3GPP窄带物联网（NB-IoT）入门手册

摘要： 窄带物联网（NB-IoT）是3GPP Release 13中引入的新型蜂窝技术，用于为物联网（IoT）提供广域覆盖。描述NB-IoT如何解决物联网（IoT）关键要求，例如部署灵活性、低设备复杂性、长电池寿命、单个蜂窝网内支持大量设备以及超出现有蜂窝技术的覆盖范围显著提高。

1.简介

1.物联网因巨大需求而产生。3GPP（第三代合作伙伴计划）解决大范围物联网问题。NB-IoT旨在提供部署灵活性，允许操作员使用其现有可用频谱的一小部分引入NBIoT。 NB-IoT主要针对超低端IoT应用。

2.NB-IoT是新的3GPP标准，可以和GSM，GPRS，LTE共存；NB-IoT需要190kHz的最低带宽，GSM运营商可以用NB-IoT替换一个GSM载波（200 kHz）。

3.NB-IoT广泛地重用LTE设计，包括数字，下行正交频分多址（OFDMA），上行单载波频移多址（SC-FDMA），信道编码，速率匹配，交织等。减少设计时间。

2.传输方案和部署选项

A.下行传输方案：NB-IoT的下行链路基于下行正交频分多址（OFDMA），与LTE一样拥有15kHz子载波间隔。时隙，子帧和帧持续时间都和LTE一样。实质上，NB-IoT载波在频域中使用一个LTE 物理资源块（PRB），即总共180kHz的十二个15kHz子载波。重复使用与LTE相同的OFDM命理，可确保下行链路中与LTE的共存性能。

B.上行传输方案：NB-IoT的上行链路支持多频和单频传输。多频基于单载波频分多址（SC-FDMA），单频与LTE相同。同样使用180kHz系统带宽。

C.部署选项：NB-IoT可以使用超过180 kHz的任何可用频谱作为独立载波部署。也可以在LTE载波内或在保护频带内的LTE频谱分配内部署。

物理资源块（PR，physical resource block）

3.物理信道

NB-IoT物理信道在很大程度上是基于传统LTE设计的。 在本节中，我们将概述它们，重点介绍与传统LTE不同的方面

A.下行链路：NB-IoT在下行链路中提供以下物理信号和信道……

与LTE不同的是，这些NB-IoT物理信道和信号主要在时间上多路复用。

B.上行链路

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。

5.蜂窝搜索和初始捕获程序

同步是蜂窝通信中的一个重要方面。典型的同步过程包括确定定时对准，校正频偏，获得正确的蜂窝网标识，以及绝对子帧和帧号参考。

NB-IoT旨在用于非常低成本的用户设备（UE），并且同时为部署在具有高穿透损耗的环境中的UE提供扩展覆盖，例如建筑物的地下室。这种低成本的UE配备可以大于20ppm初始载波频率偏移（CFO）的低成本晶体振荡器。 部署在带内和LTE的保卫带中会引入额外的栅格偏移（2.5或7.5 kHz），如第二部分所述，从而产生更高的CFO。 尽管有这么大的CFO，但是UE也应该能够在非常低的SNR下执行准确的同步。

NB-IoT中的同步遵循与LTE中的同步过程相似的原理，但是改变了同步序列的设计，以便解决在非常低的SNR下估计大的频率偏移和符号定时的问题。

6.随机接入

在NB-IoT中，随机接入服务于多个目的，例如建立无线电链路和调度请求时的初始接入。 其中，随机接入的一个主要目标是实现上行链路同步，这对于维持NB-IoT中的上行链路正交性很重要。 类似于LTE，NB-IoT中的基于争用的随机接入过程包括四个步骤：（1）UE发送随机接入前导; （2）网络发送包含定时提前命令和上行链路资源调度的随机接入响应，以供UE在第三步骤中使用; （3）UE使用调度资源向网络发送其身份; 和（4）网络发送争用解决方案消息以解决由于在第一步骤中发送相同随机接入前导码的多个UE而导致的任何争用。

为了在具有不同路径损耗范围的不同覆盖类别中服务于UE，网络可以在单元中配置最多三个NPRACH资源配置。在每个配置中，指定用于重复基本随机接入前同步码的重复值。

总之，UE通过测量下行接收信号功率来确定其覆盖水平。 在读取关于NPRACH资源配置的系统信息之后，UE可以确定配置的NPRACH资源和其估计覆盖水平所需的重复次数以及随机接入前导码发射功率。 然后UE可以在NPRACH资源的一个周期内背靠背地发送基本单音随机接入前导码的重复。 随机接入过程中的其余步骤与LTE类似，省略细节

7.调度和HARQ操作

为了实现低复杂度UE实现，NB-IoT在下行链路和上行链路中仅允许一个HARQ进程，并且允许NPDCCH和NPDSCH两者更长的UE解码时间。采用异步自适应HARQ过程来支持调度灵活性。

8.性能

IoT用例的特点是数据速率，覆盖范围，设备复杂度，延迟和电池寿命等要求。 因此，这些是重要的绩效指标。 此外，在2015年至2023年期间，物联网业务预计年复合增长率为23％。因此，重要的是确保NB-IoT在未来几年有较好的支持能力。 在本节中，我们将在上述方面讨论NB-IoT性能。

A.峰值数据速率：NDSCH峰值数据速率可以通过使用680位的最大TBS并在3 ms内传输。 这提供了226.7kbps的峰值层-1数据速率。 NPUSCH峰值数据速率可以通过使用1000比特的最大TBS并在4毫秒内传输来实现。 这提供了250 kbps的峰值一层数据速率。 然而，当考虑DCI，NPDSCH / NPUSCH和HARQ确认之间的时间偏移时，下行链路和上行链路的峰值吞吐量都低于上述数值。

B.覆盖范围：NB-IoT实现了比LTE Rel-12高20 dB的最大耦合损耗。覆盖范围扩展是通过增加重复次数来减少数据速率来实现的。

C.设备复杂度：NB-IoT通过下面突出显示的设计实现低复杂度UE的实现。

显着减少下行链路和上行链路的传输块大小

仅支持下行链路中的一个冗余版本

仅支持下行链路和上行链路中的单流传输

UE只需要单个天线

仅支持下行链路和上行链路中的单个HARQ进程

由于只有TBCC用于下行链路信道，所以不需要在UE处的turbo解码器

不需要连接模式移动性测量。 UE仅需要在空闲模式下执行移动性测量

低采样率由于较低的UE带宽

仅允许半双工分频双工（FDD）操作

不需要并行处理。 物理通道的所有物理层程序和发送和接收顺序发生

覆盖目标通过20或23 dBm PA实现，使得可以在UE中使用集成PA。

D.延迟和电池寿命：NB-IoT针对延迟不敏感的应用。 然而，对于像发送报警信号的应用，NB-IoT被设计为允许不到10秒的延迟。NB-IoT旨在支持长电池寿命。 对于具有164 dB耦合损耗的器件，如果UE平均每天传输200字节数据，则可以达到10年的电池寿命。

E.容量：NB-IoT通过在上行链路和下行链路中仅使用一个PRB来支持大量的IoT容量。子PRB UE调度带宽在上行链路中引入，包括单个子载波NPUSCH。 注意，对于覆盖有限的UE，分配较高带宽不是频谱效率，因为UE不能从中受益，以能够以更高的数据速率进行传输。基于中的流量模型，具有一个PRB的NB-IoT每个小区支持超过52500个UE。 此外，NB-IoT支持多载波操作。因此，可以通过添加更多的NB-IoT载波来增加更多的IoT容量。

9.总结与展望

在本文中，给出了NB-IoT无线电接入的描述。 我们强调无线电接入的设计方式与LTE相比有所不同，以及如何设计来实现IoT的性能要求，如覆盖范围扩展，设备复杂度低，电池使用寿命长，并支持大量的IoT设备。 NB-IoT还被设计为允许与现有GSM和LTE网络轻松集成和共享无线电资源。 正在讨论下一个3GPP版本中NB-IoT的进一步增强，包括例如引入低复杂度多播功能，用于推出固件更新以及增强定位精度，这对许多IoT应用很重要。NB-IoT是建立第五代（5G）无线电接入技术的一个步骤，旨在实现机器类型通信的新用例。 预计NB-IoT将继续向5G要求发展

参考文献： Wang Y P E, Lin X, Adhikary A, et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)[J]. arXiv preprint arXiv:1606.04171, 2016.