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

 

不解釋，看圖，看看NB-IoT在哪裏？

 

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NB-IoT標准化曆程

 

 

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。

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NB-IoT設計目標和用例

 

NB-IoT主要面向大規模物聯網連接應用，其設計目標：

?低成本、低複雜性：模塊成本小于5美元，2020年目標2-3美元

?增強覆蓋：164 dB MCL，比GPRS强20dB

?電池壽命：10年

?容量：約55000連接設備/小區

?上行報告時延：小于10S

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NB-IoT關鍵技術
 

如何增強覆蓋？
 

    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。

 

簡單定義：

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

NB-IoT的MCL为164 dB。
 

①提升上行功率譜密度

 

    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重傳

    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減少協議棧處理開銷

 

    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：低速率和低帶寬本身意味著芯片處理複雜度降低。

如何省電？

①PSM（power saving mode）

    怎樣最省電？當然是“關機”最省電啊。
 

    手機需要時刻待命，不然有人打電話給你找不到怎麽辦？但這意味著手機需不時監聽網絡，這是要耗電的。

 

    但物聯網終端不同于手機，絕大部分時間在睡覺，每天甚至每周就上報一兩條消息，完事後就睡覺。所以它不必隨時監聽網絡，PSM就是讓物聯網終端發完數據就進入休眠狀態，類似于關機，不進行任何通信活動。

②eDRX

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

    手機可以斷斷續續的接收信號以達到省電的目的。NB-IoT擴展了這個斷續間隔，可擴展至2.91小時，更加省電。

    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。

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NB-IoT與LTE有什麽不同？

先來簡單回憶一下LTE...

 

    無線幀長10ms，子幀1ms，時隙0.5ms，每無線幀內10個子幀，一個子幀2時隙，下行采用正交頻分多址(OFDMA)技術，子載波間隔15kHz...多麽熟悉的身影。

    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。

    這正是NB-IoT被號稱爲史上最快完成的通信標准的主要原因（半年多就完成），這帶來的另一個好處是與現有LTE相容，減少NB-IoT的設備和軟件投入，以快速搶占物聯網風口。

    但也有不同之處。以下章節我們一邊介紹NB-IoT，一邊對比LTE。
 

5.1 传输方案

下行傳輸方案

    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。

 上行傳輸方案

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

 

 

    多頻傳輸基于SC-FDMA，子載波間隔爲15kHz，0.5ms時隙，1ms子幀（與LTE一樣）。單頻傳輸子載波間隔可爲15KHz以及3.75KHz，其中15KHz與LTE一樣，以保持兩者在上行的相容性；其中當子載波爲3.75KHz時，其幀結構中一個時隙爲2ms長（包含7個符號），15KHz爲3.75KHz的整數倍，所以對LTE系統有較小的幹擾。

    與下行一樣，NB-IoT上行總系統帶寬爲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。

不過，上一段的最後一句話是錯誤的。在帶內部署模式下，有些PRB，NB-IoT是不能占用的。

    與LTE一樣，NB-IoT終端在開機並搜索載波（小區）時，會在可能的頻率範圍內重複PSS/SSS的搜索和檢測過程，直至搜索到相應的載波（NB-IoT錨定載波），頻率掃描的柵格（raster）大小爲100kHz。

    所謂柵格（raster）也是用于調整LTE載波頻率位置的最小單位，表示各個頻點間的間隔應該是100KHz的整數倍，相當于一條高速路劃分爲若幹車道，兩個車道之間的中心距離爲100KHz的整數倍。手機終端在頻率掃描是就是按100KHz整數倍來掃描的。

    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，這裏留一道作業題，像聯通900M只有6M帶寬這種情況，怎麽辦？

    與帶內部署模式相似，保護帶部署模式下，NB-IoT的錨定載波也需滿足其中心頻率與最近的100KHz柵格不超過7.5KHz偏差，因爲終端在小區搜索時，其柵格偏差需滿足7.5KHz以下，才能完成網絡同步。

    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)也滿足離最近的100KHz柵格有2.5KHz偏差，爲啥就不能部署帶內NB-IoT的PRB呢？

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

5.3 物理信道

    NB-IoT物理信道的設計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：

①NRS，窄帶參考信號

②NPSS和NSSS，主同步信號和輔同步信號

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

▲NB-IoT下行物理信道和信號之間的時分複用

    如上圖，NB-IoT子幀被分配給了不同的物理信道和信號，每一個NB-IoT子幀在頻域上是一個PRB（12個子載波），在時域上爲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無線幀中5號子幀（＃5），周期爲10ms，使用每子幀中的最後11個OFDM符號（如下圖）。

 

    對于NB-IoT終端來講，執行NPSS檢測是一項計算複雜的過程，有違于其設計簡單化的目標，因此，NPSS的設計爲短的ZC(Zadoff-Chu)序列。

    NSSS位于子幀#9，周期爲20ms，僅出現于偶數幀，同樣使用每子幀中的最後11個OFDM符號。

 

    NPSS爲NB-IoT終端提供時間和頻率同步參考信號，與LTE不同的是，NPSS中不攜帶任何小區信息，NSSS帶有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承載上行和下行數據信道的調度信息，包括上行數據信道的HARQ確認信息、尋呼指示和隨機接入響應調度信息、來自更高層的數據信息、尋呼消息、系統消息和隨機接入響應消息等。

    如以上NB-IoT物理信道時分複用圖所示，很多子幀被分配給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�。═BS）为680 bits，而无空间复用的LTE支持的最大TBS大于70000 bits。

NRS

    NRS（窄帶參考信號），也稱爲導頻信號，主要作用是下行信道質量測量估計，用于終端的相幹檢測和解調。在用于廣播和下行專用信道時，所有下行子幀都要傳輸NRS，無論有無數據傳送。

 

    NRS與承載NPBCH、NPDCCH和NPDSCH的子幀中的信息承載符號時頻複用，每天線端口每子幀使用8個RE。

上行

對于上行鏈路，NB-IoT定義了兩種物理信道：

①NPUSCH，窄帶物理上行共享信道。

②NPRACH，窄帶物理隨機接入信道。

還有DMRS，上行解調參考信號。

NPRACH

    由于LTE的PRACH信道帶寬爲1.08MHz，這遠遠高于NB-IoT上行帶寬，因此需重新設計。

    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跳頻

    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用來傳送上行數據以及上行控制信息，傳輸可使用單頻或多頻傳輸（前面介紹過）。

    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。

    有別于LTE系統中的資源分配的基本單位爲子幀，NB-IoT根據子載波和時隙數目來作爲資源分配的基本單位，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。

    當子載波空間爲15kHz時，支持單頻傳輸和多頻傳輸，一個RU包含1個子載波和16個時隙，長度爲8ms；當一個RU包含12個子載波時，則有2個時隙的時間長度，即1ms，此資源單位剛好是LTE系統中的一個子幀。資源單位的時間長度設計爲2的冪次方，是爲了更有效的運用資源，避免産生資源空隙而造成資源浪費。

    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：

●包含一個子載波的RU，采用BPSK和QPSK。

●其它情況下，采用QPSK。

這地方有點繞，換句話來理解：

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若支持多頻傳輸，則使用QPSK。

（補充：NB-IoT下行調制采用QPSK，下行信道編碼采用TBCC，上行信道編碼爲Turbo碼）

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

    在本節中，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。實質上，通過避免將NB-IoT信號映射到已經由傳統LTE信號已經使用的資源元素來保持與LTE信號的正交性。

    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。

 

 

    如上圖所示，每一列表明一個OFDM符號中的RE，每個OFDM符號有12個RE（對應12個子載波）。

    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，整個同步過程實際包括時間同步校准，頻偏校正，獲取CI和子幀和幀號參考。

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。

    如何在載波頻偏和低SNR環境下完成精准的同步呢？盡管NB-IoT的同步過程和LTE相似，但爲了解決上述兩個問題，NB-IoT對同步序列進行了改動。

如前所述，NPSS和NSSS被用来完成同步，NPSS占用每帧的子�。�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同步完成後，終端獲取了符號定時、載波頻偏和NB-PCID等信息。然後，終端獲取MIB信息，其通過位于每幀中的子幀#0的NPBCH信道廣播。NPBCH由8個自解碼子塊組成，每個子塊重複8次，每個子塊占用8個連續幀的子幀＃0，這樣設計的目的就是爲了讓處于深度覆蓋的終端成功獲取信息。

 

    通過以上設計，NB-IoT有效的補償了載波頻偏，並完成NPSS和NSSS同步、獲取MIB信息。至于柵格偏移，尤其是7.5KHz的偏移，有點不好解決。

 

    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，這裏解決了那道作業題“聯通900M只有6M帶寬這種情況，怎麽辦？”。

 

    至于較小的柵格偏移，由于每10個子幀中只有一個NPBCH子幀，是可實現的。

 

5.6 随机接入

 

    當需建立無線鏈路和調度請求時，NB-IoT會執行隨機接入。隨機接入的一個主要目的是實現上行鏈路同步，以保持上行正交性。

 

    類似于LTE，NB-IoT基于競爭的隨機接入包括四個步驟：

 

 

（1）UE發送隨機接入前導碼

（2）網絡發送隨機接入響應（包含TA命令和將在第三步使用的上行鏈路資源調度）

（3）UE使用調度資源，並向網絡回應身份標識

（4）網絡發送消息，解決多UE競爭接入問題。

 

    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允許使用以下參數在時、頻上靈活配置NPRACH資源：

時域：NPRACH資源的周期性，NPRACH資源的開始時間。

頻域：頻率位置（基于子載波偏移）和子載波數。

 

    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的隨機接入過程和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可以用于調度下行數據或上行數據。

 

    對于調度下行數據，在DCI中指示NPDCCH與相關聯的NPDSCH之間的精確時間偏移。考慮物聯網設備有限的計算能力，NPDCCH結束與相關NPDSCH的開始之間的時間偏移至少爲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。

 

    對于上行鏈路調度和HARQ操作，NPDCCH結束與相關NPUSCH開始之間的時間偏移至少爲8ms。在完成NPUSCH傳送之後，UE監視NPDCCH，以確認基站是否正確接收到NPUSCH，還是需要進行重傳。

 

6 

總結

 

最后，我们再總結一下NB-IoT的一些性能。

 

1）峰值數據速率

 

    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）覆蓋

 

    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）設備複雜性

 

爲了降低終端複雜性，NB-IoT設計如下：

 

●下行和上行的傳輸塊大小明顯減少

●下行只支持一個冗余版本

●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過程

●終端無需turbo解碼器

●無連接模式下的移動性測量，終端只需執行空閑模式下的移動性測量

●低帶寬，低采樣率

●僅支持FDD半雙工

 

4）時延和電池壽命

 

    NB-IoT主要針對時延不敏感的應用，不過，對于像發送告警信號等應用，NB-IoT支持10秒以下時延。對于164dB耦合損耗，終端平均每天傳送200字節數據，電池壽命可達10年。

 

5）容量

 

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