NB-IoT的协议和信令流程在LTE技术基础上进行了精简。在网络功能方面，NB-IoT网络面对移动物联网深覆盖、低成本、低功耗和海量连接的需求，通过优化信令流程、数据传输方案、移动性管理方案，适应NB-IoT终端低速低频次的数据传输需求，辅助终端实现省电和降低成本。
NB-IoT的关键技术流程主要包括：接入及移动性管理、数据传输、Non-IP、短消息及后续演进的关键技术流程等，本章将着重介绍这些关键流程与LTE流程的差异。
1 附着
附着是UE进行业务前在网络中的注册过程，主要完成接入鉴权和加密、资源请求和注册更新以及默认承载建立等过程。附着流程完成后，网络记录UE的位置信息。
与LTE的附着流程相比，NB-IoT的附着流程主要有以下差异：
1)NB-IoT UE可以支持不建立PDN连接的附着，即可以跳过在MME和S-GW、P-GW之间建立会话的信令流程。
2)如果NB-IoT UE和网络同时支持控制面优化数据传输方案，那么当UE在附着过程中请求建立PDN连接时，网络侧可决决定不建立无线数据承载，UE和MME之间通过NAS消息来传输用户数据)。
2 去附着
去附着可以是显式去附着，由网络或UE通过明确的信令方式来去附着UE;也可以是隐式去附着，指网络可以注销UE，但不通过信令方式告知UE。
去附着流程包括UE发起的过程和网络发起(MME/HSS发起)的过程，与LTE的去附着流程相比，NB-IoT的去附着流程主要有以下变化：
1)如果UE存在激活的PDN连接，那么两者的去附着流程无差异。
2)如果UE不存在激活的PDN连接，则不需要MME和S-GW、P-GW之间去附着的信令流程。
3 TAU
与传统E-UTRAN终端进行跟踪区更新相比，NB-IoT终端触发跟踪区更新新增如下情况：
UE优先网络行为(Perferrred Network Behaviour)信息的变化可能导致与其接入的MME提供的支持网络行为(SupportedNetwork Behaviour)信息不同。
其他流程上的差异点和附着流程的差异点基本相同。
4 控制面优化传输方案
控制面优化数据传输方案，针对发送频率低的小数据包传输进行优化设计，通过将IP数据包、Non-IP数据包或SMS封装到NAS协议数据单元中传输，无须建立无线数据承载和S1-U承载。
控制面数据传输，通过RRC、S1-AP协议的NAS消息，以及MME和S-GW之间的S11-U用户面隧道来实现。对于Non-IP数据，也可以通过MME与SCEF之间的连接来实现。
对于IP数据，UE和MME基于IETF RFC 4995定义的ROHC框架协商IP头压缩功能相关参数并执行IP头压缩。
对于上行数据，UE执行ROHC压缩器的功能，MME执行ROHC解压缩器的功能;对于下行数据，MME执行ROHC压缩器的功能，UE执行ROHC解压缩器的功能。UE和MME绑定上行和下行ROHC信道以便传输反馈信息。
头压缩相关配置在PDN连接建立的过程中完成。对于Non-IP数据，不执行IP头压缩功能。为了避免NAS信令PDU和NAS数据PDU之间的冲突，MME应在EPS移动性管理和EPS会话管理NAS流程(如鉴权、安全模式命令、GUTI重分配等)完成之后，再发起下行NAS数据PDU的传输。
5 用户面优化传输方案
用户面优化数据传输方案针对报文较大的数据传输优化了用户面连接重建流程，无须使用Service Request流程来建立eNodeB与UE间的接入层(AS)上下文。
用户面优化数据传输方案主要包括连接挂起(ConnectionSuspend)和连接恢复(Connection Resume)流程，UE执行初始连接建立时在网络和UE侧建立了AS承载和AS安全上下文，之后eNodeB通过Connection Suspend流程挂起RRC连接。
当UE处于ECM-IDLE状态时，任何NAS触发的后续操作(包括UE尝试使用控制面方案传输数据)将促使UE尝试Connection Resume流程。如果Connection Resume流程失败，UE将暂缓NAS信息传输流程。为维护UE在不同eNodeB间移动时用户面优化数据传输方案，AS上下文信息应可以在eNo-deB间传送。
使用Connection Suspend流程时：
1)UE转换到ECM-IDLE状态，并存储AS上下文。
2)eNodeB在挂起RRC连接时存储UE的AS上下文、S1-AP关联信息和承载上下文。
3)MME存储进入ECM-IDLE状态下UE的S1-AP关联和承载上下文。
使用Connection Resume流程时：
1)UE使用Connection Suspend流程中存储的AS信息来恢复到网络的连接。
2)eNodeB(有可能是新的eNodeB)将UE连接恢复的信息告知MME，则MME进入到ECM-CONNECTED状态。
当MME存储了一个UE的S1-AP关联，而它又从另一个该UE关联的逻辑S1连接中收到该UE的LTE移动性管理流程(MME改变的TAU流程，或UE重附着时的SGSN上下文请求，或UE去附着)，则该MME及先前涉及的eNodeB应使用S1 Release流程删除存储的S1-AP关联。
6 控制面优化和用户面优化传输共存当用户采用控制面方案传输数据时，如有大数据包传输需求，则可由终端或者网络发起由控制面方案到用户面方案的转换，并在会话建立或TAU流程中网络为S11-U和S1-U分配不同的F-TEID(Full Qualified Tunnel Endpoint Identifier，全量隧道端点标识)，此处的用户面方案包括普通用户面方案和用户面优化方案。
空闲态用户通过Service Request流程发起控制面到用户面方案的转换，MME收到终端的Service Request后，需删除和控制面方案相关的S11-U信息和IP头压缩信息，并为用户建立用户面通道。
连接态用户的控制面到用户面方案的转换可以由终端通过Control Plane Service Request流程发起，也由MME直接发起。MME收到终端Control Plane Service Request消息时，或者检测到下行数据包超过一定阈值时，MME删除和控制面方案相关的S11-U信息和IP头压缩信息，并为用户建立用户面通道。
在控制面优化数据传输的会话建立或S-GW改变的TAU过程中，S-GW返回给MME的Cre-ate Session Response中同时携带S11-U和S1-U F-TEID，MME保存S1-U F-TEID并在控制面转用户面优化时将保存的S1-U F-TEID发给eNodeB用于建立用户面通道。在MME改变的TAU过程中，旧的MME需将保存的S1-U F-TEID发给新的MME，保证TAU后新的MME可以完成控制面优化数据传输至用户面优化数据传输的转换。
7 Non-IP数据传输方案
在一些物联网应用中，终端发送数据报文字节较小(一般在20～200B之间)，但IP数据报文头所占用字节数就有20B或40B，导致数据报文在传输过程中的有效字节数较低。在这种场景下，NB-IoT终端可以采用Non-IP Data Over NAS进行数据传输，减小传送数据包的大小，提高传输效率，节省终端电池功耗。
Non-IP数据传输包括终端发起(MO)的和终端接收(MT)的数据传输两部分。NB-IoT为Non-IP数据传输新增了一种PDN类型“Non-IP”。将Non-IP数据传输给SCS/AS，可以有基于SCEF的Non-IP数据传输和基于P-GW的Non-IP数据传输两种方案。MME根据APN对应的In voke SCEF Selection参数决定是否采用SCEF方案。
8 短消息方案
为丰富NB-IoT的数据业务能力，NB-IoT终端还可通过短消息进行数据传输。NB-IoT终端在请求短消息服务时，可以不用像传统的LTE终端发起联合的EPS/IMSI附着，只需附着到EPS网络，通过MME与MSC的交互实现短消息数据传输业务，该方案降低了NB-IoT终端的复杂度。
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