NB-IoT 物理层相关

写在前面

        本文作为简单说明，详细需具体查阅文档。

       

1. 关于 PRB 的理解

       RB（Resource Block），用于描述某些物理信道到资源元素的映射，它有两个概念：VRB（Vitural Resource Block）与 PRB（Physical Resource Block）。在 LTE 中，mac 层分配资源时，按照 VRB 进行分配，VRB 映射到 PRB 上。

       PRB，物理资源块，在时域中被定义为 N-symbol 个连续的 OFDM 符号；以 LTE 为例，在频域中被定义为 N-sc 个子载波（N-symbol 与 N-sc 的值见下表，来源见参考文献 1）。因此一个物理资源块可以被理解为由 N-symbol*N-sc 个资源元素组成，对应时域上的一个时隙或是频域上180KHz 。

        注：由上表可看出，一个时隙中 OFDM 符号的数量取决于循环前缀长度和子载波间隔。

2. NB-IoT 频率部署方案

        对于频带，使用与 LTE 相同的频带数字，见下表（参考文献7）：

        NB-IoT 占用180KHz的频带资源，对应 LTE 传输中的一个资源块。NB-IoT支持三种频率部署方案（参见参考文献5）：

        （1）In-band（带内部署）：将 NB-IoT 部署在 LTE 有效带宽内，占用其一个 PRB，需要注意的是，由于不能占用 LTE 的同步信道，NB-IoT 只能占用部分PRB。与现有 LTE UE 相似，NB-IoT UE 只在100KHz栅格上搜索载波（满足整数倍频率栅格的使 UE 初始同步的NB-IoT 载波称为锚定载波），因此锚定载波只能位于相隔5个180KHz带宽的 PRB 内。在不同 LTE 带宽下用于 NB-IoT 同步所使用的 PRB 索引表如下（见参考文献6）；

        （2）Guard band（保护带部署）：将 NB-IoT 部署在 LTE 的边缘保护带内，不占用任何 PRB ，需要预留和 LTE 之间的保护频带；

        （3）Stand alone（独立部署）：部署在任何空闲的 180KHz 频谱上，适用于部署在重耕后的 GSM 频段。由于 GSM 带宽为 200KHz，NB-IoT 需要在其两侧留有 10KHz 的保护间隔。

        频率部署方案示意图如下：

3. NB-IoT 上下行传输方案

3.1 NB-IoT 上行

       NB-IoT 上行采用 SC-FDMA 多址方式，传输方式有两种：多载波方式（Multiton）和单载波方式（Singleton）。多载波方式与 LTE 具有相同的 15KHz 子载波间隔、0.5ms 时隙、1ms 子帧长度，每个时隙包含7个 SC-FDMA 符号；单载波方式配置 15KHz 和 3.75KHz 两种子载波间隔，由于每时隙符号数需保持不变，3.75KHz 的时隙延长至 2ms（子帧长度延长至 4ms）。示意图如下：

3.2 NB-IoT 下行

       NB-IoT 下行采用 OFDMA 多址方式，在频域中仅使用1个LTE PRB，即12个15KHz子载波，共计180KHz。子载波间隔为 15KHz，时隙 0.5ms ，子帧 1ms ，每个时隙包含 7个符号。此外，当进行带内部署时，NB-IoT 与其他 LTE PRB 之间的物理信道保持正交。

4. NB-IoT 物理层帧结构

4.1 NB-IoT 下行链路 

       上述说明中提到，在 NB-IoT 技术中，下行仍采用 15KHz 子载波间隔，上行采用 3.75KHz 与 15KHz 两种子载波间隔。对于 15KHz 的子载波间隔而言，频域上包含有12个连续子载波，时域上每个子帧包含两个时隙，每个时隙长度为0.5ms（此处OFDM符号数量依照正常循环前缀数量进行示意 ）。根据参考文献1，示意图如下：

        换作时频域示意，示意如下：

4.2 NB-IoT 上行链路

        在上行链路中，对于3.75KHz 子载波间隔而言，其时隙长度延长至2ms，一个子帧长度延长至4ms，一个无线帧内包含有5个子帧（参照文献1）。此种情况下一个时隙的时频域示意图如下：

                

        一个无线帧的时频域示意图如下：

5. NB-IoT 上下行物理信道

5.1 NB-IoT上行

     NB-IoT 上行定义了2种物理信道，NPUSCH （Narrowband Physical Uplink Share Channel）和 NPRACH （Narrowband Physical Random Access Channel）；一种解调参考信号，DM-RS （Demodulation Reference Signal）。

NPUSCH

       窄带上行物理共享信道用于传输上行数据及上行控制信息，分为两种格式。NB-IoT 根据格式、子载波间隔、时隙数目确定对用户设备的最小资源调度单位（RU，Resource Unit，时域、频域两个域的资源组合后的调度单位，可与 LTE 中的 PRB 进行参照）。此外，NPUSCH 目前只支持单天线端口，NPUSCH 可以包含一个或多个 RU 。

        注：对于天线端口的理解，与实际物理天线不同，天线端口是指由参考信号定义的逻辑发射通道。一个天线端口对应一个发射通道，终端根据天线端口对应的参考信号进行信道估计与数据解调。

格式1

        用来承载上行共享传输信道（UL-SCH），用于携带上行业务数据或信令，使用 Turbo 码，所占资源单位包含 Singleton 和 Multiton 两种方式：

        对于 Singleton 方式，每个 RU 时隙数一样，子载波带宽包括 3.75KHz 和 15KHz 两种，对应的 RU 时长分别为 32ms 和 8ms，调制方式为 π/2-BPSK 或 π/4-QPSK。对于 Multiton 方式，1个 RU 分配 3、6、12个子载波，调制方式为 QPSK 。

格式2

        用来承载上行控制信息，传送说明 NPDSCH 传输有无成功接收的 HARQ-ACK/NACK （HARQ，Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合式自动重传请求，结合 FEC （前向错误纠正）与 ARQ （自动重传请求）方法的技术）。只支持 Singleton 方式。

        格式2传输 ACK/NACK 信息，仅有1bit信息，采用重复编码进行传输，且采用全‘1’或者全‘0’的编码，降低复杂度。

       以上信息整理成图表如下：

        备注：NPUSCH最大传输资源块为1000bit，在上行非连续传输中，当传输时长大于256ms，每256ms传输时长进入一个时长40ms的GAP区域，防止用户设备长时间使用后发生频率漂移（终端切入到下行传输，利用下行的同步信号进行同步跟踪与频偏补偿，频率偏移源自 NB 低成本考虑所配备的晶振）。

NPRACH

        NPRACH 用于用户设备的随机接入过程，随机接入过程是用户设备从空闲态获取专用信道资源转变为连接态的重要手段（获取终端与基站间的上行同步）。NPRACH 子载波间隔为3.75KHz，Singleton方式传输。NB-IoT 能够灵活为用户设备进行 NPRACH 配置，支持时频域复用，不支持码分复用。UE 与 eNB 间基于竞争的随机接入的流程示意如下（以 Type1-MSG3 为例）：

       一个 NPRACH 前导码由4个符号组构成，一个符号组包括1个 CP（循环前缀） 和5个符号（4个符号组通过跳频发送，获得频率分集增益，跳频发送限制在连续的12个子载波内，由此看出一个 NPRACH band 为45KHz[3.75*12]，180KHz下最多配置4个band），示意图如下。NPRACH 有两种前导码格式（格式0与格式1），CP长度有66.7us和266.7us两种，对应不同的小区尺寸。因为CP的不同，便有了两种不同长度的前导码（5.6ms与6.4ms），但最终占用时域8ms，多出的时间用作GT保护。

        NPRACH 通过重复发送前导码获得覆盖增强，重发次数可选择为 {1,2,4,8,16,32,64,128}，在完成64次重复发送后，需进入40ms的上行GAP区域。

        注：具体随机接入流程后续另起详写。

DM-RS

       解调参考信号用于对用户设备所占 NPUSCH 信道进行信道估计与相干解调。

       每个RU包含的子载波数量的不同，对应产生不同的解调参考信号。每个RU包含一个子载波时，RU内部的每个时隙中的序列组跳变一致；每个RU包含多个子载波时，RU内部每隔偶数时隙的序列组的计算方式重新变换一次，确保RU内部每个时隙的每个子载波至少有一个参考信号，保证每个子载波能够被正确解调。

      此外，对于 NPUSCH 两种不同的格式，DM-RS 也不一样。格式1每个 NPUSCH 传输时隙每个子载波上包含一个 DM-RS（3.75KHz间隔子载波位于每个时隙第5个符号，15KHz间隔子载波位于每个时隙第4个符号 ）；格式2每个 NPUSCH 传输时隙每个子载波上包含3个DM-RS（3.75KHz间隔子载波位于每个时隙1,2,3位，15KHz间隔子载波位于每个时隙第3,4,5位）。

       对于格式1的 DM-RS 在子载波中的占用情况示意图如下，以一个RU内6个连续子载波做情况说明：

        同理，格式2的占用示意图如下：

5.2 NB-IoT 下行

      NB-IoT 定义了三种下行物理信道与两种参考信号，分别为 NB-PDCCH（Narrowband Physical Downlink Control Channel）、NB-PDSCH（Narrowband Physical Downlink Share Channel）、NB-PDBCH（Narrowband Physical Downlink Broadcast Channel）、NSSS（Narrowband Secondary Synchornization Signal）和NPSS（Narrowband Primary Synchornization Signal）、NRS（Narrowband Reference Signal）。信道间时分复用，每个无线帧的下行信道结构如下所示：

NPDCCH

        窄带物理下行控制信道主要用于承载 DCI（Downlink Control Information），即进行调度，包括上下行调度信息、HARQ确认信息 ACK/NACK、随机接入响应 RAR（Random Access Reponse） 调度信息、寻呼指示等（见参考文献8）。NPDCCH 通过一个或两个窄带信道控制单元（NCCE，Narrowband Control Channel Element）的聚合进行传输，一个 NCCE 占用6个连续子载波，根据 NPDCCH 两种格式的不同，NCCE 的选择也有所区分，格式对应见下图。

        一个 NPDCCH 子帧内，NCCE0 占用连续子载波0~5，NCCE占用连续子载波6~11，聚合等级 AL=1 时，占用 NCCE0 或者 NCCE1，示意图如下：

        需要注意的是，Stand alone 和 Guard band 模式下，可以使用全部 OFDM 符号，In-band 模式下，需要错开 LTE的控制符号位。

        以带内部署为例，NCCE0 和 NCCE1 均被使用，前三个符号位未被使用（符号起始位置的参数值由SIB1-NB 表示的资源映射区域大小决定，默认符号位从0开始，带内部署更改此值防止与 LTE 控制信道冲突），参考信号CRS（LTE）和 NRS（NB-IoT）存在但未被使用（NCCE必须映射在 NRS 或 CRS 周围），资源映射示意图如下：

                                             

        随机接入过程中，每个 UE 都分配有不同的无线电网络临时标识符（RNTI，Radio Network Temporary Identifier），RA-RNTI 用于随机接入，P-RNTI 用于寻呼，CRNTI 作为 UR 的特定标识符。这些标识符隐式存在于 NPDCCH 的 CRC 中，因此 UE 必须在其搜索空间中找到 RNTI，并对其进行解码。为了使得 UE 在可行的解码复杂度条件下获取控制信道信息，NPDCCH 配置了三种搜索空间：

        （1）Type1 公共搜索空间：UE 通过此空间获取寻呼消息（Paging），由 SIB-NB 携带的 Paging 消息对应搜索空间中的配置参数进行配置；

        （2）Type2 公共搜索空间：UE 通过此空间获取随机接入响应消息（RAR），由 SIB-NB 携带的 RAR 消息对应搜索空间中的配置参数进行配置；

        （3）UE 专属搜索空间：UE 通过此空间获取专属控制信息，由 RCC Connecion steup 消息携带的 MSG4 进行配置。

        此外，NPDCCH 最大重复发送次数可由 RCC 配置，用于改善覆盖情况，取值范围为2的0次方幂到2的10次方幂。4次重复发送示意如下：

DCI

        NB-IoT中，下行控制信息存在三种格式（参照参考文献9），表格如下：

        N0 用于上行 NPUSCH 调度，相当于 LTE 中的 DCI0，参照文献10，NB-IoT 中 DCI N0 格式定义如下：

        N1 格式用于下行 NPDSCH 调度，除了 寻呼承载与非竞争下的随机接入触发外，N1 可用于所有的 NPDSCH ，包括用户数据与 SIBs（System Information Blocks）。包括 RAR 调度、指示对NPUSCH 的 HARQ ACK/NACK 资源、指示 NPDSCH的重传次数等。具体的格式定义见下，对于正常模式下、非竞争模式下的RACH、随机接入响应，三者格式有所区别。

        N2 格式主要用于寻呼调度与直接指示系统更新，具体格式定义如下：

NPDSCH

        NPDSCH 主要用于承载业务数据、寻呼消息、RAR 消息和系统消息（如 SIB1-NB）。NPDSCH 有以下几个说明点：

        （1）调制方式：QPSK ；

        （2）最大传输块大小（TBS，Transport Block Size）：680bit ；

        （3）时频域资源：占用连续的12个子载波，Stand alone 模式与 Guard band 模式下占用全部 OFDM 符号，In-band 模式下需错开 LTE 控制域符号（若是 NB-SIB1 使用的 NPDSCH 子帧，需要固定错开前三个符号）；

        （4）最大重复次数：2048次，通过重复传送同一 NPDSCH 的方式确保传输的质量；

        （5）跨子帧调度：延时调度，参考文献10 16.4 章节。除了通过调度延迟之外，另一种在物理层体现延迟传输 NPDSCH 的技术是设置 GAP，GAP 的长度由系统消息中的公共资源配置参数决定；

NPDBCH

        NPDBCH 位于无线帧的 0 号子帧，携带系统主消息块 NB-MIB，包括系统帧号（SFN）、SIB1-NB 的调度信息等。系统消息占用34 bit位，广播周期为 640ms，重复8次发送，帧结构示意图如下：

        

        其中蓝色标记为 NPDBCH 子帧。参照文献1，NPBCH 子帧的资源映射情况如下：

        由上两图分析可知，MIB-NB 分为8个子块传输，每个子块包含8个连续的无线帧，传输时长为80ms，使用连续8个无线帧的后11个符号位承载。每个 MIB-NB 的传输时长为 640ms，通过时间分集增益保证 NPDBCH 的接收性能。

NSSS 和 NPSS

      窄带主同步信号仅作为小区同步使用（时间同步与频率同步），不携带任何小区信息；窄带辅同步信号用于获取 NPCID（NB-IoT的物理单元 ID）等。

        NPSS 的资源映射如下：

        NSSS 的资源映射如下:

                          

        由上可知，NPSS 位于每个无线帧的第5号子帧，信号周期为10ms；NSSS 位于偶数帧的第9号子帧，信号周期为20ms。由于 UE 在进行同步时，对操作模式未知，因而 NPSS 和 NSSS 皆使用后11个符号位。

        注意：在  NB-IoT 中主同步信号传输的子帧是固定的，同时对应的天线端口号也是固定的；另外，当在带内部署模式下， NSSS 与 CRS 重叠时，重叠部分不记作 NSSS，但仍作为 NSSS 符号的一个占位匹配项。

NRS

        窄带参考信号用于下行链路信道估计，为 UE 的相干解调和检测提供参考符号。In-band 模式下，NPDCCH 和 NPDSCH 必须传输 NRS；在 Stand alone 和 Guard band 模式下，按需传输 NRS。

        具体公式说明见参考文献1 第10章节。

参考文献

1. 3GPP TS 36.211 version 10.0.0 Relase 10

2. 3GPP R2-164415

3. 3GPP R1-161809

4. 3GPP R1-161812

5. 3GPP RP-151612

6. 3GPP RP-160813

7. 3GPP TS 36.101 version 13.4.0 User Equipment radio transmission and reception

8. 3GPP R1-161803

9. 3GPP TS 36.212

10. 3GPP TS 36.213