nb 最全科普！你一定要了解的NB-IoT

工信部发布公告，推动150万NB-物联网基站落地。NB-IoT正在风起云涌。很多网友要求雇佣兵普及一款NB-IoT，于是想出了一篇超级啰嗦的技术文章。

一个

物联网一路走来

从2G到4G，移动通信网络不断更新…

2G:GSM

▼

2)保护带操作

使用LTE边缘保护频段中未使用的180KHz带宽的资源块。

3)带内操作

使用LTE载波中间的任意资源块。

消费电子水平

CE级别，即覆盖增强级别。CE Level从0到2有三个等级，分别可以抵抗144dB、154dB和164dB的信号衰减。根据基站和物联网终端所在的消费电子等级，选择相应的信息重传次数。

双工方式

第13版NB-物联网仅支持FDD半双工B型模式。

FDD是指上行和下行在频率上是分开的，UE不会同时处理接收和发送。

半双工设计意味着只需要多一个开关来改变发送和接收模式。与全双工所需的组件相比，成本更低，并且可以降低电池能耗。

每个时隙为0.5毫秒，两个时隙构成一个子帧，十个子帧构成一个无线帧。

这是NB-IoT的帧结构，还是和LTE一样。

NRS

NRS，也称为导频信号，主要用于下行信道质量测量和估计，并在用户设备处用于相干检测和解调。当用于广播和下行链路专用信道时，所有下行链路子帧必须传输NRS，而不管是否传输数据。

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长期演进的小区特定参考信号交错，但是在频率上是相同的，因此当在带内操作期间检测到小区特定参考信号时，它可以与NRS一起用于信道估计。

▲NRS资源位置

同步信号

NPSS为基站-物联网用户设备时间和频率同步提供参考信号。与LTE不同，NPSS不携带任何小区信息，而NSSS携带PCI。NPSS和NSSS在资源位置上避开了LTE的控制区域，它们的位置图如下:

▲NPSS和NSSS资源的位置

NPSS的周期是10毫秒，NSSS的周期是20毫秒。NB-IoT UE在搜索小区时会首先检测到NPSS，因此将NPSS设计为短ZC序列，降低了初步信号检测和同步的复杂度。

NBPBCH

NBPBCH的TTI为640ms，携带MIB-nb，其他系统信息如SIB1-NB在NPDSCH中携带。SIB1-NB周期性出现，其他系统信息由SIB1-NB携带的调度信息进行调度。

与LTE一样，NB-PBCH端口的数量由CRC掩码标识，但不同的是NB-IOT最多只支持2个端口。NB-IOT在解调MIB信息的过程中确定小区天线端口的数量。

在三种操作模式下，NB-PBCH不使用前三个正交频分复用符号。在带内模式下，NBPBCH假设有4个LTE CRS端口和2个NRS端口用于速率匹配。

▲NPBCH映射到子帧

▲黄色方块表示NPBCH资源的占用位置，洋红色代表NRS，紫色代表CRS

窄带物理下行控制信道

DCI是在网络传输控制信道中携带的，它包含一个或多个用户设备上的资源分配和其他控制信息。UE需要先解调NPDCCH中的DCI，然后才能解调自己的npdch。)在相应的资源位置。NPDCCH包含UL授权，以指示用户设备在上行链路数据传输中使用的资源。

NPDCCH子帧的设计如下图所示:

▲浅绿色和深绿色代表NPDCCH使用的RE，紫色代表LTE CRS，蓝色代表NRS。上图是LTE单天线端口和NB-IoT2天线端口下带内模式的映射

NPDCCH的符号起始位置:对于带内，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；对于单机和守护带，起始位置统一为0。

与LTE系统中的PDCCH不同，NPDCCH并不在每个子帧中都有NPDCCH，而是周期性出现。NPDCCH中有三个搜索空间，用于调度一般数据传输、随机接入相关信息传输和寻呼信息传输。

每个搜索空间具有对应于无线电资源控制配置的最大重复次数Rmax，并且搜索空间的出现周期是相应Rmax和由RRC层配置的参数的乘积。

RRC层还可以配置一个偏移量来调整搜索空间的开始时间。在搜索空之间的大多数配置中，占用的资源大小是一个PRB，只有少数配置占用六个子载波。

DCI包含DCI的重传时间和从DCI传输结束到其预定的NPDSCH或NPUSCH的延迟时间。物联网用户设备可以使用DCI所在的搜索空间的开始时间来计算DCI的结束时间和用于数据传输或接收的预定数据的开始时间。

窄带物理下行共享信道

NPDSCH的子帧结构与NPDCCH相同。

NPDSCH用于传输下行数据和系统信息，其占用的带宽为整个PRB大小。根据所使用的调制和编码策略，传输块可能需要使用多个子帧进行传输，因此在NPDCCH中接收的下行链路分配包含对应于一个传输块的子帧的数量和重传时间的指示。

4.2.3上行链路

对于上行链路，NB-物联网定义了两个物理信道:

1)NPUSCH，窄带物理上行共享信道。

2)NPRACH，窄带物理随机接入信道。

以及:

1)DMRS，上行解调参考信号。

NB-IoT的上行传输信道和物理信道的映射关系如下:

除了NPRACH，所有数据都通过NPUSCH传输。

时隙结构

SC-FDMA用于NB-物联网的上行链路。考虑到物联网终端的低成本要求，上行链路应支持单音传输。除了原来的15千赫兹的副载波间隔之外，新的3.75千赫兹的副载波间隔已经建立，总共48个副载波。

子载波间隔为15KHz时，资源分配与LTE相同。当使用3.75千赫的副载波间隔时，如下图所示:

15KHz是3.75KHz的整数倍，对LTE系统的干扰较小。由于下行帧结构与LTE相同，为了使上下行兼容，在子载波空之间3.75KHz的帧结构中，一个时隙也包含7个Symbol，长2ms，正好是LTE时隙长度的4倍。

此外，在NB-IoT系统中采样速率为1.92MHz、子载波间隔为3.75KHz的帧结构中，一个符号的时间长度为512Ts，循环前缀为16Ts长，总计为528Ts。因此，一个时隙包含7个符号加上一个保护周期，总计3840秒，即2毫秒长。

NPUSCH

NPUSCH用于传输上行数据和上行控制信息。NPUSCH传输可以采用单频或多频传输。

▲单频和多频传输

在NPUSCH上，定义了两种格式:格式1和格式2。NPUSCH格式1是为UL-SCH上的上行信道数据设计的，其资源块不超过1000位；；NPUSCH格式2传输上行链路控制信息。

映射到快速传输的最小单元称为资源单元，由NPUSCH格式和子载波空决定。

与LTE系统中资源分配的基本单位不同，子帧是资源分配的基本单位，NB-IoT以子载波数和时隙数作为资源分配的基本单位，如下表所示:

使用NPUSCH格式1，

当副载波空为3.75 kHz时，只支持单频传输。一个RU包含一个频域子载波和16个时域时隙，因此一个RU的长度为32 ms

副载波空为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8 ms当一个RU包含12个子载波时，有2个时隙，也就是1ms，这个资源单元在LTE系统中只是一个子帧。资源单位的时间长度设计为2的幂，以更有效地利用资源，避免资源空缺口造成的资源浪费。

使用NPUSCH格式2，

RU总是由一个副载波和四个时隙组成，所以当副载波空为3.75 kHz时，一个RU的持续时间为8ms；当副载波空为15kHz时，一个RU的持续时间为2ms。

对于NPUSCH格式2，调制方法是BPSK。

对于NPUSCH格式1，调制方法分为以下两种情况:

●包含一个副载波的RU采用BPSK和QPSK。

●在其他情况下，使用QPSK。

由于一个TB可能需要使用多个资源单元进行传输，因此在NPDCCH中接收的上行链路授权不仅包括指示用于上行链路数据传输的资源单元的子载波索引，还包括对应于一个TB的资源单元的数量和重传次数的指示。

网络基站物联网终端使用NPUSCH格式2来发送指示是否成功接收到NPDSCH的HARQ确认/NACK。所使用的子载波的索引在相应的下行链路分配中指示，并且重传的次数由无线资源控制参数配置。

DMRS

根据美国国家公共广播公司的格式，DMRS每个时隙传输1或3个SC-FDMA符号。

▲NPUSCH格式1 .上图中，子载波空之间的距离为15 kHz，一个RU占用6个子载波。

▲NPUSCH格式2，在这种格式中，RU通常只占用一个副载波。

NPRACH

与使用ZC序列的LTE的随机接入前导码不同，NB-IoT的随机接入前导码是单频传输，使用的符号是某个值。随机接入前导传输包含四个符号组，一个符号组是五个符号加一个控制点，如下图所示:

▲随机接入前导码符号组

每个符号组之间会有跳频。选择发送的随机接入前导意味着选择初始子载波。

基站会根据每个CE等级配置相应的NPRACH资源，其流程如下:

▲ NB-IOT随机接入过程

在随机接入开始之前，物联网终端将通过下行链路测量确定上行链路等级，并使用上行链路等级指定的非随机接入信道资源。如果随机接入前导码未能被发送，则在升级消费电子等级时，移动终端将再次尝试，直到消费电子等级的所有非随机接入信道资源被尝试。

4.3小区接入

NB-IoT的小区接入过程类似于LTE:小区搜索获取频率和符号同步，获取SIB信息，启动随机接入过程建立RRC连接。当终端返回RRC_IDLE状态时，当需要数据传输或寻呼时，随机接入过程将再次开始。

4.3.1协议栈和信令承载

一般来说，NB-IoT协议栈是基于LTE设计的，但是根据物联网的要求，去掉了一些不必要的功能，降低了协议栈处理流程的开销。所以从协议栈的角度来看，NB-IoT是一种新的空端口协议。

以无线承载为例，在LTE系统中，SRB部分复用，SRB0用于传输RRC消息，RRC消息在逻辑信道CCCH上传输。而SRB1用于传输RRC消息和网络连接存储消息，它们在逻辑信道DCCH上传输。

LTE也定义了SRB2，但是NB-IoT没有。

此外，NB-IoT还定义了新的信令无线承载SRB1bis。SRB1bis和SRB1的配置基本相同，只是没有PDCP，这意味着只有SRB1bis在控制平面ciot EPS优化下，因为只有在这种模式下才不需要。

▲NB-物联网协议栈

4.3.2系统信息

NB-物联网已经简化，去除了一些物联网不需要的sib，只剩下8:

基站类型1-NB:小区接入和选择，其他基站调度

二类基站:无线资源分配信息

三类基站:小区重选信息

同频相邻小区相关信息

频率间相邻小区相关信息

SIBType14-NB:访问限制

Sibty16-nb:全球定位系统时间/通用标准时间信息

特别是SIB-NB独立于LTE系统传输，不夹带在原LTE的SIB中。

4.3.3小区重选和移动性

由于NB-IoT主要针对不常见的小数据包流量而设计，因此RRC_CONNECTED中的切换过程是不必要的，可以删除。如果需要改变服务小区，NB-IoT终端会释放RRC，进入RRC_IDLE状态，然后重新选择其他小区。

在RRC_IDLE状态下，小区重选定义了两种类型的小区:频内和频间，频间是指带内工作下两个180 kHz载波之间的重选。

NB-IoT的小区重选机制也得到了适度简化。由于NB-IoT终端不支持紧急拨号功能，当终端在重选过程中找不到合适的小区时，终端不会暂时驻留在可接受的小区中，而是继续搜索，直到找到合适的小区。根据3GPP TS 36.304的定义，所谓的合适小区是指可以提供正常服务的小区，而可接受小区是指只能提供紧急服务的小区。

4.3.4随机接入程序

NB-IoT的RACH过程与LTE相同，但参数不同。

基于竞争的IOT随机接入过程

非竞争NB-IOT随机接入过程

4.3.5连接管理

RRC状态模式也很简单，因为NB-IoT不支持不同技术之间的切换。

无线资源控制连接建立

RRC连接建立流程与LTE相同，但内容不同。

导致RRC建立的原因很多。然而，在NB-IoT中，在RRCConnectionRequest中的建立原因中没有延迟容许接入，因为假设NB-IOT预先容许延迟。

另外，在建立原因中，UE会说明支持单频或多频的能力。

与LTE不同，NB-IoT增加了暂停-恢复流程。当基站释放连接时，基站会发出指令让NB-IoT终端进入挂起模式，挂起指令携带一组恢复ID。此时，终端进入挂起模式，并存储当前的AS上下文。

当终端需要再次传输数据时，只需在RRC连接恢复请求中携带恢复标识，基站可以通过该恢复标识识别终端，跳过相关配置信息的交换，直接进入数据传输。

简而言之，当状态从RRC_Connected到RRC_IDLE时，NB-IoT终端会尽可能保留RRC_Connected下使用的无线资源分配和相关安全配置，减少两种状态切换时所需的信息交换次数，从而达到省电的目的。

4.4数据传输

如上所述，NB-IoT定义了两种数据传输模式:控制平面CIoT EPS优化方案和用户平面Ciot EPS优化方案。对于数据发起者，终端选择哪个方案来决定。对于数据接收方，MME参考终端习惯，选择哪个方案来决定。

4.4.1控制平面成本每股收益优化

对于控制平面ciot EPS优化，终端和基站之间的数据交换在RRC级完成。对于下行链路，数据包被附加到RRCConnectionSetup消息；对于上行链路，数据包被附加到RRCConnectionSetupComplete消息。如果数据量太大，无线资源控制无法完成所有传输，将使用数据信息传输和数据信息传输消息继续传输。

这两种类型的消息包含带有NAS消息的字节数组，对应于NB-IoT数据包。因此，它们对基站是透明的，用户设备的无线资源控制将直接把它们转发到上层。

在这种传输模式下，没有RRC连接重新配置过程，并且在RRC连接建立消息中传输数据，或者在RRC连接建立之后立即开始RRC连接释放和恢复过程。

4.4.2用户平面首席信息官每股收益优化

在用户平面优化模式下，数据通过传统用户平面传输。为了降低IOT终端的复杂性，只能同时配置一个或两个DRB。

此时，有两种情况:

当RRC连接释放时，RRC连接释放将携带恢复标识，并开始恢复过程。如果恢复成功，则在建立更新密钥的安全性之后，将建立具有先前预留的无线资源控制连接的无线承载。

当释放无线资源控制连接时，如果无线资源控制连接释放没有携带恢复标识或恢复请求失败，安全和无线承载建立过程如下图所示:

首先，通过SecurityModeCommand和SecurityModeComplete建立as级安全性。

在安全解码命令消息中，基站使用SRB1和DRB来提供加密算法并保护SRB1的完整性。LTE中定义的所有算法都包含在NB-IoT中。

在安全激活后，进入RRC连接重新配置过程以建立DRB。

在重配置消息中，基站为用户设备提供无线承载，包括RLC和逻辑信道配置。PDCP仅配置在DRB上，因为SRB采用默认值。在媒体访问控制配置中，将提供BSR、SR、DRX和其他配置。最后，物理配置提供将数据映射到时隙和频率的参数。

4.4.3多载波配置

在RRCConnectionReconfiguration消息中，可以在上行链路和下行链路中设置称为非锚载波的附加载波。

基于多载波配置，系统可以在一个小区内同时提供多载波服务。因此，NB-物联网的运营商可以分为两类:提供NPSS、NSSS和携带NPBCH和系统信息的运营商称为锚定运营商，其他运营商称为非锚定运营商。

当提供非锚定载波时，用户设备接收该载波上的所有数据，但同步、广播和寻呼消息只能在锚定载波上接收。

NB-IoT终端总是需要在锚定载波上进行随机接入，基站会在随机接入过程中发送非锚定载波的调度信息，从而将终端卸载到非锚定载波上进行后续的数据传输，避免了锚定载波无线资源的不足。

此外，单个NB-物联网终端只能同时在一个载波上传输数据，不允许同时在锚载波和非锚载波上传输数据。

网优秀佣兵投稿邮箱:wywd11@126.com

在沟通的路上，一起走！