NB-IoT 物理層上行鏈路通信技術解析

羅智敏

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

隨著NB-IoT 相關的硬件（如芯片、模組等技術）不斷發展，不同行業有不同的應用要求，降低硬件成本有助于進一步擴大產業規模。此外，在軟件方面需要打造多樣化的應用，可以進一步提升 NB-IoT 的競爭力。人們對于軟件應用的要求迅速上升，開發者為 NB-IoT技術提供不斷豐富的應用，可以增強對于 NB-IoT 應用乃至整個 NB-IoT 產業鏈的控制能力。

物理層作為無線通信技術的支撐性底層對通信性能有著至關重要的作用，可以看到幾乎所有實現通信系統跨代的技術革命創新基本上都發生在物理層。本文主要從 NB-IoT 物理層頻率部署、上行傳輸方案、上行鏈路幀結構和上行物理信道幾個方面進行解析，并對 LTE 通信技術進行比較，以便更好的掌握 NB-IoT 通信技術。

1 關于PRB 的理解

RB（Resource Block）用于描述某些物理信道到資源元素的映射，它有兩個概念： VRB（Vitural Resource Block）與PRB（Physical Resource Block）。在 LTE 中，mac 層分配資源時，按照VRB 進行分配， VRB 映射到PRB 上。

表1images/BZ_8_1672_1653_1703_1679.png與images/BZ_8_1779_1657_1810_1684.png的值配置循環前綴 12 7擴展循環前綴 12 6

由表1可看出，一個時隙中OFDM 符號的數量取決于循環前綴長度和子載波間隔。

2 NB-IoT 頻率部署方案

對于頻帶，使用與LTE 相同的頻段，如表2所示。

表2 工作頻帶

NB-IoT 占用180 kHz 的頻帶資源，對應 LTE 傳輸中的一個資源塊。 NB-IoT 支持三種頻率部署方案：

（1）In-band（帶內部署）：將 NB-IoT 部署在 LTE 有效帶寬內，占用其一個 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。與現有LTE UE 相似，NB-IoT UE 只在100 kHz 柵格上搜索載波（滿足整數倍頻率柵格的使UE 初始同步的NBIoT 載波稱為錨定載波），因此錨定載波只能位于相隔 5個180 kHz 帶寬的PRB 內。

（2）Guard band（保護帶部署）：將NB-IoT 部署在LTE 的邊緣保護帶內，不占用任何PRB，需要預留和LTE 之間的保護頻帶。

（3）Stand alone（獨立部署）：部署在任何空閑的180 kHz 頻譜上，適用于部署在重耕后的GSM 頻段。由于GSM 帶寬為200 kHz，NB-IoT 需要在其兩側留有10 kHz 的保護間隔。

頻率部署方案示意圖如圖1所示。

圖1 頻率部署方案示意圖

3 NB-IoT 上行傳輸方案

NB-IoT 上行采用SC-FDMA 多址方式，傳輸方式有多載波方式（ Multi-ton）和單載波方式（Single-ton）兩種：多載波方式與 LTE 具有相同的15 kHz 子載波間隔、 0.5 ms 時隙、 1 ms 子幀長度，每個時隙包含 7個SC-FDMA符號，這樣可以保持與LTE 在上行鏈路中的相容性；單載波方式配置 15 kHz 和3.75 kHz 兩種子載波間隔，由于每時隙符號數需保持不變， 3.75 kHz 的時隙延長至 2 ms（子幀長度延長至 4 ms），15 kHz 為3.75 kHz 的整數倍，所以對LTE 系統只有較小的干擾。具體如圖 2所示。

圖2 多載波方式（Multi-ton）和單載波方式（Single-ton）傳輸方案示意圖

4 NB-IoT 上行鏈路幀結構

在上行鏈路中，對于3.75 kHz 子載波間隔而言，其時隙長度延長至2 ms，一個子幀長度延長至4 ms，一個無線幀內包含有5個子幀。一個無線幀的時頻域示意圖如圖3所示。

基本時域資源單位都為 Slot，需要注意，對于上行幾乎不再提子幀的概念了，而是 slot 的概念。不同于LTE，NB-IoT 中引入的無線幀概念，原因就是在小功耗特點的擴展不連續接收模式 （eDRX），為了進一步省電，所以擴展了尋呼周期，終端通過少接尋呼消息達到省電的目的。

圖3 無線幀時域示意圖

5 NB-IoT 上行物理信道

NB-IoT 系統相較于 LT E 縮減了上行物理信道類型，重新設計了 2 種物理信道， NPUSCH（Narrowband Physical Uplink Share Channel）和NPRACH（Narrowband Physical Random Access Channel）；一種解調參考信號，DM-RS（Demodulation Reference Signal），不支持物理上行控制信道（PUCCH）。

5.1 NPUSCH

窄帶上行物理共享信道用于傳輸上行數據及上行控制信息，分為兩種格式。 NB-IoT 根據格式、子載波間隔、時隙數目確定對用戶設備的最小資源調度單位（ RU，Resource Unit，時域、頻域兩個域的資源組合后的調度單位，可與 LTE 中的PRB 進行參照）。此外， NPUSCH目前只支持單天線端口， NPUSCH 可以包含一個或多個RU。

注：對于天線端口的理解，與實際物理天線不同，天線端口是指由參考信號定義的邏輯發射通道。一個天線端口對應一個發射通道，終端根據天線端口對應的參考信號進行信道估計與數據解調。

（1）格式 1。用來承載上行共享傳輸信道（ ULSCH），用于攜帶上行業務數據或信令，使用 Turbo 碼，所占資源單位包含 Singleton 和Multiton 兩種方式：

對于Single-ton 方式，每個 RU 時隙數一樣，子載波帶寬包括 3.75 kHz 和15 kHz 兩種，對應的 RU 時長分別為 32 ms 和8 ms，調制方式為π /2-BPSK 或 π/4-QPSK。對于 Multiton 方式， 1個RU 分配3、6、 12個子載波，調制方式為 QPSK。

（2）格式 2。用來承載上行控制信息，傳送說明NPDSCH 傳輸有無成功接收的 H ARQ -ACK/NACK（HARQ，Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合式自動重傳請求，結合 FEC（前向錯誤糾正）與 ARQ（自動重傳請求）方法的技術）。只支持Singleton 方式。

格式2 傳輸ACK/NACK 信息，僅有 1bit 信息，采用重復編碼進行傳輸，且采用全“1”或者全“0”的編碼，降低復雜度。

以上信息整理成表如表3 所示。從表3 可以看出，NPUSCH 的兩種格式，其中格式1主要用來傳普通數據，類似于LTE 中的PUSCH 信道，而格式2資源主要用來傳UCI，類似于LTE 中的PUCCH 信道（其中一個功能）。

表3 NPUSCH兩種格式的區別

需注意NPUSCH 最大傳輸資源塊為1，000 bit，在上行非連續傳輸中，當傳輸時長大于256 ms，每256 ms傳輸時長進入一個時長40 ms 的GAP 區域，防止用戶設備長時間使用后發生頻率漂移（終端切入到下行傳輸，利用下行的同步信號進行同步跟蹤與頻偏補償，頻率偏移源自NB 低成本考慮所配備的晶振）。

5.2 NPRACH

NPRACH 用于用戶設備的隨機接入過程，隨機接入過程是用戶設備從空閑態獲取專用信道資源轉變為連接態的重要手段（獲取終端與基站間的上行同步）。NPRACH 子載波間隔為3.75 kHz， Singleton 方式傳輸。NB-IoT 能夠靈活為用戶設備進行NPRACH 配置，支持時頻域復用，不支持碼分復用。UE 與eNB 間基于競爭的隨機接入的流程如圖4所示（以 Type1-MSG3為例）。

圖4 UE與eNB間基于競爭的隨機接入的流程示意圖

由于LTE 的PRACH 信道帶寬為 1.08 MHz，這遠遠高于 NB-IoT 上行帶寬，因此需重新設計。 NB-IoT 的一個 NPRACH 前導碼（ 3.75 kHz 子載波）由 4個符號組構成，一個符號組包括 1 個CP（循環前綴）和 5 個符號（ 4個符號組通過跳頻發送，獲得頻率分集增益，跳頻發送限制在連續的 12個子載波內，由此看出一個NPRACH band 為45 kHz[3.75×12]，180 kHz 下 最 多 配置 4個band）。如圖5所示。 NPR ACH 有兩種前導碼格式（格式 0與格式1），CP 長度有 66.7 us 和266.7 us 兩種，對應不同的小區尺寸。因為 CP 的不同，便有了兩種不同長度的前導碼（5.6 ms 與6.4 ms），但最終占用時域 8 ms，多出的時間用作 GT 保護。

圖5 NB-IoT偽隨機跳變示意圖

NPRACH 通過重復發送前導碼獲得覆蓋增強，重發次數可選擇為{1，2，4，8，16，32，64，128}，在完成64次重復發送后，需進入 40 ms 的上行 GAP 區域。

5.3 DM-RS

解調參考信號用于對用戶設備所占NPUSCH 信道進行信道估計與相干解調。

每個RU 包含的子載波數量的不同，對應產生不同的解調參考信號。每個RU 包含一個子載波時，RU 內部的每個時隙中的序列組跳變一致；每個RU 包含多個子載波時，RU 內部每隔偶數時隙的序列組的計算方式重新變換一次，確保RU 內部每個時隙的每個子載波至少有一個參考信號，保證每個子載波能夠被正確解調。

此外，對于NPUSCH 兩種不同的格式，DM-RS 也不一樣。格式1每個NPUSCH 傳輸時隙每個子載波上包含一個DM-RS（3.75 kHz 間隔子載波位于每個時隙第 5個符號，15 kHz 間隔子載波位于每個時隙第 4個符號）；格式2 每個NPUSCH 傳輸時隙每個子載波上包含 3 個DM-RS（3.75 kHz 間隔子載波位于每個時隙1，2，3位，15 kHz 間隔子載波位于每個時隙第3，4，5位）。

對于格式1的DM-RS 在子載波中的占用情況如圖6所示，以一個RU 內6個連續子載波做情況說明。

圖6 NPUSCH格式1的DM-RS在子載波中的占用情況示意圖

同理，格式 2的占用如圖 7所示。

圖7 NPUSCH格式2的DM-RS在子載波中的占用情況示意圖

DM-RS 用 于 信 道 估 計。NPUSCH 格 式1 與LTE PUSCH 時隙結構相同，每時隙7 個OFDM 符號，中間一個符號作為DM-RS。格式 2同樣為每時隙7個OFDM符號，但將中間3個符號用作 DM-RS。

6 結束語

通過本文對 NB-IoT 物理層上行鏈路的解析，能夠讓大家更好地了解 NB-IoT 如何通過通信技術達到大容量、廣覆蓋和低功耗的特點，對 NB-IoT 技術有了更深層次的理解。