史上最全的NB-IoT知識

通常，我們把物聯網裝置分為三類：

①無需移動性，大資料量（上行），需較寬頻段，比如城市監控攝像頭。

②移動性強，需執行頻繁切換，小資料量，比如車隊追蹤管理。

③無需移動性，小資料量，對時延不敏感，比如智能抄表。

NB-IoT正是為了應對第③種物聯網裝置而生。

NB-IoT源起于現階段物聯網的以下幾大需求：

•覆寫增強（增強20dB）

•支援大規模連接配接，100K終端/200KHz小區

•超低功耗，10年電池壽命

•超低成本

•最小化信令開銷，尤其是空口。

•確定整個系統的安全性，包括核心網。

•支援IP和非IP資料傳送。

•支援短信（可選部署）。

對于現有LTE網絡，并不能完全滿足以上需求。即使是LTE-A，關注的主要是載波聚合、雙連接配接和D2D等功能，并沒有考慮物聯網。

比如，在覆寫上，以水表為例，所處位置無線環境差，與智能手機相比，高度差導緻信号差4dB，同時再蓋上蓋子，額外增加約10dB左右損耗，是以需要增強20dB。

在大規模連接配接上，物聯網裝置太多，如果用現有的LTE網絡去連接配接這些海量裝置，會導緻網絡過載，即使傳送的資料量小，可信令流量也夠得喝上幾壺。

此外，NB-IoT有自己的特點，比如不再有QoS的概念，因為現階段的NB-IoT并不打算傳送時延敏感的資料包，像實時IMS一類的裝置，在NB-IoT網絡裡不會出現。

是以，3GPP另辟蹊徑，在Release 13制定了NB-IoT标準來應對現階段的物聯網需求，在終端支援上也多了一個與NB-IoT對應的終端等級——cat-NB1。

盡管NB-IoT和LTE緊密相關，且可內建于現有的LTE系統之上，很多地方是在LTE基礎上專為物聯網而優化設計，但從技術角度看，NB-IoT卻是獨立的新空口技術。

今天，我們就來看看這一新空口技術到底有多新？

1 網絡

1.1 核心網

為了将物聯網資料發送給應用，蜂窩物聯網（CIoT）在EPS定義了兩種優化方案：

•CIoT EPS使用者面功能優化（User Plane CIoT EPS optimisation）

•CIoT EPS控制面功能優化（Control Plane CIoT EPS optimisation）

如上圖所示，紅線表示CIoT EPS控制面功能優化方案，藍線表示CIoT EPS使用者面功能優化方案。

對于CIoT EPS控制面功能優化，上行資料從eNB（CIoT RAN）傳送至MME，在這裡傳輸路徑分為兩個分支：或者通過SGW傳送到PGW再傳送到應用伺服器，或者通過SCEF（Service Capa- bility Exposure Function）連接配接到應用伺服器（CIoT Services），後者僅支援非IP資料傳送。下行資料傳送路徑一樣，隻是方向相反。

這一方案無需建立資料無線承載，資料包直接在信令無線承載上發送。是以，這一方案極适合非頻發的小資料包傳送。

SCEF是專門為NB-IoT設計而新引入的，它用于在控制面上傳送非IP資料包，并為鑒權等網絡服務提供了一個抽象的接口。

對于CIoT EPS使用者面功能優化，物聯網資料傳送方式和傳統資料流量一樣，在無線承載上發送資料，由SGW傳送到PGW再到應用伺服器。是以，這種方案在建立連接配接時會産生額外開銷，不過，它的優勢是資料包序列傳送更快。

這一方案支援IP資料和非IP資料傳送。

1.2 接入網

NB-IoT的接入網構架與LTE一樣。

eNB通過S1接口連接配接到MME/S-GW，隻是接口上傳送的是NB-IoT消息和資料。盡管NB-IoT沒有定義切換，但在兩個eNB之間依然有X2接口，X2接口使能UE在進入空閑狀态後，快速啟動resume流程，接入到其它eNB（resume流程将在本文後面詳述）。

1.3 頻段

NB-IoT沿用LTE定義的頻段号，Release 13為NB-IoT指定了14個頻段。

2 實體層

2.1 工作模式

部署方式（Operation Modes）

NB-IoT占用180KHz帶寬，這與在LTE幀結構中一個資源塊的帶寬是一樣的。是以，以下三種部署方式成為可能：

1）獨立部署（Stand alone operation）

适合用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200KHz，這剛好為NB-IoT 180KHz帶寬辟出空間，且兩邊還有10KHz的保護間隔。

2）保護帶部署（Guard band operation）

利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊。

3）帶内部署（In-band operation）

利用LTE載波中間的任何資源塊。

CE Level

CE Level，即覆寫增強等級（Coverage Enhancement Level）。從0到2，CE Level共三個等級，分别對應可對抗144dB、154dB、164dB的信号衰減。基站與NB-IoT終端之間會根據其所在的CE Level來選擇相對應的資訊重發次數。

雙工模式

Release 13 NB-IoT僅支援FDD 半雙工type-B模式。

FDD意味着上行和下行在頻率上分開，UE不會同時處理接收和發送。

半雙工設計意味着隻需多一個切換器去改變發送和接收模式，比起全雙工所需的元件，成本更低廉，且可降低電池能耗。

在Release 12中，定義了半雙工分為type A和type B兩種類型，其中type B為Cat.0所用。在type A下，UE在發送上行信号時，其前面一個子幀的下行信号中最後一個Symbol不接收，用來作為保護時隙（Guard Period, GP），而在type B下，UE在發送上行信号時，其前面的子幀和後面的子幀都不接收下行信号，使得保護時隙加長，這對于裝置的要求降低，且提高了信号的可靠性。

2.2 下行鍊路

對于下行鍊路，NB-IoT定義了三種實體信道：

1）NPBCH，窄帶實體廣播信道。

2）NPDCCH，窄帶實體下行控制信道。

3）NPDSCH，窄帶實體下行共享信道。

還定義了兩種實體信号：

1）NRS，窄帶參考信号。

2）NPSS和NSSS，主同步信号和輔同步信号。

相比LTE，NB-IoT的下行實體信道較少，且去掉了PMCH（Physical Multicast channel，實體多點傳播信道），原因是NB-IoT不提供多媒體廣播/多點傳播服務。

下圖是NB-IoT傳輸信道和實體信道之間的映射關系。

MIB消息在NPBCH中傳輸，其餘信令消息和資料在NPDSCH上傳輸，NPDCCH負責控制UE和eNB間的資料傳輸。

NB-IoT下行調制方式為QPSK。NB-IoT下行最多支援兩個天線端口（Antenna Port），AP0和AP1。

和LTE一樣，NB-IoT也有PCI（Physical Cell ID，實體小區辨別），稱為NCellID（Narrowband physical cell ID），一共定義了504個NCellID。

幀和時隙結構

和LTE循環字首（Normal CP）實體資源塊一樣，在頻域上由12個子載波（每個子載波寬度為15KHz）組成，在時域上由7個OFDM符号組成0.5ms的時隙，這樣保證了和LTE的相容性，對于帶内部署方式至關重要。

每個時隙0.5ms，2個時隙就組成了一個子幀（SF），10個子幀組成一個無線幀（RF）。

這就是NB-IoT的幀結構，依然和LTE一樣。

NRS（窄帶參考信号）

NRS（窄帶參考信号），也稱為導頻信号，主要作用是下行信道品質測量估計，用于UE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，無論有無資料傳送。

NB-IoT下行最多支援兩個天線端口，NRS隻能在一個天線端口或兩個天線端口上傳輸，資源的位置在時間上與LTE的CRS（Cell-Specific Reference Signal，小區特定參考信号）錯開，在頻率上則與之相同，這樣在帶内部署（In-Band Operation）時，若檢測到CRS，可與NRS共同使用來做信道估測。

▲NRS資源位置

同步信号

NPSS為NB-IoT UE時間和頻率同步提供參考信号，與LTE不同的是，NPSS中不攜帶任何小區資訊，NSSS帶有PCI。NPSS與NSSS在資源位置上避開了LTE的控制區域，其位置圖如下：

▲NPSS和NSSS資源位置

NPSS的周期是10ms，NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在小區搜尋時，會先檢測NPSS，是以NPSS的設計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列，這降低了初步信号檢測和同步的複雜性。

NBPBCH

NBPBCH的TTI為640ms，承載MIB-NB（Narrowband Master Information Block），其餘系統資訊如SIB1-NB等承載于NPDSCH中。SIB1-NB為周期性出現，其餘系統資訊則由SIB1-NB中所帶的排程資訊做排程。

和LTE一樣，NB-PBCH端口數通過CRC mask識别，差別是NB-IOT最多隻支援2端口。NB-IOT在解調MIB資訊過程中确定小區天線端口數。

在三種operation mode下，NB-PBCH均不使用前3個OFDM符号。In-band模式下NBPBCH假定存在4個LTE CRS端口，2個NRS端口進行速率比對。

▲NPBCH映射到子幀

▲黃色小格表明NPBCH資源占用位置，洋紅色表示NRS，紫色代表CRS

NPDCCH

NPDCCH中承載的是DCI（Downlink Control Information），包含一個或多個UE上的資源配置設定和其他的控制資訊。UE需要首先解調NPDCCH中的DCI，然後才能夠在相應的資源位置上解調屬于UE自己的NPDSCH（包括廣播消息，尋呼，UE的資料等）。NPDCCH包含了UL grant，以訓示UE上行資料傳輸時所使用的資源。

NPDCCH子幀設計如下圖所示：

▲淺綠色和深綠色代表NPDCCH使用的RE，紫色代表LTE CRS，藍色代表NRS。上圖表示在LTE單天線端口和NB-IoT2天線端口下in-band模式的映射

NPDCCH的符号起始位置：對于in-band，如果是SIB子幀，起始位置為3，非SIB子幀，起始位置包含在SIB2-NB中；對于stand-alone和Guard band，起始位置統一為0。

NPDCCH有别于LTE系統中的PDCCH的是，并非每個Subframe都有NPDCCH，而是周期性出現。NPDCCH有三種搜尋空間(Search Space)，分别用于排程一般資料傳輸、Random Access相關資訊傳輸，以及尋呼(Paging)資訊傳輸。

各個Search Space有無線資源控制(RRC)配置相對應的最大重複次數Rmax，其Search Space的出現周期大小即為相應的Rmax與RRC層配置的一參數的乘積。

RRC層也可配置一偏移(Offset)以調整Search Space的開始時間。在大部分的搜尋空間配置中，所占用的資源大小為一PRB，僅有少數配置為占用6個Subcarrier。

一個DCI中會帶有該DCI的重傳次數，以及DCI傳送結束後至其所排程的NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時間，NB-IoT UE即可使用此DCI所在的Search Space的開始時間，來推算DCI的結束時間以及排程的資料的開始時間，以進行資料的傳送或接收。

NPDSCH

NPDSCH的子幀結構和NPDCCH一樣。

NPDSCH是用來傳送下行資料以及系統資訊，NPDSCH所占用的帶寬是一整個PRB大小。一個傳輸塊（Transport Block, TB）依據所使用的調制與編碼政策(MCS)，可能需要使用多于一個子幀來傳輸，是以在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個TB對應的子幀數目以及重傳次數訓示。

2.3 上行鍊路

對于上行鍊路，NB-IoT定義了兩種實體信道：

1）NPUSCH，窄帶實體上行共享信道。

2）NPRACH，窄帶實體随機接入信道。

還有：

1）DMRS，上行解調參考信号。

NB-IoT上行傳輸信道和實體信道之間的映射關系如下圖：

除了NPRACH，所有資料都通過NPUSCH傳輸。

時隙結構

NB-IoT上行使用SC-FDMA，考慮到NB-IoT終端的低成本需求，在上行要支援單頻(Single Tone)傳輸，子載波間隔除了原有的15KHz，還新制訂了3.75KHz的子載波間隔，共48個子載波。

當采用15KHz子載波間隔時，資源配置設定和LTE一樣。當采用3.75KHz的子載波間隔時，如下圖所示：

15KHz為3.75KHz的整數倍，是以對LTE系統幹擾較小。由于下行的幀結構與LTE相同，為了使上行與下行相容，子載波空間為3.75KHz的幀結構中，一個時隙同樣包含7個Symbol，共2ms長，剛好是LTE時隙長度的4倍。

此外，NB-IoT系統中的采樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz，子載波間隔為3.75KHz的幀結構中，一個Symbol的時間長度為512Ts(Sampling Duration)，加上循環字首(Cyclic Prefix, CP)長16Ts，共528Ts。是以，一個時隙包含7個Symbol再加上保護區間(Guard Period)共3840Ts，即2ms長。

NPUSCH

NPUSCH用來傳送上行資料以及上行控制資訊。NPUSCH傳輸可使用單頻或多頻傳輸。

▲單頻與多頻傳輸

在NPUSCH上，定義了兩種格式：format 1和format 2。NPUSCH format 1 為UL-SCH上的上行信道資料而設計，其資源塊不大于1000 bits；NPUSCH format 2傳送上行控制資訊（UCI）。

映射到傳輸快的最小單元叫資源單元（RU，resource unit），它由NPUSCH格式和子載波空間決定。

有别于LTE系統中的資源配置設定的基本機關為子幀，NB-IoT根據子載波和時隙數目來作為資源配置設定的基本機關，如下表所示：

對于NPUSCH format 1，

當子載波空間為3.75 kHz時，隻支援單頻傳輸，一個RU在頻域上包含1個子載波，在時域上包含16個時隙，是以，一個RU的長度為32ms。

當子載波空間為15kHz時，支援單頻傳輸和多頻傳輸，一個RU包含1個子載波和16個時隙，長度為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，此資源機關剛好是LTE系統中的一個子幀。資源機關的時間長度設計為2的幂次方，是為了更有效的運用資源，避免産生資源空隙而造成資源浪費。

對于NPUSCH format 2，

RU總是由1個子載波和4個時隙組成，是以，當子載波空間為3.75 kHz時，一個RU時長為8ms；當子載波空間為15kHz時，一個RU時長為2ms。

對于NPUSCH format 2，調制方式為BPSK。

對于NPUSCH format 1，調制方式分為以下兩種情況：

●包含一個子載波的RU，采用BPSK和QPSK。

●其它情況下，采用QPSK。

由于一個TB可能需要使用多個資源機關來傳輸，是以在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了訓示上行資料傳輸所使用的資源機關的子載波的索引（Index），也會包含一個TB對應的資源機關數目以及重傳次數訓示。

NPUSCH Format 2是NB-IoT終端用來傳送訓示NPDSCH有無成功接收的HARQ-ACK/NACK，所使用的子載波的索引(Index)是在由對應的NPDSCH的下行配置設定(Downlink Assignment)中訓示，重傳次數則由RRC參數配置。

DMRS

根據NPUSCH格式，DMRS每時隙傳輸1個或者3個SC-FDMA符号。

▲NPUSCH format 1。上圖中，對于子載波空間為15 kHz ，一個RU占用了6個子載波。

▲NPUSCH format 2，此格式下，RU通常隻占一個子載波。

NPRACH

和LTE的Random Access Preamble使用ZC序列不同，NB-IoT的Random Access Preamble是單頻傳輸（3.75KHz子載波），且使用的Symbol為一定值。一次的Random Access Preamble傳送包含四個Symbol Group，一個Symbol Group是5個Symbol加上一CP，如下圖：

▲Radom Access Preamble Symbol Group

每個Symbol Group之間會有跳頻。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的子載波。

基站會根據各個CE Level去配置相應的NPRACH資源，其流程如下圖：

▲NB-IoT Random Acces流程

Random Access開始之前，NB-IoT終端會通過DL measurement（比如RSRP）來決定CE Level，并使用該CE Level指定的NPRACH資源。一旦Random Access Preamble傳送失敗，NB-IoT終端會在更新CE Level重新嘗試，直到嘗試完所有CE Level的NPRACH資源為止。

3 小區接入

NB-IoT的小區接入流程和LTE差不多：小區搜尋取得頻率和符号同步、擷取SIB資訊、啟動随機接入流程建立RRC連接配接。當終端傳回RRC_IDLE狀态，當需要進行資料發送或收到尋呼時，也會再次啟動随機接入流程。

3.1 協定棧和信令承載

總的來說，NB-IoT協定棧基于LTE設計，但是根據物聯網的需求，去掉了一些不必要的功能，減少了協定棧處理流程的開銷。是以，從協定棧的角度看，NB-IoT是新的空口協定。

以無線承載（RB）為例，在LTE系統中，SRB（signalling radio bearers，信令無線承載）會部分複用，SRB0用來傳輸RRC消息，在邏輯信道CCCH上傳輸；而SRB1既用來傳輸RRC消息，也會包含NAS消息，其在邏輯信道DCCH上傳輸。

LTE中還定義了SRB2，但NB-IoT沒有。

此外，NB-IoT還定義一種新的信令無線承載SRB1bis，SRB1bis和SRB1的配置基本一緻，除了沒有 PDCP，這也意味着在Control Plane CIoT EPS optimisation下隻有SRB1bis，因為隻有在這種模式才不需要。

▲NB-IoT協定棧

3.2 系統資訊

NB-IoT經過簡化，去掉了一些對物聯網不必要的SIB，隻保留了8個:

•SIBType1-NB：小區接入和選擇，其它SIB排程

•SIBType2-NB：無線資源配置設定資訊

•SIBType3-NB：小區重選資訊

•SIBType4-NB：Intra-frequency的鄰近Cell相關資訊

•SIBType5-NB：Inter-frequency的鄰近Cell相關資訊

•SIBType14-NB：接入禁止(Access Barring)

•SIBType16-NB：GPS時間/世界标準時間資訊

需特别說明的是，SIB-NB是獨立于LTE系統傳送的，并非夾帶在原LTE的SIB之中。

3.3 小區重選和移動性

由于NB-IoT主要為非頻發小資料包流量而設計，是以RRC_CONNECTED中的切換過程并不需要，被移除了。如果需要改變服務小區，NB-IoT終端會進行RRC釋放，進入RRC_IDLE狀态，再重選至其他小區。

在RRC_IDLE狀态，小區重標明義了intra frequency和inter frequency兩類小區，inter frequency指的是in-band operation下兩個180 kHz載波之間的重選。

NB-IoT的小區重選機制也做了适度的簡化，由于NB-IoT 終端不支援緊急撥号功能，是以，當終端重選時無法找到Suitable Cell的情況下，終端不會暫時駐紮(Camp)在Acceptable Cell，而是持續搜尋直到找到Suitable Cell為止。根據3GPP TS 36.304定義，所謂Suitable Cell為可以提供正常服務的小區，而Acceptable Cell為僅能提供緊急服務的小區。

3.4 随機接入過程

NB-IoT的RACH過程和LTE一樣，隻是參數不同。

基于競争的NB-IOT随機接入過程

基于非競争的NB-IOT随機接入過程

3.5 連接配接管理

由于NB-IoT并不支援不同技術間的切換，是以RRC狀态模式也非常簡單。

RRC Connection Establishment

RRC Connection Establishment流程和LTE一樣，但内容卻不相同。

很多原因都會引起RRC建立，但是，在NB-IoT中，RRCConnectionRequest中的Establishment Cause裡沒有delayTolerantAccess，因為NB-IOT被預先假設為容忍延遲的。

另外，在Establishment Cause裡，UE将說明支援單頻或多頻的能力。

與LTE不同的是，NB-IoT新增了Suspend-Resume流程。當基站釋放連接配接時，基站會下達指令讓NB-IoT終端進入Suspend模式，該Suspend指令帶有一組Resume ID，此時，終端進入Suspend模式并存儲目前的AS context。

當終端需要再次進行資料傳輸時，隻需要在RRC Connection Resume Request中攜帶Resume ID（如上圖第四步），基站即可通過此Resume ID來識别終端，并跳過相關配置資訊交換，直接進入資料傳輸。

簡而言之，在RRC_Connected至RRC_IDLE狀态時，NB-IoT終端會盡可能的保留RRC_Connected下所使用的無線資源配置設定和相關安全性配置，減少兩種狀态之間切換時所需的資訊交換數量，以達到省電的目的。

4 Data Transfer

如前文所述，NB-IoT定義了兩種資料傳輸模式：Control Plane CIoT EPS optimisation方案和User Plane CIoT EPS optimisation方案。對于資料發起方，由終端選擇決定哪一種方案。對于資料接收方，由MME參考終端習慣，選擇決定哪一種方案。

4.1 Control Plane CIoT EPS Optimisation

對于Control Plane CIoT EPS Optimisation，終端和基站間的資料交換在RRC級上完成。對于下行，資料包附帶在RRCConnectionSetup消息裡；對于上行，資料包附帶在RRCConnectionSetupComplete消息裡。如果資料量過大，RRC不能完成全部傳輸，将使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer消息繼續傳送。

這兩類消息中包含的是帶有NAS消息的byte數組，其對應NB-IoT資料包，是以，對于基站是透明的，UE的RRC也會将它直接轉發給上一層。

在這種傳輸模式下，沒有RRC connection reconfiguration流程，資料在RRC connection setup消息裡傳送，或者在RRC connection setup之後立即RRC connection release并啟動resume流程。

4.2 User Plane CIoT EPS optimisation

在User Plane CIoT EPS optimisation模式下，資料通過傳統的使用者面傳送，為了降低物聯網終端的複雜性，隻可以同時配置一個或兩個DRB。

此時，有兩種情況：

•當RRC連接配接釋放時，RRC連接配接釋放會攜帶攜帶Resume ID，并啟動resume流程，如果resume成功，更新密匙安全建立後，保留了先前RRC_Connected的無線承載也随之建立。

•當RRC連接配接釋放時，如果RRC連接配接釋放沒有攜帶攜帶Resume ID，或者resume請求失敗，安全和無線承載建立過程如下圖所示：

首先，通過SecurityModeCommand和SecurityModeComplete建立AS級安全。

在SecurityModeCommand消息中，基站使用SRB1和DRB提供加密算法和對SRB1完整性保護。LTE中定義的所有算法都包含在NB-IoT裡。

當安全激活後，進入RRC connection reconfiguration流程建立DRBs。

在重配置消息中，基站為UE提供無線承載，包括RLC和邏輯信道配置。PDCP僅配置于DRBs，因為SRB采用預設值。在MAC配置中，将提供BSR、SR、DRX等配置。最後，實體配置提供将資料映射到時隙和頻率的參數。 

4.3 多載波配置

在RRCConnectionReconfiguration消息中，可在上下行設定一個額外的載波，稱為非錨定載波（non-anchor carrier）。

基于多載波配置，系統可以在一個小區裡同時提供多個載波服務，是以，NB-IoT的載波可以分為兩類：提供NPSS、NSSS與承載NPBCH和系統資訊的載波稱為Anchor Carrier，其餘的載波則稱為Non-Anchor Carrier。

當提供non-anchor載波時，UE在此載波上接收所有資料，但同步、廣播和尋呼等消息隻能在Anchor Carrier上接收。

NB-IoT終端一律需要在Anchor Carrier上面Random Access，基站會在Random Access過程中傳送Non-Anchor Carrier排程資訊，以将終端解除安裝至Non-Anchor Carrier上進行後續資料傳輸，避免Anchor Carrier的無線資源吃緊。

另外，單個NB-IoT終端同一時間隻能在一個載波上傳送資料，不允許同時在Anchor Carrier和Non-Anchor Carrier上傳送資料。