nbiot技术解读Word下载.docx

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今天，我们就来看看这一新空口技术到底有多新？

1网络

1.1核心网

为了将物联网数据发送给应用，蜂窝物联网（CIoT）在EPS定义了两种优化方案：

•CIoTEPS用户面功能优化（UserPlaneCIoTEPSoptimisation）

•CIoTEPS控制面功能优化（ControlPlaneCIoTEPSoptimisation）

如上图所示，红线表示CIoTEPS控制面功能优化方案，蓝线表示CIoTEPS用户面功能优化方案。

对于CIoTEPS控制面功能优化，上行数据从eNB（CIoTRAN）传送至MME，在这里传输路径分为两个分支：

或者通过SGW传送到PGW再传送到应用服务器，或者通过SCEF（ServiceCapa-bilityExposureFunction）连接到应用服务器（CIoTServices），后者仅支持非IP数据传送。

下行数据传送路径一样，只是方向相反。

这一方案无需建立数据无线承载，数据包直接在信令无线承载上发送。

因此，这一方案极适合非频发的小数据包传送。

SCEF是专门为NB-IoT设计而新引入的，它用于在控制面上传送非IP数据包，并为鉴权等网络服务提供了一个抽象的接口。

对于CIoTEPS用户面功能优化，物联网数据传送方式和传统数据流量一样，在无线承载上发送数据，由SGW传送到PGW再到应用服务器。

因此，这种方案在建立连接时会产生额外开销，不过，它的优势是数据包序列传送更快。

这一方案支持IP数据和非IP数据传送。

1.2接入网

NB-IoT的接入网构架与LTE一样。

eNB通过S1接口连接到MME/S-GW，只是接口上传送的是NB-IoT消息和数据。

尽管NB-IoT没有定义切换，但在两个eNB之间依然有X2接口，X2接口使能UE在进入空闲状态后，快速启动resume流程，接入到其它eNB（resume流程将在本文后面详述）。

1.3频段

NB-IoT沿用LTE定义的频段号，Release13为NB-IoT指定了14个频段。

2物理层

2.1工作模式

部署方式（OperationModes）

NB-IoT占用180KHz带宽，这与在LTE帧结构中一个资源块的带宽是一样的。

所以，以下三种部署方式成为可能：

1）独立部署（Standaloneoperation）

适合用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200KHz，这刚好为NB-IoT180KHz带宽辟出空间，且两边还有10KHz的保护间隔。

2）保护带部署（Guardbandoperation）

利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块。

3）带内部署（In-bandoperation）

利用LTE载波中间的任何资源块。

CELevel

CELevel，即覆盖增强等级（CoverageEnhancementLevel）。

从0到2，CELevel共三个等级，分别对应可对抗144dB、154dB、164dB的信号衰减。

基站与NB-IoT终端之间会根据其所在的CELevel来选择相对应的信息重发次数。

双工模式

Release13NB-IoT仅支持FDD半双工type-B模式。

FDD意味着上行和下行在频率上分开，UE不会同时处理接收和发送。

半双工设计意味着只需多一个切换器去改变发送和接收模式，比起全双工所需的元件，成本更低廉，且可降低电池能耗。

在Release12中，定义了半双工分为typeA和typeB两种类型，其中typeB为Cat.0所用。

在typeA下，UE在发送上行信号时，其前面一个子帧的下行信号中最后一个Symbol不接收，用来作为保护时隙（GuardPeriod,GP），而在typeB下，UE在发送上行信号时，其前面的子帧和后面的子帧都不接收下行信号，使得保护时隙加长，这对于设备的要求降低，且提高了信号的可靠性。

2.2下行链路

对于下行链路，NB-IoT定义了三种物理信道：

1）NPBCH，窄带物理广播信道。

2）NPDCCH，窄带物理下行控制信道。

3）NPDSCH，窄带物理下行共享信道。

还定义了两种物理信号：

1）NRS，窄带参考信号。

2）NPSS和NSSS，主同步信号和辅同步信号。

相比LTE，NB-IoT的下行物理信道较少，且去掉了PMCH（PhysicalMulticastchannel，物理多播信道），原因是NB-IoT不提供多媒体广播/组播服务。

下图是NB-IoT传输信道和物理信道之间的映射关系。

MIB消息在NPBCH中传输，其余信令消息和数据在NPDSCH上传输，NPDCCH负责控制UE和eNB间的数据传输。

NB-IoT下行调制方式为QPSK。

NB-IoT下行最多支持两个天线端口（AntennaPort），AP0和AP1。

和LTE一样，NB-IoT也有PCI（PhysicalCellID，物理小区标识），称为NCellID（NarrowbandphysicalcellID），一共定义了504个NCellID。

帧和时隙结构

和LTE循环前缀（NormalCP）物理资源块一样，在频域上由12个子载波（每个子载波宽度为15KHz）组成，在时域上由7个OFDM符号组成0.5ms的时隙，这样保证了和LTE的相容性，对于带内部署方式至关重要。

每个时隙0.5ms，2个时隙就组成了一个子帧（SF），10个子帧组成一个无线帧（RF）。

这就是NB-IoT的帧结构，依然和LTE一样。

NRS（窄带参考信号）

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UE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。

NB-IoT下行最多支持两个天线端口，NRS只能在一个天线端口或两个天线端口上传输，资源的位置在时间上与LTE的CRS（Cell-SpecificReferenceSignal，小区特定参考信号）错开，在频率上则与之相同，这样在带内部署（In-BandOperation）时，若检测到CRS，可与NRS共同使用来做信道估测。

▲NRS资源位置

同步信号

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

NPSS与NSSS在资源位置上避开了LTE的控制区域，其位置图如下：

▲NPSS和NSSS资源位置

NPSS的周期是10ms，NSSS的周期是20ms。

NB-IoTUE在小区搜索时，会先检测NPSS，因此NPSS的设计为短的ZC（Zadoff-Chu）序列，这降低了初步信号检测和同步的复杂性。

NBPBCH

NBPBCH的TTI为640ms，承载MIB-NB（NarrowbandMasterInformationBlock），其余系统信息如SIB1-NB等承载于NPDSCH中。

SIB1-NB为周期性出现，其余系统信息则由SIB1-NB中所带的排程信息做排程。

和LTE一样，NB-PBCH端口数通过CRCmask识别，区别是NB-IOT最多只支持2端口。

NB-IOT在解调MIB信息过程中确定小区天线端口数。

在三种operationmode下，NB-PBCH均不使用前3个OFDM符号。

In-band模式下NBPBCH假定存在4个LTECRS端口，2个NRS端口进行速率匹配。

▲NPBCH映射到子帧

▲黄色小格表明NPBCH资源占用位置，洋红色表示NRS，紫色代表CRS

NPDCCH

NPDCCH中承载的是DCI（DownlinkControlInformation），包含一个或多个UE上的资源分配和其他的控制信息。

UE需要首先解调NPDCCH中的DCI，然后才能够在相应的资源位置上解调属于UE自己的NPDSCH（包括广播消息，寻呼，UE的数据等）。

NPDCCH包含了ULgrant，以指示UE上行数据传输时所使用的资源。

NPDCCH子帧设计如下图所示：

▲浅绿色和深绿色代表NPDCCH使用的RE，紫色代表LTECRS，蓝色代表NRS。

上图表示在LTE单天线端口和NB-IoT2天线端口下in-band模式的映射

NPDCCH的符号起始位置：

对于in-band，如果是SIB子帧，起始位置为3，非SIB子帧，起始位置包含在SIB2-NB中；

对于stand-alone和Guardband，起始位置统一为0。

NPDCCH有别于LTE系统中的PDCCH的是，并非每个Subframe都有NPDCCH，而是周期性出现。

NPDCCH有三种搜索空间（SearchSpace），分别用于排程一般数据传输、RandomAccess相关信息传输，以及寻呼（Paging）信息传输。

各个SearchSpace有无线资源控制（RRC）配置相对应的最大重复次数Rmax，其SearchSpace的出现周期大小即为相应的Rmax与RRC层配置的一参数的乘积。

RRC层也可配置一偏移（Offset）以调整SearchSpace的开始时间。

在大部分的搜索空间配置中，所占用的资源大小为一PRB，仅有少数配置为占用6个Subcarrier。

一个DCI中会带有该DCI的重传次数，以及DCI传送结束后至其所排程的NPDSCH或NPUSCH所需的延迟时间，NB-IoTUE即可使用此DCI所在的SearchSpace的开始时间，来推算DCI的结束时间以及排程的数据的开始时间，以进行数据的传送或接收。

NPDSCH

NPDSCH的子帧结构和NPDCCH一样。

NPDSCH是用来传送下行数据以及系统信息，NPDSCH所占用的带宽是一整个PRB大小。

一个传输块（TransportBlock,TB）依据所使用的调制与编码策略（MCS），可能需要使用多于一个子帧来传输，因此在NPDCCH中接收到的DownlinkAssignment中会包含一个TB对应的子帧数目以及重传次数指示。

2.3上行链路

对于上行链路，NB-IoT定义了两种物理信道：

1）NPUSCH，窄带物理上行共享信道。

2）NPRACH，窄带物理随机接入信道。

还有：

1）DMRS，上行解调参考信号。

NB-IoT上行传输信道和物理信道之间的映射关系如下图：

除了NPRACH，所有数据都通过NPUSCH传输。

时隙结构

NB-IoT上行使用SC-FDMA，考虑到NB-IoT终端的低成本需求，在上行要支持单频（SingleTone）传输，子载波间隔除了原有的15KHz，还新制订了3.75KHz的子载波间隔，共48个子载波。

当采用15KHz子载波间隔时，资源分配和LTE一样。

当采用3.75KHz的子载波间隔时，如下图所示：

15KHz为3.75KHz的整数倍，所以对LTE系统干扰较小。

由于下行的帧结构与LTE相同，为了使上行与下行相容，子载波空间为3.75KHz的帧结构中，一个时隙同样包含7个Symbol，共2ms长，刚好是LTE时隙长度的4倍。

此外，NB-IoT系统中的采样频率（SamplingRate）为1.92MHz，子载波间隔为3.75KHz的帧结构中，一个Symbol的时间长度为512Ts（SamplingDuration），加上循环前缀（CyclicPrefix,CP）长16Ts，共528Ts。

因此，一个时隙包含7个Symbol再加上保护区间（GuardPeriod）共3840Ts，即2ms长。

NPUSCH

NPUSCH用来传送上行数据以及上行控制信息。

NPUSCH传输可使用单频或多频传输。

▲单频与多频传输

在NPUSCH上，定义了两种格式：

format1和format2。

NPUSCHformat1为UL-SCH上的上行信道数据而设计，其资源块不大于1000bits；

NPUSCHformat2传送上行控制信息（UCI）。

映射到传输快的最小单元叫资源单元（RU，resourceunit），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NPUSCHformat1，

当子载波空间为3.75kHz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NPUSCHformat2，

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3.75kHz时，一个RU时长为8ms；

当子载波空间为15kHz时，一个RU时长为2ms。

对于NPUSCHformat2，调制方式为BPSK。

对于NPUSCHformat1，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。

由于一个TB可能需要使用多个资源单位来传输，因此在NPDCCH中接收到的UplinkGrant中除了指示上行数据传输所使用的资源单位的子载波的索引（Index），也会包含一个TB对应的资源单位数目以及重传次数指示。

NPUSCHFormat2是NB-IoT终端用来传送指示NPDSCH有无成功接收的HARQ-ACK/NACK，所使用的子载波的索引（Index）是在由对应的NPDSCH的下行分配（DownlinkAssignment）中指示，重传次数则由RRC参数配置。

DMRS

根据NPUSCH格式，DMRS每时隙传输1个或者3个SC-FDMA符号。

▲NPUSCHformat1。

上图中，对于子载波空间为15kHz，一个RU占用了6个子载波。

▲NPUSCHformat2，此格式下，RU通常只占一个子载波。

NPRACH

和LTE的RandomAccessPreamble使用ZC序列不同，NB-IoT的RandomAccessPreamble是单频传输（3.75KHz子载波），且使用的Symbol为一定值。

一次的RandomAccessPreamble传送包含四个SymbolGroup，一个SymbolGroup是5个Symbol加上一CP，如下图：

▲RadomAccessPreambleSymbolGroup

每个SymbolGroup之间会有跳频。

选择传送的RandomAccessPreamble即是选择起始的子载波。

基站会根据各个CELevel去配置相应的NPRACH资源，其流程如下图：

▲NB-IoTRandomAcces流程

RandomAccess开始之前，NB-IoT终端会通过DLmeasurement（比如RSRP）来决定CELevel，并使用该CELevel指定的NPRACH资源。

一旦RandomAccessPreamble传送失败，NB-IoT终端会在升级CELevel重新尝试，直到尝试完所有CELevel的NPRACH资源为止。

3小区接入

NB-IoT的小区接入流程和LTE差不多：

小区搜索取得频率和符号同步、获取SIB信息、启动随机接入流程建立RRC连接。

当终端返回RRC_IDLE状态，当需要进行数据发送或收到寻呼时，也会再次启动随机接入流程。

3.1协议栈和信令承载

总的来说，NB-IoT协议栈基于LTE设计，但是根据物联网的需求，去掉了一些不必要的功能，减少了协议栈处理流程的开销。

因此，从协议栈的角度看，NB-IoT是新的空口协议。

以无线承载（RB）为例，在LTE系统中，SRB（signallingradiobearers，信令无线承载）会部分复用，SRB0用来传输RRC消息，在逻辑信道CCCH上传输；

而SRB1既用来传输RRC消息，也会包含NAS消息，其在逻辑信道DCCH上传输。

LTE中还定义了SRB2，但NB-IoT没有。

此外，NB-IoT还定义一种新的信令无线承载SRB1bis，SRB1bis和SRB1的配置基本一致，除了没有PDCP，这也意味着在ControlPlaneCIoTEPSoptimisation下只有SRB1bis，因为只有在这种模式才不需要。

▲NB-IoT协议栈

3.2系统信息

NB-IoT经过简化，去掉了一些对物联网不必要的SIB，只保留了8个:

•SIBType1-NB：

小区接入和选择，其它SIB调度

•SIBType2-NB：

无线资源分配信息

•SIBType3-NB：

小区重选信息

•SIBType4-NB：

Intra-frequency的邻近Cell相关信息

•SIBType5-NB：

Inter-frequency的邻近Cell相关信息

•SIBType14-NB：

接入禁止（AccessBarring）

•SIBType16-NB：

GPS时间/世界标准时间信息

需特别说明的是，SIB-NB是独立于LTE系统传送的，并非夹带在原LTE的SIB之中。

3.3小区重选和移动性

由于NB-IoT主要为非频发小数据包流量而设计，所以RRC_CONNECTED中的切换过程并不需要，被移除了。

如果需要改变服务小区，NB-IoT终端会进行RRC释放，进入RRC_IDLE状态，再重选至其他小区。

在RRC_IDLE状态，小区重选定义了intrafrequency和interfrequency两类小区，interfrequency指的是in-bandoperation下两个180kHz载波之间的重选。

NB-IoT的小区重选机制也做了适度的简化，由于NB-IoT终端不支持紧急拨号功能，所以，当终端重选时无法找到SuitableCell的情况下，终端不会暂时驻扎（Camp）在AcceptableCell，而是持续搜寻直到找到SuitableCell为止。

根据3GPPTS36.304定义，所谓SuitableCell为可以提供正常服务的小区，而AcceptableCell为仅能提供紧急服务的小区。

3.4随机接入过程

NB-IoT的RACH过程和LTE一样，只是参数不同。

基于竞争的NB-IOT随机接入过程

基于非竞争的NB-IOT随机接入过程

3.5连接管理

由于NB-IoT并不支持不同技术间的切换，所以RRC状态模式也非常简单。

RRCConnectionEstablishment

RRCConnectionEstablishment流程和LTE一样，但内容却不相同。

很多原因都会引起RRC建立，但是，在NB-IoT中，RRCConnectionRequest中的EstablishmentCause里没有delayTolerantAccess，因为NB-IOT被预先假设为容忍延迟的。

另外，在EstablishmentCause里，UE将说明支持单频或多频的能力。

与LTE不同的是，NB-IoT新增了Suspend-Resume流程。

当基站释放连接时，基站会下达指令让NB-IoT终端进入Suspend模式，该Suspend指令带有一组ResumeID，此时，终端进入Suspend模式并存储当前的AScontext。

当终端需要再次进行数据传输时，只需要在RRCConnectionResumeRequest中携带ResumeID（如上图第四步），基站即可通过此ResumeID来识别终端，并跳过相关配置信息交换，直接进入数据传输。

简而言之，在RRC_Connected至RRC_IDLE状态时，NB-IoT终端会尽可能的保留RRC_Connected下所使用的无线资源分配和相关安全性配置，减少两种状态之间切换时所需的信息交换数量，以达到省电的目的。

4DataTransfer

如前文所述，NB-IoT定义了两种数据传输模式：

ControlPlaneCIoTEPSoptimisation方案和UserPlaneCIoTEPSoptimisation方案。

对于数据发起方，由终端选择决定哪一种方案。

对于数据接收方，由MME参考终端习惯，选择决定哪一种方案。

4.1ControlPlaneCIoTEPSOptimisation

对于ControlPlaneCIoTEPSOptimisation，终端和基站间的数据交换在RRC级上完成。

对于下行，数据包附带在RRCConnectionSetup消息里；

对于上行，数据包附带在RRCConnectionSetupComplete消息里。

如果数据量过大，RRC不能完成全部传输，将使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer消息继续传送。

这两类消息中包含的是带有NAS消息的byte数组，其对应NB-IoT数据包，因此，对于基站是透明的，UE的RRC也会将它直接转发给上一层。

在这种传输模式下，没有RRCconnectionreconfiguration流程，数据在RRCconnectionsetup消息里传送，或者在RRCconnectionsetup之后立即RRCco