窄带物联网NB-IoT(Narrowband Internet of Things)是3GPP为智能电表、环境监测等低速率物联网应用场景提出的一种低功耗广域LPWA(Low Power Wide Area)技术,面临海量连接、超低功耗、广域覆盖与深度覆盖等技术挑战,并在低功耗方面提出了“终端使用5W?h电池可达到10年的寿命周期”的要求。与现有其他低功耗广域覆盖技术(如LoRa等)相比,NB-IoT采用授权频段,可与现有网络并存,在深度覆盖、大密度连接场景下可提供更好的通信服务质量,但相应牺牲了节点成本及电池寿命。为延长NB-IoT终端电池使用寿命,3GPP提出了扩展型非连续接收eDRX(extended Discontinuous Reception)机制,并增加了具有更低能耗的PSM(Power Saving Mode)节能态。根据NB-IoT所承载的业务特征和eDRX机制特性,本文围绕NB-IoT低功耗问题进行了如下研究工作:(1)根据NB-IoT业务的应用场景特征和业务传输间隔,NB-IoT业务可分成三类:周期自动报告业务MAR-P(Mobile Autonomous Reporting Periodic Reports)、异常自动报告业务MAR-E(Mobile Autonomous Reporting Exception Reports)和软件升级/重配置SUR(Software Upgrade/Reconfiguration)业务。本文分别在MAR-P、MAR-E和SUR三类业务场景下,为NB-IoT eDRX和PSM机制建立了以终端工作状态为状态变量的马尔科夫模型并给出相应的功耗与时延模型,其中“连接态”被分为“随机接入态”和“数据收发态”以评估因海量用户并发入网产生的碰撞带来的额外能耗。(2)鉴于MAR-P业务的发生频次最高,本文重点分析了终端承载MAR-P业务时电池使用寿命及业务时延,提出以随机接入及数据传输成功率为约束、最大化电池使用寿命为目标的优化设计方案,以保证海量NB-IoT终端同步入网及恶劣通信环境下业务的传输成功率。此外,本文定义了单次业务传输成功率,并以业务成功率和业务时延作为通信性能指标以观察eDRX、PSM机制对MAR-P业务传输的影响。仿真结果表明:终端可通过减小最大随机接入次数和最大数据重传次数以延长电池使用寿命,但会减小业务传输成功率,并引起业务时延的增加;本文所提出的以最大化电池寿命为目标优化方案,可在不同PSM休眠周期(即不同业务传输间隔)、不同通信环境下,将业务成功率维持在较高水平,以满足业务通信需求。(3)考虑到处于环境监测类应用场景的NB-IoT终端可引入能量采集机制,因此结合eDRX周期性接收和传输的特性为引入能量采集机制的NB-IoT终端建立了能量队列和数据队列模型,并定义了能量供应率和平均时延以分析终端中能量采集性能和数据收发性能的制约关系;NB-IoT终端在环境监测类应用场景中面临着MAR-E与MAR-P业务并存的通信场景,因此结合3GPP对MAR-E业务提出了时延不超过10秒的限制要求,为引入能量采集机制的NB-IoT终端提出了以权重可调的最大化能量供应率和最小化平均时延为多目标的优化设计模型。仿真结果表明:终端可通过减小eDRX周期以减小平均时延,但会减小能量供应率;本文针对NB-IoT能量采集终端所提出的eDRX周期优化配置方案可使优化后的能量供应率及平均时延分别满足系统对能量采集机制与数据收发机制的性能要求。