一. NB總體網絡架構
NB-IoT端到端系統架構如下圖所示：
終端：UE（User Equipment），通過空口連接到基站（eNodeB（evolved Node B , E-UTRAN 基站））。
無線網側：包括兩種組網方式，一種是整體式無線接入網（Singel RAN），其中包括2G/3G/4G以及NB-IoT無線網，另一種是NB-IoT新建。主要承擔空口接入處理，小區管理等相關功能，並通過S1-lite接口與IoT核心網進行連接，將非接入層數據轉發給高層網元處理。
核心網：EPC（Evolved Packet Core），承擔與終端非接入層交互的功能，並將IoT業務相關數據轉發到IoT平台進行處理。概括說明不全面，詳細見下文。
平台：目前以電信平台為主。
應用服務器：以電信平台為例，應用server通過http/https協議和平台通訊，通過調用平台的開放API來控制設備，平台把設備上報的數據推送給應用服務器。平台支持對設備數據進行協議解析，轉換成標准的json格式數據。
二. 網絡結構細化
2.1 結構框圖
將上圖EPC部分進行細化，如下：
MME：Mobility Management ，移動性管理實體（一個信令實體），接入網絡的關鍵控制節點。負責空閑模式UE的跟蹤與尋呼控制。通過與 HSS（Home Subscribe Server，歸屬用戶服務器） 的信息交流，完成用戶驗證功能。
SCEF：Service Cability Exposure Function ，服務能力開放單元，為新增網元，支持對於新的PDN類型Non-IP的控制面數據傳輸。
S-GW：Serving GW ，服務網關，負責用戶數據包的路由和轉發。對於閑置狀態的UE，S-GW則是下行數據路徑的終點，並且在下行數據到達時觸發尋呼UE。
P-GW：Packet Data Network gateway ，PDN網關（分組數據網網關），提供UE與外部分組數據網絡連接點的接口傳輸，進行業務上下行業務等級計費。
2.2 部分接口解釋
X2接口
X2接口用以再eNodeB和eNodeB之間實現信令和數據交互。在NB-IoT系統中，X2接口在基於R13的版本不支持eNodeB間的用戶面操作，主要在控制面引入了新的跨基站用戶上下文恢復處理。在用戶面優化傳輸方案下，掛起的終端移動到新基站發起RRC連接恢復過程，攜帶先前從舊基站獲得的恢復ID，新基站再X2接口向舊基站發起用戶上下文獲取流程，從舊基站獲取終端在舊基站掛起時保存的用戶上下文信息，以便在新基站上將該UE快速恢復。
S1接口
S1接口的控制面用以實現 eNodeB 和 MME 之間的信令傳遞，S1接口的用戶面用以實現 eNodeB 和 SGW 之間的用戶面數據傳輸。在NB-IoT系統中，S1接口引入的新特性主要包括：無線接入技術（RAT）類型上報（區分 NB-IoT 或 E-TURAN接入）、UE無線能力指示（例如，允許 MME 通過下行NAS傳輸消息向 eNodeB 發送用戶設備（UE）的無線能力）、優化信令流程支持控制面優化傳輸方案，以及為用戶面優化傳輸方案在S1接口引入連接掛起和恢復處理等。（此段內容參考：NB-IOT 系統現狀與發展 ）
三. 傳輸方式
首先，從傳輸內容看，可以傳輸三種數據類型：IP，Non-IP，SMS（短消息）。
由於單小區內 NB-IoT 的終端數量遠大於 LTE 終端數，因此控制面的建立和釋放次數遠大於 LTE，例如 RCC 連接建立、釋放等；另一方面，為了發送和接收很少字節的數據，終端從空閑態進入連接態消耗的網絡信令開銷遠大於數據載荷本身；此外，基於 LTE/EPC 復雜的信令流程，對終端的能耗也帶來了挑戰。
因此，從系統架構這個層面上看，控制面和用戶面的效率都需要對 NB-IoT 做增強與優化。下面將 NB-IoT傳輸優化方案分為兩種，控制面傳輸優化方案與用戶面傳輸優化方案，分別進行說明。
注：關於用戶面與控制面，簡單理解：控制面主要承載無線信令，負責 UE 接入、資源分配等；用戶面主要承載用戶數據。
3.1 控制面傳輸
控制面數據傳輸方案針對小數據傳輸進行優化，支持將IP數據包、非IP數據包或SMS封裝到PDU中進行傳輸，無須建立DRB（無線承載）和基站與S-GW間的S1-U承載。
當采用控制面傳輸方案時，小包數據通過NAS信令隨路傳輸到MME，並通過與S-GW間建立S11-U連接，完成小包數據在MME與S-GW間的傳輸。當SGW收到下行數據時，如果S11-U連接存在，SGW 將下行數據發給MME，否則觸發MME 執行尋呼。
這里得出在控制面傳輸方案下兩個傳輸路徑：
UE —— eNodeB —— MME —— S-GW —— P-GW
UE —— eNodeB —— MME —— SCEF
3.2 用戶面傳輸
用戶面傳輸通過重新定義的掛起流程與恢復流程，使空閑態用戶快速恢復到連接態，減少相關空口資源和信令開銷。當終端從連接態進入空閑態時，eNodeB、核心網掛起暫存該終端的AS信息，S1AP關聯信息和承載上下文，終端存儲AS信息，MME存儲終端的S1AP關聯信息和承載上下文，有數據傳遞時快速恢復，不需要重新建立承載和安全信息的重協商。
另一方面，小數據報文通過用戶面直接進行傳輸時，需要建立S1-U和DRB。
3.3 流程框圖
注1：MME——SCEF的控制面傳輸針對Non-IP模式，此種模式下資費規則需重新配置。Non-IP數據亦可通過PGW進行控制面或數據面傳輸，需建立SGi接口的PtP隧道。
注2：圖中用戶面傳輸為數據傳輸流程示意，建立RRC連接以及掛起的信令通過 MME-SGW-PGW，具體信令流程后續寫。