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看完此文还不懂NB-IoT,你就过来掐死我吧...

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看完此文还不懂NB-IoT,你就过来掐死我吧.......



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




不解释,看图,看看NB-IoT在哪里?



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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。



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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



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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。



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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*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*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*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*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*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*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*1个子载波,在时域*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*(CE Level),并使用根据覆盖水*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*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*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*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。


好了,来吧,掐死我....




参考文献:


NB-IOT,Antti Ratilainen


A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT),Y.-P. Eric Wang, Xingqin Lin, Ansuman Adhikary, Asbj?rn Gr?vlen, Yutao Sui, Yufei Blankenship, Johan Bergman, and Hazhir S. Razaghi,Ericsson Research, Ericsson AB


LoRa and NB-IoT,Gagan Gupta, Darshan Patil


NB-IoT解决方案,华为


LTE Signaling for IoT,Anhar Al-Ansi


部分图片来源:ROHDE&SCHWARZ,中国移动,华为,Intel,AT&T,NTT


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