深挖NB-IoT技术

eefishing

1  1G-2G-3G-4G-5G

不解释，看图，看看NB-IoT在哪里？

2  NB-IoT标准化历程

3GPP NB-IoT的标准化始于2015年9月，于2016年7月R13 NB-IoT标准完成。

3  NB-IoT设计目标和用例

NB-IoT主要面向大规模物联网连接应用，其设计目标：

•低成本、低复杂性：模块成本小于5美元，2020年目标2-3美元
•增强覆盖：164 dB MCL，比GPRS强20dB
•电池寿命：10年
•容量：约55000连接设备/小区
•上行报告时延：小于10S

4  NB-IoT关键技术

如何增强覆盖？

什么叫覆盖？就是最大耦合损耗(Maximum Coupling Loss，MCL），从基站天线端口到终端天线端口的路径损耗。

简单定义：
上行MCL=上行最大发射功率-基站接收灵敏度。
下行MCL=下行最大发射功率-终端接收灵敏度。

NB-IoT的MCL为164 dB。

①提升上行功率谱密度

上下行控制信息与业务信息在更窄的LTE带宽中发送，相同发射功率下的PSD（Power Spectrum Density）增益更大，降低接收方的解调要求。

NB-IoT上行功率谱密度增强17dB，考虑GSM终端发射功率最大可以到33dBm，NB-IoT发射功率最大23dBm，所以实 际NB-IoT终端比GSM终端功率谱密度高7dB。

②重传

重传就是在多个子帧传送一个传输块。Repetition Gain=10log  Repetition Times，也就是说重传2次，就可以提升3dB啊。NB-IoT最大可支持下行2048次重传，上行128次重传。

另：接收端无需译码处理增益（约 3-4dB）。

如何降低成本？

①减少协议栈处理开销

如上图所示，NB-IoT舍弃了LTE物理层的上行共享信道(Physical Uplink Control Channel, PUCCH)、物理混合自动重传请求或指示信道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH)等。

②减少不必要的硬件

单天线和FDD半双工模式，降低RF成本。

Release 13 NB-IoT仅支持FDD 半双工模式，意味着不必同时处理发送和接收，比起全双工成本更低廉，更省电。

另：低速率和低带宽本身意味着芯片处理复杂度降低。

如何省电？

①PSM（power saving mode）

怎样最省电？当然是“关机”最省电啊。

手机需要时刻待命，不然有人打电话给你找不到怎么办？但这意味着手机需不时监听网络，这是要耗电的。

但物联网终端不同于手机，绝大部分时间在睡觉，每天甚至每周就上报一两条消息，完事后就睡觉。所以它不必随时监听网络，PSM就是让物联网终端发完数据就进入休眠状态，类似于关机，不进行任何通信活动。

②eDRX

DRX(Discontinuous Reception)，即不连续接收。eDRX就是扩展的不连续接收。

手机可以断断续续的接收信号以达到省电的目的。NB-IoT扩展了这个断续间隔，可扩展至2.91小时，更加省电。

此外，NB-IoT只支持小区重选，不支持切换，这减少了测量开销；对空口信令简化, 减小了单次数传功耗。

5  NB-IoT与LTE有什么不同？

先来简单回忆一下LTE...

无线帧长10ms，子帧1ms，时隙0.5ms，每无线帧内10个子帧，一个子帧2时隙，下行采用正交频分多址(OFDMA)技术，子载波间隔15kHz...多么熟悉的身影。

NB-IoT也是一样的。NB-IoT是基于FDD LTE技术改造而来，包括帧结构、下行OFDMA、上行SC-FDMA、信道编码、交织等大部分沿用LTE技术，可以理解为一种简化版的FDD LTE技术。

这正是NB-IoT被号称为史上最快完成的通信标准的主要原因（半年多就完成），这带来的另一个好处是与现有LTE相容，减少NB-IoT的设备和软件投入，以快速抢占物联网风口。

但也有不同之处。以下章节我们一边介绍NB-IoT，一边对比LTE。

5.1 传输方案



下行传输方案

NB-IoT下行与LTE一致，采用正交频分多址(OFDMA)技术，子载波间隔15kHz，时隙、子帧和无线帧长分别为0.5ms、1ms和10ms，包括每时隙的OFDM符号数和循环前缀（cyclic prefix）都是与LTE一样的。

NB-IoT载波带宽为180KHz，相当于LTE一个PRB(Physical Resource Block)的频宽，即12个子载波*15KHz/子载波=180KHz，这确保了下行与LTE的相容性。比如，在采用LTE载波带内部署时，可保持下行NB-IoT PRB与其它LTE PRB的正交性。

上行传输方案

NB-IoT上行支持多频传输（multi-tone）和单频（single- tone）传输。

多频传输基于SC-FDMA，子载波间隔为15kHz，0.5ms时隙，1ms子帧（与LTE一样）。单频传输子载波间隔可为15KHz以及3.75KHz，其中15KHz与LTE一样，以保持两者在上行的相容性；其中当子载波为3.75KHz时，其帧结构中一个时隙为2ms长（包含7个符号），15KHz为3.75KHz的整数倍，所以对LTE系统有较小的干扰。

与下行一样，NB-IoT上行总系统带宽为180KHz。

5.2 部署方式

众所周知，NB-IoT分为三种部署方式：独立部署（Stand alone）、保护带部署（Guard band）和带内部署（In-band）。独立部署适用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200KHz，这刚好为NB-IoT 180KHz带宽辟出空间，且两边还有10KHz的保护间隔。保护带部署利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块。带内部署利用LTE载波中间的任何资源块。

不过，上一段的最后一句话是错误的。在带内部署模式下，有些PRB，NB-IoT是不能占用的。

与LTE一样，NB-IoT终端在开机并搜索载波（小区）时，会在可能的频率范围内重复PSS/SSS的搜索和检测过程，直至搜索到相应的载波（NB-IoT锚定载波），频率扫描的栅格（raster）大小为100kHz。

所谓栅格（raster）也是用于调整LTE载波频率位置的最小单位，表示各个频点间的间隔应该是100KHz的整数倍，相当于一条高速路划分为若干车道，两个车道之间的中心距离为100KHz的整数倍。手机终端在频率扫描是就是按100KHz整数倍来扫描的。

这个100KHz的频率扫描栅格（raster）意味着在带内部署时，NB-IoT锚定载波必须位于确定的PRB中。例如，对于10MHz带宽的LTE,NB-IOT既不能占用同步和广播信道所在的PRB,又要满足100kHz raster要求, 因此其带内NB-IoT只能位于4, 9, 14, 19, 30, 35, 40, 45号PRB。

另外，还要做2.5kHz offset。（还真特么麻烦）

如上图，以NB-IoT带内部署于10MHz LTE带宽为例，DC子载波右边的PRB为#25，其中心频率为97.5kHz（相当于6个子载波），这就与最近的100KHz栅格有2.5KHz的偏差。

由于DC子载波之上的两个相邻PRB的中心频率间隔为180KHz，因此，#30、#35、#40和#45 PRB的中心频率均为离最近的100KHz栅格有2.5KHz的偏差。（只要做了2.5KHz偏差，就可以满足100KHz栅格要求）。

再看上图，对于10MHz和20MHz LTE载波，有一些PRB满足离最近的100KHz栅格有2.5KHz偏差。然而，对于3MHz，5MHz和15MHz的LTE载波带宽，这些PRB离最近的100KHz栅格偏差至少为7.5kHz。

所以，这里留一道作业题，像联通900M只有6M带宽这种情况，怎么办？

与带内部署模式相似，保护带部署模式下，NB-IoT的锚定载波也需满足其中心频率与最近的100KHz栅格不超过7.5KHz偏差，因为终端在小区搜索时，其栅格偏差需满足7.5KHz以下，才能完成网络同步。

NB-IoT支持多载波配置，其载波可分为两类：Anchor Carrier（锚定载波）和Non-Anchor Carrier（非锚定载波），对于非锚定载波，不必满足100KHz栅格偏差。

可是，有些PRB（比如#25)也满足离最近的100KHz栅格有2.5KHz偏差，为啥就不能部署带内NB-IoT的PRB呢？

答案是，NB-IoT不能使用LTE载波中间的6个PRB，这些PRB要用于LTE同步和广播信道。

5.3 物理信道

NB-IoT物理信道的设计在很大程度上也是基于LTE，本文我们主要介绍两者之间的差别。

1）下行

对于下行链路，NB-IoT定义了三种物理信道：
①NPBCH，窄带物理广播信道
②NPDCCH，窄带物理下行控制信道
③NPDSCH，窄带物理下行共享信道

还定义了两种物理信号：
①NRS，窄带参考信号
②NPSS和NSSS，主同步信号和辅同步信号

与LTE不同，由于NB-IoT频率带宽最多只有1个PRB，因此，这些下行物理信道间采用时分复用模式，也就是在不同的时间上轮流出现。


▲NB-IoT下行物理信道和信号之间的时分复用

如上图，NB-IoT子帧被分配给了不同的物理信道和信号，每一个NB-IoT子帧在频域上是一个PRB（12个子载波），在时域上为1ms。

NPSS和NSSS

NPSS和NSSS用于NB-IoT终端执行小区搜索，包括时间、频率同步和侦测Cell ID。因为LTE的同步序列占用6个PRB，NB-IoT不能占用这6个PRB。为避免冲突，NB-IoT需要重新设计。

NPSS位于每10ms无线帧中5号子帧（＃5），周期为10ms，使用每子帧中的最后11个OFDM符号（如下图）。

对于NB-IoT终端来讲，执行NPSS检测是一项计算复杂的过程，有违于其设计简单化的目标，因此，NPSS的设计为短的ZC(Zadoff-Chu)序列。

NSSS位于子帧#9，周期为20ms，仅出现于偶数帧，同样使用每子帧中的最后11个OFDM符号。

NPSS为NB-IoT终端提供时间和频率同步参考信号，与LTE不同的是，NPSS中不携带任何小区信息，NSSS带有PCI。

NPBCH

NPBCH位于每无线帧中的子帧#0，TTI为640ms，承载MIB-NB（Narrowband Master Information Block），其余系统信息如SIB1-NB等承载于NPDSCH中。

NPDCCH和NPDSCH

NPDCCH承载上行和下行数据信道的调度信息，包括上行数据信道的HARQ确认信息、寻呼指示和随机接入响应调度信息、来自更高层的数据信息、寻呼消息、系统消息和随机接入响应消息等。

如以上NB-IoT物理信道时分复用图所示，很多子帧被分配给NPDCCH和NPDSCH。

为降低终端复杂性，所有下行信道采用LTE的TBCC码。另外，NPDSCH的最大传输块大小（TBS）为680 bits，而无空间复用的LTE支持的最大TBS大于70000 bits。

NRS

NRS（窄带参考信号），也称为导频信号，主要作用是下行信道质量测量估计，用于终端的相干检测和解调。在用于广播和下行专用信道时，所有下行子帧都要传输NRS，无论有无数据传送。

NRS与承载NPBCH、NPDCCH和NPDSCH的子帧中的信息承载符号时频复用，每天线端口每子帧使用8个RE。

上行

对于上行链路，NB-IoT定义了两种物理信道：
①NPUSCH，窄带物理上行共享信道。
②NPRACH，窄带物理随机接入信道。
还有DMRS，上行解调参考信号。

NPRACH

由于LTE的PRACH信道带宽为1.08MHz，这远远高于NB-IoT上行带宽，因此需重新设计。

和LTE的Random Access Preamble使用ZC序列不同，NB-IoT的Random Access Preamble是单频传输（3.75KHz子载波），且使用的Symbol为一定值。一次的Random Access Preamble传送包含四个Symbol Group，一个Symbol Group是5个Symbol加上一CP（如下图）。

一个NPRACH preamble（前导码）由四个Symbol Group组成。每个Symbol Group之间会有跳频。选择传送的Random Access Preamble即是选择起始的子载波。


▲NPRACH跳频

当CP长度为66.67s (Format 0) 时，小区覆盖半径达10公里。当CP长度为266.7s (Format 1) ，覆盖半径达40公里。为了扩展覆盖，NPRACH preamble可重复128次。

NPUSCH

NPUSCH用来传送上行数据以及上行控制信息，传输可使用单频或多频传输（前面介绍过）。

NPUSCH定义了两种格式：Format 1和Format 2。

Format 1为UL-SCH上的上行信道数据而设计，使用与LTE相同的Turbo码纠错，其资源块大小远低于LTE，不大于1000 bits。

Format 2用于NPDSCH的HARQ确认信令，传送上行控制信息（UCI），使用重复码来纠错。

映射到传输快的最小单元叫资源单元（RU，resource unit），它由NPUSCH格式和子载波空间决定。

有别于LTE系统中的资源分配的基本单位为子帧，NB-IoT根据子载波和时隙数目来作为资源分配的基本单位，如下表所示：

对于NPUSCH format 1，当子载波空间为3.75 kHz时，只支持单频传输，一个RU在频域上包含1个子载波，在时域上包含16个时隙，所以，一个RU的长度为32ms。

当子载波空间为15kHz时，支持单频传输和多频传输，一个RU包含1个子载波和16个时隙，长度为8ms；当一个RU包含12个子载波时，则有2个时隙的时间长度，即1ms，此资源单位刚好是LTE系统中的一个子帧。资源单位的时间长度设计为2的幂次方，是为了更有效的运用资源，避免产生资源空隙而造成资源浪费。

对于NPUSCH format 2，RU总是由1个子载波和4个时隙组成，所以，当子载波空间为3.75 kHz时，一个RU时长为8ms；当子载波空间为15kHz时，一个RU时长为2ms。

NPUSCH format 2调制方式为BPSK。

NPUSCH format 1调制方式分为以下两种情况：

●包含一个子载波的RU，采用BPSK和QPSK。
●其它情况下，采用QPSK。

这地方有点绕，换句话来理解：

①NPUSCH支持15 kHz或3.75 kHz单频传输，为了降低峰均功率比（PAPR），单频传输则使用π/2 BPSK或π/4 QPSK。

②NPUSCH若支持多频传输，则使用QPSK。

（补充：NB-IoT下行调制采用QPSK，下行信道编码采用TBCC，上行信道编码为Turbo码）

DMRS

DMRS用于信道估计。NPUSCH Format 1格式与LTE PUSCH时隙结构相同，每时隙7个OFDM符号，中间一个符号作为DMRS。Format 2格式同样为每时隙7个OFDM符号，但将中间3个符号用作DMRS。

5.4 资源映射

在本节中，我们将描述NB-IoT资源映射如何部署在LTE载波中，以确保与LTE的最佳共存性能。实质上，通过避免将NB-IoT信号映射到已经由传统LTE信号已经使用的资源元素来保持与LTE信号的正交性。

为了确保与LTE系统共存，必须避免NB-IoT信号映射到LTE已使用的RE（Resource Element，LTE物理资源中最小的资源单位），以保持两者间的正交性。

如上图所示，每一列表明一个OFDM符号中的RE，每个OFDM符号有12个RE（对应12个子载波）。

对于独立部署和保护带部署模式，不需要保护LTE资源。因此，NPDCCH, NPDSCH和NRS可以使用PRB中的所有资源。

对于带内部署模式，NPDCCH, NPDSCH和NRS不能映射到已被LTE CRS和PDCCH占用的RE上。

NB-IoT终端通过小区搜索来获知部署模式（带内/保护带/独立部署）和CI，然后确定哪些RE被LTE使用，终端再映射NPDCCH和NPDSCH符号到可用RE。NPSS，NSSS和NPBCH在初始同步和获取主系统信息时，并不知道部署模式，为此，NPSS，NSSS和NPBCH避免使用每一子帧的前三个OFDM符号，因为这些资源可能会被LTE PDCCH使用。

5.5 同步

同步是蜂窝通信系统中一个重要环节。当终端第一次开机后，需要检测一个"合适的小区"(suitable cell)来驻留，然后获取符号、子帧、帧定时以及与载波频率同步。为了频率同步，终端需要从基站获取同步信息，同步调校，以纠正因本地振荡器不精准而引起的频率偏差。另外，由于存在多个小区，终端需基于NB-PCID识别其指定小区。

因此，整个同步过程实际包括时间同步校准，频偏校正，获取CI和子帧和帧号参考。

NB-IoT的特点是低成本和强覆盖。低成本意味着NB-IoT终端配置低成本的晶振，其初始载波频偏可高达20 ppm。加之我们前文所述的带内和保护带部署模式下会引入额外的2.5KHz或7.5KHz栅格偏移，这会进一步加大载波频偏。对于NB-IoT的另一个特点———增强覆盖，意味着很多终端位于地下室一类的非常低的SNR网络环境。

如何在载波频偏和低SNR环境下完成精准的同步呢？尽管NB-IoT的同步过程和LTE相似，但为了解决上述两个问题，NB-IoT对同步序列进行了改动。

如前所述，NPSS和NSSS被用来完成同步，NPSS占用每帧的子帧＃5，NSSS占用每个偶数帧的子帧＃9。 NPSS用于获取符号定时和载波频偏，NSSS用于获取NB-PCID，时长为80ms块。对于超低SNR环境下的终端，要完成检测，单个10ms时间是不够的，需要一个累计的过程，多个10ms才行。NPSS就是基于这样的时间累计来设计的，其原理就是用时间来换精确性，用加权累积过程来纠正频偏。覆盖信号越差的终端，需要的累加次数越高。

NPSS和NSSS同步完成后，终端获取了符号定时、载波频偏和NB-PCID等信息。然后，终端获取MIB信息，其通过位于每帧中的子帧#0的NPBCH信道广播。NPBCH由8个自解码子块组成，每个子块重复8次，每个子块占用8个连续帧的子帧＃0，这样设计的目的就是为了让处于深度覆盖的终端成功获取信息。

通过以上设计，NB-IoT有效的补偿了载波频偏，并完成NPSS和NSSS同步、获取MIB信息。至于栅格偏移，尤其是7.5KHz的偏移，有点不好解决。

7.5kHz栅格偏移会导致5.33秒（假设载波频率为900 MHz）的符号定时漂移，这大于了循环前缀的持续时间，会破坏OFDM的下行链路的正交性。唯一的办法就是牺牲成本，提升计算复杂度，以提高检测性能。

所以，这里解决了那道作业题“联通900M只有6M带宽这种情况，怎么办？”。

至于较小的栅格偏移，由于每10个子帧中只有一个NPBCH子帧，是可实现的。

5.6 随机接入

当需建立无线链路和调度请求时，NB-IoT会执行随机接入。随机接入的一个主要目的是实现上行链路同步，以保持上行正交性。

类似于LTE，NB-IoT基于竞争的随机接入包括四个步骤：

（1）UE发送随机接入前导码
（2）网络发送随机接入响应（包含TA命令和将在第三步使用的上行链路资源调度）
（3）UE使用调度资源，并向网络回应身份标识
（4）网络发送消息，解决多UE竞争接入问题。

为了满足不同的覆盖范围，系统可以在小区内配置最多三个NPRACH资源配置，每个配置指定随机接入前导码的重复值。终端会根据其测量的下行信号强度来估计覆盖水平（CE Level），并使用根据覆盖水平配置的NPRACH资源来发送发送随机接入前导码。

NB-IoT允许使用以下参数在时、频上灵活配置NPRACH资源：
时域：NPRACH资源的周期性，NPRACH资源的开始时间。
频域：频率位置（基于子载波偏移）和子载波数。

总之，终端通过测量下行信号强度来决定CE Level，并使用该CE Level指定的NPRACH资源，发送随机接入前导码。一旦随机接入前导码传送失败，NB-IoT终端会在升级CE Level重新尝试，直到尝试完所有CE Level的NPRACH资源为止（如下图）。

NB-IoT的随机接入过程和LTE非常相似，不再多述。

5.7 调度和HARQ

由于资源有限且支持重复传送，若上行采用同步自适应HARQ会导致上行资源运用更加困难，因此，NB-IoT的上下行都采用异步自适应HARQ，即根据新接收到的DCI（Downlink Control Information）来决定重传。另外，为了降低终端的复杂度，NB-IoT只支持一个HARQ过程，并且允许NPDCCH和NPDSCH更长的UE解码时间。

以上图为例，调度命令通过承载于NPDCH的DCI传送，NPDCH使用AL（aggregation levels）1或AL2传送DCI。对于AL1，两个DCI复用于一个子帧，否则一个子帧仅携带一个DCI（即AL-2），以降低编码率和提升覆盖。通过重传增强覆盖，每次重传占用一个子帧。

DCI可以用于调度下行数据或上行数据。

对于调度下行数据，在DCI中指示NPDCCH与相关联的NPDSCH之间的精确时间偏移。考虑物联网设备有限的计算能力，NPDCCH结束与相关NPDSCH的开始之间的时间偏移至少为4ms。

在接收到NPDSCH之后，终端需使用NPUSCH Format 2反馈HARQ确认。DCI中指示携带HARQ确认消息的NPUSCH的资源。考虑物联网设备有限的计算能力，NPDSCH结束与相关HARQ确认开始之间的时间偏移至少为12ms。

对于上行链路调度和HARQ操作，NPDCCH结束与相关NPUSCH开始之间的时间偏移至少为8ms。在完成NPUSCH传送之后，UE监视NPDCCH，以确认基站是否正确接收到NPUSCH，还是需要进行重传。

6
总结

最后，我们再总结一下NB-IoT的一些性能。

1）峰值数据速率

一个最大的TBS为680bits，时长为3ms，因此，NDSCH峰值物理层速率为680bits/3ms=226.7 kbps。同理，NPUSCH峰值数据速率为1000 bits/4ms=250kbps。然而，考虑DCI，NPDSCH / NPUSCH和HARQ确认之间的时间偏移，下行和上行的峰值吞吐量都低于上述数值。

2）覆盖

NB-IoT达到比LTE Rel-12高20 dB的最大耦合损耗（MCL）。覆盖范围的增强是通过增加重传次数来减少数据速率而实现的。通过引入单个子载波NPUSCH传输和 π/2-BPSK调制来保持接近于0dB的PAPR，从而减小由于功率放大器（PA）功率回退引起的覆盖影响，确保覆盖增强。15kHz单频NPUSCH若配置最大重传（128）和最低调制和编码方案时，物理层速率约20bps。而NPDSCH配置最大重传（512）和最低调制和编码方案时，物理层速率可到35bps。这些配置接近170dB耦合损耗，而LTE R12最高约142dB。

3）设备复杂性

为了降低终端复杂性，NB-IoT设计如下：

●下行和上行的传输块大小明显减少
●下行只支持一个冗余版本
●上下行仅支持单流传输
●终端仅需单天线
●上下行仅支持单HARQ过程
●终端无需turbo解码器
●无连接模式下的移动性测量，终端只需执行空闲模式下的移动性测量
●低带宽，低采样率
●仅支持FDD半双工

4）时延和电池寿命

NB-IoT主要针对时延不敏感的应用，不过，对于像发送告警信号等应用，NB-IoT支持10秒以下时延。对于164dB耦合损耗，终端平均每天传送200字节数据，电池寿命可达10年。

5）容量

仅有一个PRB资源的NB-IoT单小区支持连接52500终端。此外，NB-IoT支持多载波操作。因此，可以通过添加NB-IoT载波的方式来增加容量。