NB-IoT物理層下行鏈路通信技術(shù)解析

羅智敏

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

NB-IoT技術(shù)作為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高的設(shè)備高效連接，有些NB-IoT設(shè)備電池壽命甚至可以提高至少 10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。

物理層作為無線通信技術(shù)的支撐性底層對(duì)通信性能有著至關(guān)重要的作用，可以看到幾乎所有實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)跨代的技術(shù)革命創(chuàng)新基本上都發(fā)生在物理層上。本文通過 NB-IoT頻率部署、下行傳輸方案、下行鏈路幀結(jié)構(gòu)和下行物理信道等幾個(gè)方面解析NB-IoT物理層下行鏈路通信技術(shù)，以及對(duì) LTE通信技術(shù)進(jìn)行比較，能夠讓讀者對(duì) NB-IoT物理層下行鏈路有更多的了解。

1 關(guān)于PRB的介紹

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(gè)概念：VRB（Vitural Resource Block）與PRB（Physical Resource Block）。在LTE中，mac層分配資源時(shí)，按照 VRB進(jìn)行分配，VRB映射到PRB上。

表1 的值注：由表1可看出，一個(gè)時(shí)隙中OFDM符號(hào)的數(shù)量取決于循環(huán)前綴長度和子載波間隔。

表1 的值注：由表1可看出，一個(gè)時(shí)隙中OFDM符號(hào)的數(shù)量取決于循環(huán)前綴長度和子載波間隔。

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2 NB-IoT頻率部署方案

對(duì)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(duì)應(yīng)LTE傳輸中的一個(gè)資源塊。NB-IoT支持三種頻率部署方案：

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

（2）Guard band（保護(hù)帶部署）：是將NB-IoT部署在LTE的邊緣保護(hù)帶內(nèi)，不占用任何PRB，需要預(yù)留和LTE之間的保護(hù)頻帶；

（3）Stand alone（獨(dú)立部署）：是部署在任何空閑的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(cè)留有10 kHz的保護(hù)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 N B-IoT下行傳輸方案

NB-IoT下行采用OFDMA多址方式，在頻域中僅使用1個(gè)LTE PRB，即12個(gè)15 kHz子載波，共計(jì)180 kHz。子載波間隔為15 kHz，時(shí)隙0.5 ms，子幀1 ms，每個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)符號(hào)，幾乎沿用了LTE的設(shè)計(jì)。此外，當(dāng)進(jìn)行帶內(nèi)部署時(shí)，NB-IoT與其他LTEPRB之間的物理信道保持正交。

4 N B-IoT下行鏈路幀結(jié)構(gòu)

在NB-IoT技術(shù)中，下行采用15 kHz子載波間隔，上行采用3.75 kHz與15 kHz兩種子載波間隔。對(duì)于15 kHz的子載波間隔而言，頻域上包含有12個(gè)連續(xù)子載波，時(shí)域上每個(gè)子幀包含兩個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長度為0.5 ms（此處OFDM符號(hào)數(shù)量依照正常

循環(huán)前綴數(shù)量進(jìn)行示意）。如圖2所示。

圖2 15 kHz子載波間隔頻域結(jié)構(gòu)示意圖

換作時(shí)頻域結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 15 kHz子載波間隔時(shí)域結(jié)構(gòu)示意圖

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(diǎn)的擴(kuò)展不連續(xù)接收模式（eDRX），為了進(jìn)一步省電，所以擴(kuò)展了尋呼周期，終端通過少接尋呼消息達(dá)到省電的目的。

5 NB-IoT下行物理信道

NB-IoT定義了三種下行物理信道與兩種參考信號(hào)：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），NPSS（Narrowband Primary Synchornization Signal），NRS（Narrowband Reference Signal）。信道間時(shí)分復(fù)用，每個(gè)無線幀的下行信道結(jié)構(gòu)如表 3所示。

表3 無線幀的下行信道結(jié)構(gòu)

5.1 NPDCCH

窄帶物理下行控制信道主要用于承載 DCI（Downlink Control Information），即進(jìn)行調(diào)度，包括上下行調(diào)度信息、 HA RQ確認(rèn)信息 ACK / NACK、隨機(jī)接入響應(yīng) RAR（Random Access Reponse）調(diào)度信息、尋呼指示等。 NPDCCH通過一個(gè)或兩個(gè)窄帶信道控制單元（NCCE，Narrowband Control Channel Element）的聚合進(jìn)行傳輸，一個(gè) NCCE占用6個(gè)連續(xù)子載波，根據(jù)NPDCCH兩種格式的不同，NCCE的選擇也有所區(qū)分，格式對(duì)應(yīng)見表 4。

表4 NPDCCH與NCCE關(guān)系

一個(gè) NPDCCH子幀內(nèi)，NCCE0占用連續(xù)子載波0-5，NCCE1占用連續(xù)子載波 6 -11，聚合等級(jí) AL=1時(shí)，占用NCCE0或者NCCE1。如圖 4所示。

需要注意的是，Stand alone和Guard band模式下，可以使用全部 OFDM符號(hào)，In-band模式下，需要錯(cuò)開LTE的控制符號(hào)位。

圖4 NCCE占用子載波示意圖

以帶內(nèi)部署為例，NCCE0和NCCE1均被使用，前三個(gè)符號(hào)位未被使用（符號(hào)起始位置的參數(shù)值由 SIB1-NB表示的資源映射區(qū)域大小決定，默認(rèn)符號(hào)位從0開始，帶內(nèi)部署更改此值防止與 LTE控制信道沖突），參考信號(hào) CRS（LTE）和NRS（NB-IoT）存在但未被使用（NCCE必須映射在 NRS或CRS周圍）。資源映射示意圖如圖 5所示。

圖5 參考信號(hào)CRS（LTE）和NRS（NB-IoT）資源映射示意圖

在隨機(jī)接入過程中，每個(gè) UE都分配有不同的無線電網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)符（RNTI，Radio Network Temporary Identifier），RA-RNTI用于隨機(jī)接入，P-RNTI用于尋呼，CRNTI作為UR的特定標(biāo)識(shí)符。這些標(biāo)識(shí)符隱式存在于NPDCCH的CRC中，因此，UE必須在其搜索空間中找到 RNTI，并對(duì)其進(jìn)行解碼。為了使得 UE在可行的解碼復(fù)雜度條件下獲取控制信道信息，NPDCCH配置了三種搜索空間：

（1）Type1公共搜索空間：UE通過此空間獲取尋呼消息（Paging），由 SIB-NB攜帶的 Paging消息對(duì)應(yīng)搜索空間中的配置參數(shù)進(jìn)行配置。

（2）Type2公共搜索空間：UE通過此空間獲取隨機(jī)接入響應(yīng)消息（RAR），由 SIB-NB攜帶的 RAR消息對(duì)應(yīng)搜索空間中的配置參數(shù)進(jìn)行配置。

（3）UE專屬搜索空間：UE通過此空間獲取專屬控制信息，由 RCC Connecion steup消息攜帶的 MSG4進(jìn)行配置。

此外，NPDCCH最大重復(fù)發(fā)送次數(shù)可由 RCC配置，用于改善覆蓋情況，取值范圍為 2的0次方冪到2的10次方冪。 4次重復(fù)發(fā)送示意圖如圖 6所示。

圖6 NPDCCH的4次重復(fù)發(fā)送示意圖

5.2 DCI

在NB-IoT中，下行控制信息存在三種格式（見表5）。

表5 NB-IoT下行控制信息格式

N0用于上行 NPUSCH調(diào)度，相當(dāng)于 LTE中的DCI0，NB-IoT中DCIN0格式定義見表 6。

表6 NB-IoT中DCIN0格式

N1格式用于下行 NPDSCH調(diào)度，除了尋呼承載與非競爭下的隨機(jī)接入觸發(fā)外，N1可用于所有的NPDSCH，包括用戶數(shù)據(jù)與 SIBs（System Information Blocks）。包括 RAR調(diào)度、指示對(duì) NPUSCH的HARQ ACK/NACK資源、指示 NPDSCH的重傳次數(shù)等。對(duì)于正常模式下、非競爭模式下的 RACH、隨機(jī)接入響應(yīng)，三者格式有所區(qū)別。

N2格式主要用于尋呼調(diào)度與直接指示系統(tǒng)更新，具體格式定義見表 7和表8：

表7

表8

5.3 NPDSCH

NPDSCH主要用于承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、尋呼消息、 RAR消息和系統(tǒng)消息（如 SIB1-NB）。NPDSCH有以下幾個(gè)說明點(diǎn)：

（1）調(diào)制方式：QPSK。

（2）最大傳輸塊大小（TBS，Transport Block Size）：680 bit。

（3）時(shí)頻域資源：占用連續(xù)的 12個(gè)子載波，Stand alone模式與 Guard band模式下占用全部 OFDM符號(hào)，In-band模式下需錯(cuò)開 LTE控制域符號(hào)（若是 NB-SIB1使用的 NPDSCH子幀，需要固定錯(cuò)開前3個(gè)符號(hào)）。

（4）最大重復(fù)次數(shù)：2，048次，通過重復(fù)傳送同一NPDSCH的方式確保傳輸?shù)馁|(zhì)量。

（5）跨子幀調(diào)度：延時(shí)調(diào)度。除了通過調(diào)度延遲之外，另一種在物理層體現(xiàn)延遲傳輸 NPDSCH的技術(shù)是設(shè)置 GAP，GAP的長度由系統(tǒng)消息中的公共資源配置參數(shù)決定。

5.4 NPDBCH

NPDBCH位于無線幀的 0號(hào)子幀，攜帶系統(tǒng)主消息塊 NB-MIB，包括系統(tǒng)幀號(hào)（SFN）、SIB1-NB的調(diào)度信息等。系統(tǒng)消息占用34 bit位，廣播周期為640 ms，重復(fù)8次發(fā)送。幀結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 NB-MIB幀結(jié)構(gòu)示意圖

其中，深色標(biāo)記為NPDBCH子幀。NPBCH子幀的資源映射情況如圖8所示。

圖8 NPBCH子幀的資源映射情況

由圖7、圖8分析可知，MIB-NB分為8個(gè)子塊傳輸，每個(gè)子塊包含8個(gè)連續(xù)的無線幀，傳輸時(shí)長為80 ms，使用連續(xù)8個(gè)無線幀的后11個(gè)符號(hào)位承載。每個(gè)MIB-NB的傳輸時(shí)長為640 ms，通過時(shí)間分集增益保證NPDBCH的接收性能。

5.5 N SSS和NPSS

窄帶主同步信號(hào)僅作為小區(qū)同步使用（時(shí)間同步與頻率同步），不攜帶任何小區(qū)信息；窄帶輔同步信號(hào)用于獲取NPCID（NB-IoT的物理單元ID）等。NPSS的資源映射如圖9所示。

圖9 NPSS的資源映射

NSSS的資源映射如圖10所示。

圖10 NSSS的資源映射

由此可知，NPSS位于每個(gè)無線幀的第5號(hào)子幀，信號(hào)周期為10 ms；NSSS位于偶數(shù)幀的第9號(hào)子幀，信號(hào)周期為20 ms。由于UE在進(jìn)行同步時(shí)，對(duì)操作模式未知，因而NPSS和NSSS皆使用后11個(gè)符號(hào)位。

注意：在NB-IoT中主同步信號(hào)傳輸?shù)淖訋枪潭ǖ模瑫r(shí)對(duì)應(yīng)的天線端口號(hào)也是固定的；另外，當(dāng)在帶內(nèi)部署模式下，NSSS與CRS重疊時(shí)，重疊部分不記作NSSS，但仍作為NSSS符號(hào)的一個(gè)占位匹配項(xiàng)。

NPSS就是基于這樣的時(shí)間累計(jì)來設(shè)計(jì)的，其原理就是用時(shí)間來換精確性，用加權(quán)累積過程來糾正頻偏。覆蓋信號(hào)越差的終端，需要的累加次數(shù)越高。

NPSS和NSSS同步完成后，終端獲取了符號(hào)定時(shí)、載波頻偏和NB-PCID等信息。然后，終端獲取MIB信息，其通過位于每幀中的子幀#0的NPBCH信道廣播。NPBCH由8個(gè)自解碼子塊組成，每個(gè)子塊重復(fù)8次，每個(gè)子塊占用8個(gè)連續(xù)幀的子幀＃0，這樣設(shè)計(jì)的目的就是為了讓處于深度覆蓋的終端成功獲取信息。

5.6 NRS

窄帶參考信號(hào)用于下行鏈路信道估計(jì)，為UE的相干解調(diào)和檢測提供參考符號(hào)。In-band模式下，NPDCCH和NPDSCH必須傳輸NRS；在Standalone和Guard band模式下，按需傳輸NRS。

相比LTE，NB-IoT的下行物理信道較少，且去掉了PMCH（Physical Multicast channel，物理多播信道），原因是NB-IoT不提供多媒體廣播/組播服務(wù)，使得物理層下行鏈路簡易化。

6 結(jié)束語

通過對(duì)NB-IoT物理層下行鏈路的解析，可以發(fā)現(xiàn)下行傳輸方案NB-IoT下行與LTE相似，但去除部分物理信道，使得結(jié)構(gòu)簡易，也能夠凸顯NB-IoT通信技術(shù)所具有的特點(diǎn)，對(duì)NB-IoT技術(shù)有了更深層次的理解。