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1G-2G-3G-4G-5G

 

不解釋?zhuān)磮D，看看NB-IoT在哪里？

 

2 

NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化歷程

 

 

3GPP NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化始于2015年9月，于2016年7月R13 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)完成。

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NB-IoT設(shè)計(jì)目標(biāo)和用例

 

NB-IoT主要面向大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)連接應(yīng)用，其設(shè)計(jì)目標(biāo)：

?低成本、低復(fù)雜性：模塊成本小于5美元，2020年目標(biāo)2-3美元

?增強(qiáng)覆蓋：164 dB MCL，比GPRS強(qiáng)20dB

?電池壽命：10年

?容量：約55000連接設(shè)備/小區(qū)

?上行報(bào)告時(shí)延：小于10S

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NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)
 

如何增強(qiáng)覆蓋？
 

    什么叫覆蓋？就是最大耦合損耗(Maximum Coupling Loss，MCL），從基站天線端口到終端天線端口的路徑損耗。

 

簡(jiǎn)單定義：

• 上行MCL=上行最大發(fā)射功率-基站接收靈敏度。
• 下行MCL=下行最大發(fā)射功率-終端接收靈敏度。

NB-IoT的MCL為164 dB。
 

①提升上行功率譜密度

 

    上下行控制信息與業(yè)務(wù)信息在更窄的LTE帶寬中發(fā)送，相同發(fā)射功率下的PSD（Power Spectrum Density）增益更大，降低接收方的解調(diào)要求。

    NB-IoT上行功率譜密度增強(qiáng)17dB，考慮GSM終端發(fā)射功率最大可以到33dBm，NB-IoT發(fā)射功率最大23dBm，所以實(shí) 際NB-IoT終端比GSM終端功率譜密度高7dB。

②重傳

    重傳就是在多個(gè)子幀傳送一個(gè)傳輸塊。Repetition Gain=10log  Repetition Times，也就是說(shuō)重傳2次，就可以提升3dB啊。NB-IoT最大可支持下行2048次重傳，上行128次重傳。

    另：接收端無(wú)需譯碼處理增益（約 3-4dB）。

如何降低成本？

①減少協(xié)議棧處理開(kāi)銷(xiāo)

 

    如上圖所示，NB-IoT舍棄了LTE物理層的上行共享信道(Physical Uplink Control Channel, PUCCH)、物理混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求或指示信道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH)等。
 

②減少不必要的硬件

單天線和FDD半雙工模式，降低RF成本。

 

    Release 13 NB-IoT僅支持FDD 半雙工模式，意味著不必同時(shí)處理發(fā)送和接收，比起全雙工成本更低廉，更省電。

 

另：低速率和低帶寬本身意味著芯片處理復(fù)雜度降低。

如何省電？

①PSM（power saving mode）

    怎樣最省電？當(dāng)然是“關(guān)機(jī)”最省電啊。
 

    手機(jī)需要時(shí)刻待命，不然有人打電話(huà)給你找不到怎么辦？但這意味著手機(jī)需不時(shí)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，這是要耗電的。

 

    但物聯(lián)網(wǎng)終端不同于手機(jī)，絕大部分時(shí)間在睡覺(jué)，每天甚至每周就上報(bào)一兩條消息，完事后就睡覺(jué)。所以它不必隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，PSM就是讓物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)完數(shù)據(jù)就進(jìn)入休眠狀態(tài)，類(lèi)似于關(guān)機(jī)，不進(jìn)行任何通信活動(dòng)。

②eDRX

    DRX(Discontinuous Reception)，即不連續(xù)接收。eDRX就是擴(kuò)展的不連續(xù)接收。

    手機(jī)可以斷斷續(xù)續(xù)的接收信號(hào)以達(dá)到省電的目的。NB-IoT擴(kuò)展了這個(gè)斷續(xù)間隔，可擴(kuò)展至2.91小時(shí)，更加省電。

    此外，NB-IoT只支持小區(qū)重選，不支持切換，這減少了測(cè)量開(kāi)銷(xiāo)；對(duì)空口信令簡(jiǎn)化, 減小了單次數(shù)傳功耗。

5 

NB-IoT與LTE有什么不同？

先來(lái)簡(jiǎn)單回憶一下LTE...

 

    無(wú)線幀長(zhǎng)10ms，子幀1ms，時(shí)隙0.5ms，每無(wú)線幀內(nèi)10個(gè)子幀，一個(gè)子幀2時(shí)隙，下行采用正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)，子載波間隔15kHz...多么熟悉的身影。

    NB-IoT也是一樣的。NB-IoT是基于FDD LTE技術(shù)改造而來(lái)，包括幀結(jié)構(gòu)、下行OFDMA、上行SC-FDMA、信道編碼、交織等大部分沿用LTE技術(shù)，可以理解為一種簡(jiǎn)化版的FDD LTE技術(shù)。

    這正是NB-IoT被號(hào)稱(chēng)為史上最快完成的通信標(biāo)準(zhǔn)的主要原因（半年多就完成），這帶來(lái)的另一個(gè)好處是與現(xiàn)有LTE相容，減少NB-IoT的設(shè)備和軟件投入，以快速搶占物聯(lián)網(wǎng)風(fēng)口。

    但也有不同之處。以下章節(jié)我們一邊介紹NB-IoT，一邊對(duì)比LTE。
 

5.1 傳輸方案

下行傳輸方案

    NB-IoT下行與LTE一致，采用正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)，子載波間隔15kHz，時(shí)隙、子幀和無(wú)線幀長(zhǎng)分別為0.5ms、1ms和10ms，包括每時(shí)隙的OFDM符號(hào)數(shù)和循環(huán)前綴（cyclic prefix）都是與LTE一樣的。

    NB-IoT載波帶寬為180KHz，相當(dāng)于LTE一個(gè)PRB(Physical Resource Block)的頻寬，即12個(gè)子載波*15KHz/子載波=180KHz，這確保了下行與LTE的相容性。比如，在采用LTE載波帶內(nèi)部署時(shí)，可保持下行NB-IoT PRB與其它LTE PRB的正交性。

 上行傳輸方案

     NB-IoT上行支持多頻傳輸（multi-tone）和單頻（single- tone）傳輸。

 

 

    多頻傳輸基于SC-FDMA，子載波間隔為15kHz，0.5ms時(shí)隙，1ms子幀（與LTE一樣）。單頻傳輸子載波間隔可為15KHz以及3.75KHz，其中15KHz與LTE一樣，以保持兩者在上行的相容性；其中當(dāng)子載波為3.75KHz時(shí)，其幀結(jié)構(gòu)中一個(gè)時(shí)隙為2ms長(zhǎng)（包含7個(gè)符號(hào)），15KHz為3.75KHz的整數(shù)倍，所以對(duì)LTE系統(tǒng)有較小的干擾。

    與下行一樣，NB-IoT上行總系統(tǒng)帶寬為180KHz。

5.2 部署方式

    眾所周知，NB-IoT分為三種部署方式：獨(dú)立部署（Stand alone）、保護(hù)帶部署（Guard band）和帶內(nèi)部署（In-band）。獨(dú)立部署適用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200KHz，這剛好為NB-IoT 180KHz帶寬辟出空間，且兩邊還有10KHz的保護(hù)間隔。保護(hù)帶部署利用LTE邊緣保護(hù)頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊。帶內(nèi)部署利用LTE載波中間的任何資源塊。

不過(guò)，上一段的最后一句話(huà)是錯(cuò)誤的。在帶內(nèi)部署模式下，有些PRB，NB-IoT是不能占用的。

    與LTE一樣，NB-IoT終端在開(kāi)機(jī)并搜索載波（小區(qū)）時(shí)，會(huì)在可能的頻率范圍內(nèi)重復(fù)PSS/SSS的搜索和檢測(cè)過(guò)程，直至搜索到相應(yīng)的載波（NB-IoT錨定載波），頻率掃描的柵格（raster）大小為100kHz。

    所謂柵格（raster）也是用于調(diào)整LTE載波頻率位置的最小單位，表示各個(gè)頻點(diǎn)間的間隔應(yīng)該是100KHz的整數(shù)倍，相當(dāng)于一條高速路劃分為若干車(chē)道，兩個(gè)車(chē)道之間的中心距離為100KHz的整數(shù)倍。手機(jī)終端在頻率掃描是就是按100KHz整數(shù)倍來(lái)掃描的。

    這個(gè)100KHz的頻率掃描柵格（raster）意味著在帶內(nèi)部署時(shí)，NB-IoT錨定載波必須位于確定的PRB中。例如，對(duì)于10MHz帶寬的LTE,NB-IOT既不能占用同步和廣播信道所在的PRB,又要滿(mǎn)足100kHz raster要求, 因此其帶內(nèi)NB-IoT只能位于4, 9, 14, 19, 30, 35, 40, 45號(hào)PRB。

另外，還要做2.5kHz offset。（還真特么麻煩）

    如上圖，以NB-IoT帶內(nèi)部署于10MHz LTE帶寬為例，DC子載波右邊的PRB為#25，其中心頻率為97.5kHz（相當(dāng)于6個(gè)子載波），這就與最近的100KHz柵格有2.5KHz的偏差。

    由于DC子載波之上的兩個(gè)相鄰PRB的中心頻率間隔為180KHz，因此，#30、#35、#40和#45 PRB的中心頻率均為離最近的100KHz柵格有2.5KHz的偏差。（只要做了2.5KHz偏差，就可以滿(mǎn)足100KHz柵格要求）。

    再看上圖，對(duì)于10MHz和20MHz LTE載波，有一些PRB滿(mǎn)足離最近的100KHz柵格有2.5KHz偏差。然而，對(duì)于3MHz，5MHz和15MHz的LTE載波帶寬，這些PRB離最近的100KHz柵格偏差至少為7.5kHz。

所以，這里留一道作業(yè)題，像聯(lián)通900M只有6M帶寬這種情況，怎么辦？

    與帶內(nèi)部署模式相似，保護(hù)帶部署模式下，NB-IoT的錨定載波也需滿(mǎn)足其中心頻率與最近的100KHz柵格不超過(guò)7.5KHz偏差，因?yàn)榻K端在小區(qū)搜索時(shí)，其柵格偏差需滿(mǎn)足7.5KHz以下，才能完成網(wǎng)絡(luò)同步。

    NB-IoT支持多載波配置，其載波可分為兩類(lèi)：Anchor Carrier（錨定載波）和Non-Anchor Carrier（非錨定載波），對(duì)于非錨定載波，不必滿(mǎn)足100KHz柵格偏差。

可是，有些PRB（比如#25)也滿(mǎn)足離最近的100KHz柵格有2.5KHz偏差，為啥就不能部署帶內(nèi)NB-IoT的PRB呢？

    答案是，NB-IoT不能使用LTE載波中間的6個(gè)PRB，這些PRB要用于LTE同步和廣播信道。

5.3 物理信道

    NB-IoT物理信道的設(shè)計(jì)在很大程度上也是基于LTE，本文我們主要介紹兩者之間的差別。

1）下行

對(duì)于下行鏈路，NB-IoT定義了三種物理信道：

還定義了兩種物理信號(hào)：

①NRS，窄帶參考信號(hào)

②NPSS和NSSS，主同步信號(hào)和輔同步信號(hào)

與LTE不同，由于NB-IoT頻率帶寬最多只有1個(gè)PRB，因此，這些下行物理信道間采用時(shí)分復(fù)用模式，也就是在不同的時(shí)間上輪流出現(xiàn)。

▲NB-IoT下行物理信道和信號(hào)之間的時(shí)分復(fù)用

    如上圖，NB-IoT子幀被分配給了不同的物理信道和信號(hào)，每一個(gè)NB-IoT子幀在頻域上是一個(gè)PRB（12個(gè)子載波），在時(shí)域上為1ms。
 

NPSS和NSSS
 

    NPSS和NSSS用于NB-IoT終端執(zhí)行小區(qū)搜索，包括時(shí)間、頻率同步和偵測(cè)Cell ID。因?yàn)長(zhǎng)TE的同步序列占用6個(gè)PRB，NB-IoT不能占用這6個(gè)PRB。為避免沖突，NB-IoT需要重新設(shè)計(jì)。

    NPSS位于每10ms無(wú)線幀中5號(hào)子幀（＃5），周期為10ms，使用每子幀中的最后11個(gè)OFDM符號(hào)（如下圖）。

 

    對(duì)于NB-IoT終端來(lái)講，執(zhí)行NPSS檢測(cè)是一項(xiàng)計(jì)算復(fù)雜的過(guò)程，有違于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化的目標(biāo)，因此，NPSS的設(shè)計(jì)為短的ZC(Zadoff-Chu)序列。

    NSSS位于子幀#9，周期為20ms，僅出現(xiàn)于偶數(shù)幀，同樣使用每子幀中的最后11個(gè)OFDM符號(hào)。

 

    NPSS為NB-IoT終端提供時(shí)間和頻率同步參考信號(hào)，與LTE不同的是，NPSS中不攜帶任何小區(qū)信息，NSSS帶有PCI。

NPBCH

    NPBCH位于每無(wú)線幀中的子幀#0，TTI為640ms，承載MIB-NB（Narrowband Master Information Block），其余系統(tǒng)信息如SIB1-NB等承載于NPDSCH中。

 

NPDCCH和NPDSCH

    NPDCCH承載上行和下行數(shù)據(jù)信道的調(diào)度信息，包括上行數(shù)據(jù)信道的HARQ確認(rèn)信息、尋呼指示和隨機(jī)接入響應(yīng)調(diào)度信息、來(lái)自更高層的數(shù)據(jù)信息、尋呼消息、系統(tǒng)消息和隨機(jī)接入響應(yīng)消息等。

    如以上NB-IoT物理信道時(shí)分復(fù)用圖所示，很多子幀被分配給NPDCCH和NPDSCH。

為降低終端復(fù)雜性，所有下行信道采用LTE的TBCC碼。另外，NPDSCH的最大傳輸塊大小（TBS）為680 bits，而無(wú)空間復(fù)用的LTE支持的最大TBS大于70000 bits。

NRS

    NRS（窄帶參考信號(hào)），也稱(chēng)為導(dǎo)頻信號(hào)，主要作用是下行信道質(zhì)量測(cè)量估計(jì)，用于終端的相干檢測(cè)和解調(diào)。在用于廣播和下行專(zhuān)用信道時(shí)，所有下行子幀都要傳輸NRS，無(wú)論有無(wú)數(shù)據(jù)傳送。

 

    NRS與承載NPBCH、NPDCCH和NPDSCH的子幀中的信息承載符號(hào)時(shí)頻復(fù)用，每天線端口每子幀使用8個(gè)RE。

上行

對(duì)于上行鏈路，NB-IoT定義了兩種物理信道：

①NPUSCH，窄帶物理上行共享信道。

②NPRACH，窄帶物理隨機(jī)接入信道。

還有DMRS，上行解調(diào)參考信號(hào)。

NPRACH

    由于LTE的PRACH信道帶寬為1.08MHz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NB-IoT上行帶寬，因此需重新設(shè)計(jì)。

    和LTE的Random Access Preamble使用ZC序列不同，NB-IoT的Random Access Preamble是單頻傳輸（3.75KHz子載波），且使用的Symbol為一定值。一次的Random Access Preamble傳送包含四個(gè)Symbol Group，一個(gè)Symbol Group是5個(gè)Symbol加上一CP（如下圖）。

 

 

    一個(gè)NPRACH preamble（前導(dǎo)碼）由四個(gè)Symbol Group組成。每個(gè)Symbol Group之間會(huì)有跳頻。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的子載波。

 

▲NPRACH跳頻

    當(dāng)CP長(zhǎng)度為66.67s (Format 0) 時(shí)，小區(qū)覆蓋半徑達(dá)10公里。當(dāng)CP長(zhǎng)度為266.7s (Format 1) ，覆蓋半徑達(dá)40公里。為了擴(kuò)展覆蓋，NPRACH preamble可重復(fù)128次。

NPUSCH

    NPUSCH用來(lái)傳送上行數(shù)據(jù)以及上行控制信息，傳輸可使用單頻或多頻傳輸（前面介紹過(guò)）。

    NPUSCH定義了兩種格式：Format 1和Format 2。

    Format 1為UL-SCH上的上行信道數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，使用與LTE相同的Turbo碼糾錯(cuò)，其資源塊大小遠(yuǎn)低于LTE，不大于1000 bits。

    Format 2用于NPDSCH的HARQ確認(rèn)信令，傳送上行控制信息（UCI），使用重復(fù)碼來(lái)糾錯(cuò)。

    映射到傳輸快的最小單元叫資源單元（RU，resource unit），它由NPUSCH格式和子載波空間決定。

    有別于LTE系統(tǒng)中的資源分配的基本單位為子幀，NB-IoT根據(jù)子載波和時(shí)隙數(shù)目來(lái)作為資源分配的基本單位，如下表所示：

 

 

    對(duì)于NPUSCH format 1，當(dāng)子載波空間為3.75 kHz時(shí)，只支持單頻傳輸，一個(gè)RU在頻域上包含1個(gè)子載波，在時(shí)域上包含16個(gè)時(shí)隙，所以，一個(gè)RU的長(zhǎng)度為32ms。

    當(dāng)子載波空間為15kHz時(shí)，支持單頻傳輸和多頻傳輸，一個(gè)RU包含1個(gè)子載波和16個(gè)時(shí)隙，長(zhǎng)度為8ms；當(dāng)一個(gè)RU包含12個(gè)子載波時(shí)，則有2個(gè)時(shí)隙的時(shí)間長(zhǎng)度，即1ms，此資源單位剛好是LTE系統(tǒng)中的一個(gè)子幀。資源單位的時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為2的冪次方，是為了更有效的運(yùn)用資源，避免產(chǎn)生資源空隙而造成資源浪費(fèi)。

    對(duì)于NPUSCH format 2，RU總是由1個(gè)子載波和4個(gè)時(shí)隙組成，所以，當(dāng)子載波空間為3.75 kHz時(shí)，一個(gè)RU時(shí)長(zhǎng)為8ms；當(dāng)子載波空間為15kHz時(shí)，一個(gè)RU時(shí)長(zhǎng)為2ms。

NPUSCH format 2調(diào)制方式為BPSK。

NPUSCH format 1調(diào)制方式分為以下兩種情況：

●包含一個(gè)子載波的RU，采用BPSK和QPSK。

●其它情況下，采用QPSK。

這地方有點(diǎn)繞，換句話(huà)來(lái)理解：

①NPUSCH支持15 kHz或3.75 kHz單頻傳輸，為了降低峰均功率比（PAPR），單頻傳輸則使用π/2 BPSK或π/4 QPSK。

②NPUSCH若支持多頻傳輸，則使用QPSK。

（補(bǔ)充：NB-IoT下行調(diào)制采用QPSK，下行信道編碼采用TBCC，上行信道編碼為T(mén)urbo碼）

DMRS

    DMRS用于信道估計(jì)。NPUSCH Format 1格式與LTE PUSCH時(shí)隙結(jié)構(gòu)相同，每時(shí)隙7個(gè)OFDM符號(hào)，中間一個(gè)符號(hào)作為DMRS。Format 2格式同樣為每時(shí)隙7個(gè)OFDM符號(hào)，但將中間3個(gè)符號(hào)用作DMRS。

 

5.4 資源映射

    在本節(jié)中，我們將描述NB-IoT資源映射如何部署在LTE載波中，以確保與LTE的最佳共存性能。實(shí)質(zhì)上，通過(guò)避免將NB-IoT信號(hào)映射到已經(jīng)由傳統(tǒng)LTE信號(hào)已經(jīng)使用的資源元素來(lái)保持與LTE信號(hào)的正交性。

    為了確保與LTE系統(tǒng)共存，必須避免NB-IoT信號(hào)映射到LTE已使用的RE（Resource Element，LTE物理資源中最小的資源單位），以保持兩者間的正交性。

 

 

    如上圖所示，每一列表明一個(gè)OFDM符號(hào)中的RE，每個(gè)OFDM符號(hào)有12個(gè)RE（對(duì)應(yīng)12個(gè)子載波）。

    對(duì)于獨(dú)立部署和保護(hù)帶部署模式，不需要保護(hù)LTE資源。因此，NPDCCH, NPDSCH和NRS可以使用PRB中的所有資源。

對(duì)于帶內(nèi)部署模式，NPDCCH, NPDSCH和NRS不能映射到已被LTE CRS和PDCCH占用的RE上。

    NB-IoT終端通過(guò)小區(qū)搜索來(lái)獲知部署模式（帶內(nèi)/保護(hù)帶/獨(dú)立部署）和CI，然后確定哪些RE被LTE使用，終端再映射N(xiāo)PDCCH和NPDSCH符號(hào)到可用RE。NPSS，NSSS和NPBCH在初始同步和獲取主系統(tǒng)信息時(shí)，并不知道部署模式，為此，NPSS，NSSS和NPBCH避免使用每一子幀的前三個(gè)OFDM符號(hào)，因?yàn)檫@些資源可能會(huì)被LTE PDCCH使用。

5.5 同步

    同步是蜂窩通信系統(tǒng)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。當(dāng)終端第一次開(kāi)機(jī)后，需要檢測(cè)一個(gè)"合適的小區(qū)"(suitable cell)來(lái)駐留，然后獲取符號(hào)、子幀、幀定時(shí)以及與載波頻率同步。為了頻率同步，終端需要從基站獲取同步信息，同步調(diào)校，以糾正因本地振蕩器不精準(zhǔn)而引起的頻率偏差。另外，由于存在多個(gè)小區(qū)，終端需基于NB-PCID識(shí)別其指定小區(qū)。

因此，整個(gè)同步過(guò)程實(shí)際包括時(shí)間同步校準(zhǔn)，頻偏校正，獲取CI和子幀和幀號(hào)參考。

NB-IoT的特點(diǎn)是低成本和強(qiáng)覆蓋。低成本意味著NB-IoT終端配置低成本的晶振，其初始載波頻偏可高達(dá)20 ppm。加之我們前文所述的帶內(nèi)和保護(hù)帶部署模式下會(huì)引入額外的2.5KHz或7.5KHz柵格偏移，這會(huì)進(jìn)一步加大載波頻偏。對(duì)于NB-IoT的另一個(gè)特點(diǎn)———增強(qiáng)覆蓋，意味著很多終端位于地下室一類(lèi)的非常低的SNR網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

    如何在載波頻偏和低SNR環(huán)境下完成精準(zhǔn)的同步呢？盡管NB-IoT的同步過(guò)程和LTE相似，但為了解決上述兩個(gè)問(wèn)題，NB-IoT對(duì)同步序列進(jìn)行了改動(dòng)。

如前所述，NPSS和NSSS被用來(lái)完成同步，NPSS占用每幀的子幀＃5，NSSS占用每個(gè)偶數(shù)幀的子幀＃9。 NPSS用于獲取符號(hào)定時(shí)和載波頻偏，NSSS用于獲取NB-PCID，時(shí)長(zhǎng)為80ms塊。對(duì)于超低SNR環(huán)境下的終端，要完成檢測(cè)，單個(gè)10ms時(shí)間是不夠的，需要一個(gè)累計(jì)的過(guò)程，多個(gè)10ms才行。NPSS就是基于這樣的時(shí)間累計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)的，其原理就是用時(shí)間來(lái)?yè)Q精確性，用加權(quán)累積過(guò)程來(lái)糾正頻偏。覆蓋信號(hào)越差的終端，需要的累加次數(shù)越高。

 

    NPSS和NSSS同步完成后，終端獲取了符號(hào)定時(shí)、載波頻偏和NB-PCID等信息。然后，終端獲取MIB信息，其通過(guò)位于每幀中的子幀#0的NPBCH信道廣播。NPBCH由8個(gè)自解碼子塊組成，每個(gè)子塊重復(fù)8次，每個(gè)子塊占用8個(gè)連續(xù)幀的子幀＃0，這樣設(shè)計(jì)的目的就是為了讓處于深度覆蓋的終端成功獲取信息。

 

    通過(guò)以上設(shè)計(jì)，NB-IoT有效的補(bǔ)償了載波頻偏，并完成NPSS和NSSS同步、獲取MIB信息。至于柵格偏移，尤其是7.5KHz的偏移，有點(diǎn)不好解決。

 

    7.5kHz柵格偏移會(huì)導(dǎo)致5.33秒（假設(shè)載波頻率為900 MHz）的符號(hào)定時(shí)漂移，這大于了循環(huán)前綴的持續(xù)時(shí)間，會(huì)破壞OFDM的下行鏈路的正交性。唯一的辦法就是犧牲成本，提升計(jì)算復(fù)雜度，以提高檢測(cè)性能。

 

    所以，這里解決了那道作業(yè)題“聯(lián)通900M只有6M帶寬這種情況，怎么辦？”。

 

    至于較小的柵格偏移，由于每10個(gè)子幀中只有一個(gè)NPBCH子幀，是可實(shí)現(xiàn)的。

 

5.6 隨機(jī)接入

 

    當(dāng)需建立無(wú)線鏈路和調(diào)度請(qǐng)求時(shí)，NB-IoT會(huì)執(zhí)行隨機(jī)接入。隨機(jī)接入的一個(gè)主要目的是實(shí)現(xiàn)上行鏈路同步，以保持上行正交性。

 

    類(lèi)似于LTE，NB-IoT基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入包括四個(gè)步驟：

 

 

（1）UE發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼

（2）網(wǎng)絡(luò)發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)（包含TA命令和將在第三步使用的上行鏈路資源調(diào)度）

（3）UE使用調(diào)度資源，并向網(wǎng)絡(luò)回應(yīng)身份標(biāo)識(shí)

（4）網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息，解決多UE競(jìng)爭(zhēng)接入問(wèn)題。

 

    為了滿(mǎn)足不同的覆蓋范圍，系統(tǒng)可以在小區(qū)內(nèi)配置最多三個(gè)NPRACH資源配置，每個(gè)配置指定隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的重復(fù)值。終端會(huì)根據(jù)其測(cè)量的下行信號(hào)強(qiáng)度來(lái)估計(jì)覆蓋水平（CE Level），并使用根據(jù)覆蓋水平配置的NPRACH資源來(lái)發(fā)送發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼。

 

    NB-IoT允許使用以下參數(shù)在時(shí)、頻上靈活配置NPRACH資源：

時(shí)域：NPRACH資源的周期性，NPRACH資源的開(kāi)始時(shí)間。

頻域：頻率位置（基于子載波偏移）和子載波數(shù)。

 

    總之，終端通過(guò)測(cè)量下行信號(hào)強(qiáng)度來(lái)決定CE Level，并使用該CE Level指定的NPRACH資源，發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼。一旦隨機(jī)接入前導(dǎo)碼傳送失敗，NB-IoT終端會(huì)在升級(jí)CE Level重新嘗試，直到嘗試完所有CE Level的NPRACH資源為止（如下圖）。

 

 

    NB-IoT的隨機(jī)接入過(guò)程和LTE非常相似，不再多述。

 

5.7 調(diào)度和HARQ

 

    由于資源有限且支持重復(fù)傳送，若上行采用同步自適應(yīng)HARQ會(huì)導(dǎo)致上行資源運(yùn)用更加困難，因此，NB-IoT的上下行都采用異步自適應(yīng)HARQ，即根據(jù)新接收到的DCI（Downlink Control Information）來(lái)決定重傳。另外，為了降低終端的復(fù)雜度，NB-IoT只支持一個(gè)HARQ過(guò)程，并且允許NPDCCH和NPDSCH更長(zhǎng)的UE解碼時(shí)間。

 

 

    以上圖為例，調(diào)度命令通過(guò)承載于NPDCH的DCI傳送，NPDCH使用AL（aggregation levels）1或AL2傳送DCI。對(duì)于AL1，兩個(gè)DCI復(fù)用于一個(gè)子幀，否則一個(gè)子幀僅攜帶一個(gè)DCI（即AL-2），以降低編碼率和提升覆蓋。通過(guò)重傳增強(qiáng)覆蓋，每次重傳占用一個(gè)子幀。

 

DCI可以用于調(diào)度下行數(shù)據(jù)或上行數(shù)據(jù)。

 

    對(duì)于調(diào)度下行數(shù)據(jù)，在DCI中指示NPDCCH與相關(guān)聯(lián)的NPDSCH之間的精確時(shí)間偏移?？紤]物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有限的計(jì)算能力，NPDCCH結(jié)束與相關(guān)NPDSCH的開(kāi)始之間的時(shí)間偏移至少為4ms。

 

    在接收到NPDSCH之后，終端需使用NPUSCH Format 2反饋HARQ確認(rèn)。DCI中指示攜帶HARQ確認(rèn)消息的NPUSCH的資源?？紤]物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有限的計(jì)算能力，NPDSCH結(jié)束與相關(guān)HARQ確認(rèn)開(kāi)始之間的時(shí)間偏移至少為12ms。

 

    對(duì)于上行鏈路調(diào)度和HARQ操作，NPDCCH結(jié)束與相關(guān)NPUSCH開(kāi)始之間的時(shí)間偏移至少為8ms。在完成NPUSCH傳送之后，UE監(jiān)視NPDCCH，以確認(rèn)基站是否正確接收到NPUSCH，還是需要進(jìn)行重傳。

 

6 

總結(jié)

 

最后，我們?cè)倏偨Y(jié)一下NB-IoT的一些性能。

 

1）峰值數(shù)據(jù)速率

 

    一個(gè)最大的TBS為680bits，時(shí)長(zhǎng)為3ms，因此，NDSCH峰值物理層速率為680bits/3ms=226.7 kbps。同理，NPUSCH峰值數(shù)據(jù)速率為1000 bits/4ms=250kbps。然而，考慮DCI，NPDSCH / NPUSCH和HARQ確認(rèn)之間的時(shí)間偏移，下行和上行的峰值吞吐量都低于上述數(shù)值。

 

2）覆蓋

 

    NB-IoT達(dá)到比LTE Rel-12高20 dB的最大耦合損耗（MCL）。覆蓋范圍的增強(qiáng)是通過(guò)增加重傳次數(shù)來(lái)減少數(shù)據(jù)速率而實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)引入單個(gè)子載波NPUSCH傳輸和 π/2-BPSK調(diào)制來(lái)保持接近于0dB的PAPR，從而減小由于功率放大器（PA）功率回退引起的覆蓋影響，確保覆蓋增強(qiáng)。15kHz單頻NPUSCH若配置最大重傳（128）和最低調(diào)制和編碼方案時(shí)，物理層速率約20bps。而NPDSCH配置最大重傳（512）和最低調(diào)制和編碼方案時(shí)，物理層速率可到35bps。這些配置接近170dB耦合損耗，而LTE R12最高約142dB。

 

3）設(shè)備復(fù)雜性

 

為了降低終端復(fù)雜性，NB-IoT設(shè)計(jì)如下：

 

●下行和上行的傳輸塊大小明顯減少

●下行只支持一個(gè)冗余版本

●上下行僅支持單流傳輸

●終端僅需單天線

●上下行僅支持單HARQ過(guò)程

●終端無(wú)需turbo解碼器

●無(wú)連接模式下的移動(dòng)性測(cè)量，終端只需執(zhí)行空閑模式下的移動(dòng)性測(cè)量

●低帶寬，低采樣率

●僅支持FDD半雙工

 

4）時(shí)延和電池壽命

 

    NB-IoT主要針對(duì)時(shí)延不敏感的應(yīng)用，不過(guò)，對(duì)于像發(fā)送告警信號(hào)等應(yīng)用，NB-IoT支持10秒以下時(shí)延。對(duì)于164dB耦合損耗，終端平均每天傳送200字節(jié)數(shù)據(jù)，電池壽命可達(dá)10年。

 

5）容量

 

    僅有一個(gè)PRB資源的NB-IoT單小區(qū)支持連接52500終端。此外，NB-IoT支持多載波操作。因此，可以通過(guò)添加NB-IoT載波的方式來(lái)增加容量。