我们实验活动得出的结果受限于UE内部选择的模式。
A. 总体行为
图4. 在每个测试平台上使用表II中定义的三种网络设置发送单个数据报时消耗的能量
首先的分析旨在了解UE的整体能耗，根据选择的操作模式以及在不同信号质量场景下的情况。该分析还评估了两个平台，以了解是否可以将某些差异归因于特定的硬件。图4显示了每发送一个UDP数据报的能耗，展示了两个设备和三种评估模式（表II）的性能。能耗是通过在事务期间测量的电流迹线在电压供应（3.3V）上的积分获得的。所有结果都根据用于该特定记录的衰减器进行标记。
Mode 1的能耗比其他模式更高。这主要是由于UE在空闲计时器（20秒）每2.04秒监听NPDCCH。在这种模式下，两个供应商平台之间存在显着差异，因为在RRC连接的空闲状态下，该平台似乎没有进入深度睡眠。这种限制可以完全归因于固件/硬件，因此在我们的研究中并不重要。
Mode 2和Mode 3表现类似，即使在Mode 2中，在RRC空闲状态下，上行窗口后会启用8秒的下行窗口。从这个事实我们可以推断出，空闲监听对能耗几乎没有影响，至少当监听窗口很小时。
我们观察到随着接收信号强度降低，能量有轻微增加。我们将这种变化归因于当信号质量较差时，传输功率和重复次数增加。
图5. 每个平台的数据负载大小所对应的数据报能耗
B. 上行功率
图5显示了有效负载大小对能耗的影响。在图中，我们可以观察到两个主要发现：
将数据包大小乘以8几乎不会增加能耗。
对于特定的数据包大小，即使在固定UE的衰减条件之后，能耗存在着巨大的变化。
图 6. 完成传输后由UE报告的信噪比所对应的每个数据报能耗
而图6显示了信噪比对UE能耗的影响。从图中可以观察到，信噪比越低，能耗越高。这主要是因为覆盖范围的扩展发挥了作用。从我们的观察来看，最重要的观察是由于特定UE所感知的信噪比，能耗存在显著的变化。从集成商的角度来看，这在设备电池的尺寸确定时必须考虑，因为根据UE所处的环境（即覆盖水平），电池的寿命预期可能会减少一半甚至更少。
C. 下行功率及其影响
通过eDRX循环实现下行通信。UE监听寻呼时机以便检测是否有任何待下载的下行数据包。正如我们在第四部分中所介绍的，监听寻呼时机的成本很小，因为NB-IoT对无线电正在监听的子帧进行了周期分配。在图7中，我们可以观察到在I-DRX模式下监听一个寻呼帧所需能量的直方图。柱状图表示在我们数据集中所有实验中此类能量发生的次数。
图7. 所有测试中编制的监听寻呼时机产生的能量峰值的能量直方图
图7中我们可以得出以下结论：
相对于发送消息所需的能量（约为数百毫焦耳，参见图5作为参考），跟踪POs所需的能量要小两个数量级（约为几毫焦耳）。
我们无法得出在跟踪POs所需能量和UE的信号衰减之间存在直接关系的结论。虽然最大衰减的传输似乎与更高的能量聚集在一起，但数据并未展现出相同的行为。
能量峰值围绕着离散值聚集，这似乎与重复次数有关。
总的来说，与发送数据包的成本相比，在上行窗口之后短暂开启下行功能所需的成本几乎可以忽略不计。
D. 延迟
NB-IoT被设计用于对延迟要求宽容的应用。在我们的研究中，我们旨在对上述配置下的网络延迟进行实证分析。图8展示了我们测试期间发送的2880个UDP数据包的测量延迟。延迟是指UE传输时间与我们设施内部的一个可通过互联网访问的服务器接收时间之间的差值。值得注意的是，数据包是独立发送的，因此每次传输都需要执行RRC恢复过程。恢复时间已包含在报告的延迟中。
图8. 显示了数据包到达服务器的延迟时间，并显示了延迟与设备上测得能量之间的关系。图中的点根据施加的衰减程度采用不同的颜色进行了区分
从图8中我们可以观察到：
延迟不依赖于消息大小。
延迟越大，能量消耗越大。这是因为设备正在等待消息的确认。
在我们的分析中出现了三个延迟区域。第一个区域包括需要0秒至18秒到达目的地的数据包（2307/2880）。第二个区域对应于需要21秒至39秒的数据包（496/2880）。第三个区域则聚集了需要256秒至270秒的数据包（77/2880）。
有人可能会认为这些区域可以与网络支持的不同ECLs对应。但是图9证明了这个猜测是错误的。正如观察到的，ECL对能量消耗有影响，但对延迟没有影响。
图9.交付延迟及其与测得能量的关系。点按传输后报告的ECL进行分割
基于以上分析并采取采纳者的观点，我们想强调一些观察结果。首先，两个因素的组合，即在LTE内部的适应性（信令开销）和覆盖增强（例如重复），会产生复杂的行为和高度的变异性。这种变异性反映在能量消耗上，并导致电池寿命预测的不确定性较高，因此导致类似设备之间存在着差异行为。这是为了在NB-IoT中保证可靠性所付出的代价，对于那些寿命预测至关重要的应用（例如受服务级别协议（SLA）约束的应用），这一点必须予以考虑。其次，尽管NB-IoT是为延迟容忍的应用而设计的，但在某些情况下，几十秒甚至几分钟的延迟可能是不可接受的。最后，就像LTE网络一样，应用开发人员必须意识到所描述的变异性不在他们的控制之下。
V. NB-IOT POSITIONING
NB-IoT是3GPP对LPWAN技术需求的回应，它开始与市场上已经建立起来的技术竞争，例如LoRaWAN、无线M-BUS和Sigfox（见图1）。其中，LoRaWAN是最受欢迎的技术，因为它能够支持从小型到大型网络的即插即用简单部署，而无需涉及运营商。此外，LoRaWAN操作的网络可以通过不同的服务提供商进行，包括像The Things Network这样的开放和免费社区。由于LoRaWAN是一个主要竞争对手，我们的目标是将NB-IoT与其进行比较。
图10.显示了NBIoT能量痕迹与LoRaWAN的箱线图比较。图中的箱体代表中位数、第一和第三四分位数。晶须表示5th-95th百分位数，黑色十字表示均值。LoRaWAN的值根据不同的扩频因子和大小进行了描绘
A. 每个消息的能耗
图10比较了这两种技术在传输应用层消息时所需的能量。在NB-IoT的结果中，我们使用了前面部分描述的实验结果。正如前面提到的，NB-IoT在能量消耗方面存在着高度的变异性。为了考虑这种变异性，使用了箱线图来描述中位数、第一和第三四分位数。晶须表示5th-95th百分位数。平均值也包括在内，为了完整性考虑，并标有黑色十字，因为这些分布不对称。
然而，尽管NB-IoT具有很高的可变性，但它保证了消息的传递。第二层的可靠性机制使得应用能够依赖网络基础设施来确保传递。相反，总体上基于Aloha的LPWAN，特别是LoRaWAN，在下行链路方面存在限制，这是由于工业科学和医学（ISM）频段的占空比规定。由于无法通过下行通道为所有消息发送确认消息，用户被迫开发自己的策略（例如重复发送），其影响难以量化。例如，SigFox进行3次重传，因此相应地增加功率。即便如此，传递并不保证。此外，LoRaWAN的时分多址接入方法已在文献中进行了探讨。这些方法需要解决占空比限制的问题，因此它们的性能和可伸缩性相当有限。
这两种技术之间的基本差异使得它们难以公平地进行比较。在图10中，我们用垂直条形图描述了LoRaWAN的能耗情况。针对每个扩频因子（SF7-SF12），我们测量了传输LoRaWAN消息所需的能量，考虑了每个扩频因子支持的最大数据包大小（51 B、112 B和251 B）。因此，对于每个条形图，下限对应于仅发送每个数据包一次，既不重传也不重复发送，因此无法保证传递。这因此将是LoRaWAN在最理想情况下的下限。而每个条形图的上限则对应于对每个数据包进行3次重传（相当于Sigfox的策略）。因此，用来进行比较的确切值将取决于具体的应用（策略）和网络状态。
从图中我们可以观察到，对于小数据包，发送一个NB-IoT数据包所需的平均能量与以SF11-SF12传输一个LoRaWAN数据包相当。较大的数据包只能以较小的扩频因子发送，这限制了LoRaWAN相比NB-IoT的覆盖范围。因此，对于大数据包，NB-IoT提供了更好的覆盖范围和网络容量。对于小有效载荷，LoRaWAN允许使用最高的扩频因子（SF11和SF12），这意味着更广泛的覆盖范围。如果在这些情况下需要一些额外的机制来保证传递，我们可以从图中看到，LoRaWAN的能耗不仅与NB-IoT的最差情况相当，而且比平均情况要高得多。
一个简单的周期性报告应用，具有非常有限的计算要求5，其平均功耗可以用近似的方程式（1）来建模，如所述：
周期性报告意味着消息之间的时间（方程式中的TMSG）可以被视为一个恒定的参数。
然而，由于NB-IoT所示的能源变化性，必须根据应用需求选择每条消息的能耗估算（EMSG），从非常乐观（最佳情况）到最悲观（最坏情况）不等
为此，我们使用记录的数据作为概率模型，以最佳/最坏情况的第5/95百分位数和平均值作为长期行为的估计。得到的数值与使用LoRaWAN的最佳情况设置进行比较。表III显示了在1小时报告间隔下配置为不重传、不重复的LoRaWAN下限（无重传、无重复）时，NB-IoT的平均功耗与LoRaWAN的比较。可以看出，NB-IoT的平均值与LoRaWAN设备在使用SF12配置发送时所需的能耗相似。对于NB-IoT的第5百分位数结果（最佳观察性能），与LoRaWAN在SF8运行的最佳情况性能相当。在我们看来，这是一个相关的结果，因为NB-IoT保证了使用类似能耗的数据包传输。表格 IV 计算了两种技术的预期寿命，考虑到每小时报告 N 字节的应用，并假设使用 1 安时的电池。
NB-IoT 的预期可实现寿命（平均）大约为 2-3 年，取决于数据包大小。这些数值与 LoRaWAN 相当，SF12 在 51 字节消息中每小时发送平均高达 64 字节。然而，采用者可能需要考虑一些差异。首先，发送更大的消息（最高达 512 字节）对 NB-IoT 几乎没有影响。LoRaWAN 对待待发送的字节数更为敏感。总体而言，LoRaWAN 在短消息方面表现更佳，但在一个数据块中需要传输超过一个消息时会面临很高的惩罚。其次，LoRaWAN 的可靠性机制必须在更高层面上得到保证，因此可能会产生更高的能源成本。另一方面，尽管平均功耗相当，LoRaWAN 无线电传输的峰值约为 40 毫安，而在 NB-IoT 中可达到 220 毫安。这会对电池造成额外的压力，需要小心管理。
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VI. 结论
本文从实证角度评估了 NB-IoT 的性能边界，这使得我们能够考虑应用开发者在采用此技术时的立场。这种方法旨在帮助采用者对应用行为进行表征，因为他们无法控制或参数化涉及的所有内容，例如信令、由网络条件触发的动态调整以及控制 NB-IoT 访问的时间。NB-IoT 在能源消耗方面已经证明具有竞争力，这表明 3GPP 为达到其他 LPWAN 技术的性能而作出了努力，即使意识到后者是从头开始设计，主要目标是优化功耗。因此，为了选择最适合每种应用的技术，必须考虑其他特性。其中包括：
专有频谱：NB-IoT 友好地与 LTE 共存于专有频谱部分。使用 ISM 频段的技术共享频谱，可能受到外部干扰。然而，正如我们在适应蜂窝网络结构时所看到的，设备行为的复杂性增加，最终导致了高度的不可预测性。
可靠性：NB-IoT 网络保证传输的可靠性。这是一个重要方面，因为像 LoRaWAN 这样的替代方案可能会因为保证传输而产生重大能源成本，因为它们也受到占空比规定的严重限制。如果可靠性很重要，这可能是一个决定性因素。
延迟容忍度：在 NB-IoT 中低功耗的代价是传输时间的高度可变性。在我们看来，这可能是某些应用中使用 NB-IoT 的主要障碍之一。
数据速率：LPWAN 领域中的大多数竞争对手都被设计成每小时甚至每天传输少量字节。如果应用偶尔需要高带宽，NB-IoT 可能是一个不错的选择。
所有权模型：NB-IoT 作为一项连接服务提供，按每传输字节收取一定价格的合同。基础设施由运营商拥有，因此信号覆盖取决于部署的基础设施，这反过来限制了应用所有者的控制。例如，LoRaWAN 允许用户通过部署更近的网关来降低设备的能源消耗。此外，部署在偏远地区的应用可能需要其他类型的网络，例如自管理的 LoRaWAN 网关所提供的网络。
学术引用：
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