NB-IOT技术及优化.docx
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NB-IOT技术及优化
目录
1.NB-IOT关键技术 5
1.1强覆盖：
5
1.2低成本：
5
1.3小功耗：
7
1.4大连接：
8
2.NB-IOT帧结构 9
2.1下行物理层结构 9
2.2上行物理层结构 10
2.3上行资源单元RU 11
3.NB-IOT网络架构 12
3.1CP和UP传输方案 13
3.2CP和UP方案传输路径对比 14
3.3CP和UP协议栈对比 14
3.3.1CP方案的控制面协议栈 14
3.3.2UP方案的控制面协议栈 15
2.4状态转换 15
4.信令流程 18
4.1CP传输方案端到端信令流程 18
4.2RRC连接建立过程 20
4.3UP传输方案端到端信令流程 22
4.4RRC挂起流程（SuspendConnectionprocedure） 24
4.5RRC恢复流程（ResumeConnectionprocedure） 25
4.6CP/UP方案网络协商流程 26
5.覆盖优化 28
5.1弱覆盖 28
5.2SINR差 28
5.3重叠覆盖问题点 28
5.4覆盖指标要求:
28
6.重选优化 28
6.1重选时延统计方法：
29
6.2判断小区重选是否成功：
29
6.3重选成功率统计：
29
6.4脱网重搜时延统计：
29
7.参数优化：
30
覆盖等级门限 30
SIB1重复次数 30
SIB2周期 30
同频重选测量门限配置标示 31
同频小区重选指示 31
加密算法优先级 31
完整性保护算法优先级 32
MIB和SIB加扰开关 33
eDRX开关 33
定时器T300 33
定时器T310 34
UE不活动定时器 34
1.NB-IOT关键技术
NB-IOT属于LPWA技术的一种，它具备强覆盖、低成本、小功耗、大连接这四个关键特点。
1.1强覆盖：
较GSM有20db增益，
1、采用提升IOT终端的发射功率谱密度（PSD，Powerspectraldensity）；
2、通过重复发送，获得时间分集增益，并采用低阶调制方式，提高解调性能，增强覆盖；
3、天线分集增益，对于1T2R来说，比1T1R会有3db的增益。
20db=7db（功率谱密度提升）+12db（重传增益）+0-3db（多天线增益）
1.2低成本：
NB-IOT基于成本考虑，对FDD-LTE的全双工方式进行阉割，仅支持半双工。
带来的好处当然是终端实现简单，影响是终端无法同时收发上下行，无法同时接收公共信息与用户信息。
◢上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行；
◢基站/终端在不同的时间进行信道的发送/接收或者接收/发送；
◢H-FDD与F-FDD的差别在于终端不允许同时进行信号的发送与接收，终端相对全双工FDD终端可以简化，只保留一套收发信机即可，从而节省双工器的成本；
NB-IOT终端工作带宽仅为传统LTE的1个PRB带宽（180K），带宽小使得NB不需要复杂的均衡算法。
带宽变小后，也间接导致原有宽带信道、物理层流程简化。
下面仅粗略讲解，以后单独成系列篇讲解物理层。
下行取消了PCFICH、PHICH后将使得下行数据传输的流程与原LTE形成很大的区别，同样一旦上行取消了PUCCH，那么必然要解决上行控制消息如何反馈的问题，这也将与现网LTE有很大的不同。
❶终端侧RF进行了阉割，主流NB终端支持1根天线（协议规定NRS支持1或者2天线端口）
❷天线模式也就从原来的1T/2R变成了现在的1T/1R，天线本身复杂度，当然也包括天线算法都将有效降低
❸FD全双工阉割为HD半双工，收发器从FDD-LTE的两套减少到只需要一套
❹低采样率，低速率，可以使得缓存Flash/RAM要求小（28kByte）
❺低功耗，意味着RF设计要求低，小PA就能实现
❻直接砍掉IMS协议栈，这也就意味着NB将不支持语音（注意实际上eMTC是可以支持的）
各层均进行优化
❶PHY物理层：
信道重新设计，降低基本信道的运算开销。
比如PHY层取消了PCFICH、PHICH等信道，上行取消了PUCCH和SRS。
❷MAC层：
协议栈优化，减少芯片协议栈处理流程的开销。
◢仅支持单进程HARQ（相比于LTE原有的最多支持8个进程process，NB仅支持单个进程。
）；
◢不支持MAC层上行SR、SRS、CQI上报。
没了CQI，LTE中的AMC（自适应调制编码技术）功能不可用
◢不支持非竞争性随机接入功能；
◢功控没有闭环功控了，只有开环功控（如果采用闭环功控，算法会麻烦得多，调度信令开销也会很大）。
❸RLC层：
不支持RLCUM（这意味着没法支持VoLTE类似的语音）、TM模式（在LTE中走TM的系统消息，在NB中也必须走AM）；
❹PDCP：
PDCP的功能被大面积简化，原LTE中赋予的安全模式、RoHC压缩等功能直接被阉割掉；
❺在RRC层：
没有了mobility管理（NB将不支持切换）；新设计CP、UP方案简化RRC信令开销；增加了PSM、eDRX等功能减少耗电。
1.3小功耗：
PSM技术原理，即在IDLE态下再新增加一个新的状态PSM（idle的子状态），在该状态下，终端射频关闭（进入冬眠状态，而以前的DRX状态是浅睡状态），相当于关机状态（但是核心网侧还保留用户上下文，用户进入空闲态/连接态时无需再附着/PDN建立）。
在PSM状态时，下行不可达，DDN到达MME后，MME通知SGW缓存用户下行数据并延迟触发寻呼；上行有数据/信令需要发送时，触发终端进入连接态。
终端何时进入PSM状态，以及在PSM状态驻留的时长由核心网和终端协商。
如果设备支持PSM（PowerSavingMode），在附着或TAU（TrackingAreaUpdate）过程中，向网络申请一个激活定时器值。
当设备从连接状态转移到空闲后，该定时器开始运行。
当定时器终止，设备进入省电模式。
进入省电模式后设备不再接收寻呼消息，看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中。
UE进入PSM模式后，只有在UE需要发送MO数据，或者周期TAU/RAU定时器超时后需要执行周期TAU/RAU时，才会退出PSM模式，TAU最大周期为310小时。
eDRX（ExtendedDRX）DRX状态被分为空闲态和连接态两种，依次类推eDRX也可以分为空闲态eDRX和连接态的eDRX。
不过在PSM中已经解释，IOT终端大部分呆在空闲态，所以咱们这里主要讲解空闲态eDRX的实现原理。
eDRX作为Rel-13中新增的功能，主要思想即为支持更长周期的寻呼监听，从而达到节电目的。
传统的2.56s的寻呼间隔对IOT终端的电量消耗较大，而在下行数据发送频率小时，通过核心网和终端的协商配合，终端跳过大部分的寻呼监听，从而达到省电的目的。
1.4大连接：
每个小区可达50K连接，这意味着在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。
第一：
NB的话务模型决定。
NB-IoT的基站是基于物联网的模式进行设计的。
它的话务模型是终端很多，但是每个终端发送的包小，发送包对时延的要求不敏感。
基于NB-IoT，基于对业务时延不敏感，可以设计更多的用户接入，保存更多的用户上下文，这样可以让50k左右的终端同时在一个小区，大量终端处于休眠态，但是上下文信息由基站和核心网维持，一旦有数据发送，可以迅速进入激活态。
第二：
上行调度颗粒小，效率高。
2G/3G/4G的调度颗粒较大，NB-IoT因为基于窄带，上行传输有两种带宽3.75KHz和15KHz可供选择，带宽越小，上行调度颗粒小很多，在同样的资源情况下，资源的利用率会更高。
第三：
减小空口信令开销，提升频谱效率。
NB-IoT在做数据传输时所支持的CP方案（实际上NB还支持UP方案，不过目前系统主要支持CP方案）做对比来阐述NB是如何减小空口信令开销的。
CP方案通过在NAS信令传递数据（DoNAS），实现空口信令交互减少，从而降低终端功耗，提升了频谱效率。
2.NB-IOT帧结构
2.1下行物理层结构
根据NB的系统需求，终端的下行射频接收带宽是180KHZ。
由于下行采用15KHZ的子载波间隔，因此NB系统的下行多址方式、帧结构和物理资源单元等设计尽量沿用了原有LTE的设计。
频域上：
NB占据180kHz带宽（1个RB），12个子载波（subcarrier），子载波间隔（subcarrierspacing）为15kHz。
时域上：
NB一个时隙（slot）长度为0.5ms，每个时隙中有7个符号（symbol）。
NB基本调度单位为子帧，每个子帧1ms（2个slot），每个系统帧包含1024个子帧，每个超帧包含1024个系统帧（upto3h）。
这里解释下，不同于LTE，NB中引入了超帧的概念，原因就是eDRX为了进一步省电，扩展了寻呼周期，终端通过少接寻呼消息达到省电的目的。
1个signal封装为1个symbol
7个symbol封装为1个slot
2个slot封装为1个子帧
10个子帧组合为1个无线帧
1024个无线帧组成1个系统帧（LTE到此为止了）
1024个系统帧组成1个超帧，over。
这样计算下来，1024个超帧的总时间=（1024*1024*10）/（3600*1000）=2.9h.
2.2上行物理层结构
频域上：
占据180kHz带宽（1个RB），可支持2种子载波间隔：
◢15kHz：
最大可支持12个子载波：
如果是15KHZ的话，那就真是可以洗洗睡了。
因为帧结构将与LTE保持一致，只是频域调度的颗粒由原来的PRB变成了子载波。
关于这种子帧结构不做细致讲解。
◢3.75kHz：
最大可支持48个子载波：
如果是3.75K的话，首先你得知道设计为3.75K的好处是哪里。
总体看来有两个好处，一是根据在《NB-IOT强覆盖之降龙掌》谈到的，3.75K相比15K将有相当大的功率谱密度PSD增益，这将转化为覆盖能力，二是在仅有的180KHZ的频谱资源里，将调度资源从原来的12个子载波扩展到48个子载波，能带来更灵活的调度。
支持两种模式：
◢SingleTone（1个用户使用1个载波，低速物联网应用，针对15K和3.75K的子载波都适用，特别适合IOT终端的低速应用）
◢Multi-Tone（1个用户使用多个载波，高速物联网应用，仅针对15K子载波间隔。
特别注意，如果终端支持Multi-Tone的话必须给网络上报终端支持的能力）
时域上：
基本时域资源单位都为Slot，对于15kHz子载波间隔，1Slot=0.5ms，对于3.75kHz子载波间隔，1Slot=2ms。
2.3上行资源单元RU
对于NB来说，上行因为有两种不同的子载波间隔形式，其调度也存在非常大的不同。
NB-IoT在上行中根据Subcarrier的数目分别制订了相对应的资源单位RU做为资源分配的基本单位。
基本调度资源单位为RU（ResourceUnit），各种场景下的RU持续时长、子载波有所不同。
时域、频域两个域的资源组合后的调度单位才为RU。
NPUSCHformat
子载波间隔
子载波个数
每RUSlot数
每Slot持续时长（ms）
每RU持续时长（ms）
场景
1（普通数传）
3.75kHz
1
16
2
32
Single-Tone
15kHz
1
16
0.5
8
3
8
4
Multi-Tone
6
4
2
12
2
1
2（UCI）
3.75kHz
1
4
2
8
Si
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