新一代移动通信工程教学PPT第8章 NB-IoT技术.pptx

1、通常，我们把物联网设备分为三类：无需移动性，大数据量（上行），需较宽频段，比如城市监控摄像头。移动性强，需执行频繁切换，小数据量，比如车队追踪管理。无需移动性，小数据量，对时延不敏感，比如智能抄表。NB-IoT正是为了应对第种物联网设备而生。对于现有LTE网络，并不能完全满足以上需求。即使是LTE-A，关注的也主要是载波聚合、双连接和D2D等功能，并没有考虑物联网。覆盖能力更覆盖能力更强强：NB-IoT 信道带宽为15 kHz 和3.75 kHz（一个LTE 子载波或者1/4 个子载波），和GSM 相比，能够将相同的功率分配在更窄的信道上，功率谱密度提高约10 17 dB。重复发送及编码，为保

2、证传输的可靠性，NB-IoT采用重复发送和编码，可获得3 12 dB（重复发送2 16 次）的分集增益和3 4 dB 的编码增益，共计3 16 dB支持海量支持海量连接连接：评估可达到每小区5 万左右的连接数，这相对于LTE 每小区1 200 个连接已实现了数量级的增长。终端功耗终端功耗小小：根据3GPP TR45.820 的仿真数据，在耦合耗损164 dB 的恶劣环境下，PSM 和增强型DRX均部署，如果终端每天发送一次200 byte 报文，5 W/h电池寿命可达12.8 年。相对于目前蜂窝网的移动终端，物联网终端芯片工作频带窄，速率要求低，不需要多天线，因此射频部分和协议栈均可简化，模组

3、成本不超过5美元，而且该成本还有望伴随规模效应进一步降低。1、核心网图8.6 CIoT EPS控制方案示意图图8.7 NB-IoT的接入网构架示意图eNB通过S1接口连接到MME/S-GW，只是接口上传送的是NB-IoT消息和数据。尽管NB-IoT没有定义切换，但在两个eNB之间依然有X2接口，X2接口使能用户设备(UE，User Equipment)在进入空闲状态后，快速启动恢复流程，接入到其它eNB（恢复流程将在后面详述）。NB-IoT沿用LTE定义的频段号，Release 13为NB-IoT指定了14个频段。表8.1 NB-IoT频段FDD频段号上行（MHz）下行（MHz）11920-1

4、9802110-217021850-19101930-199031710-17851805-18805824-849869-8948880-915925-96012699-716729-74613777-787746-75617704-716734-74618815-830860-87519830-845875-89020832-862791-82126814-849859-89428703-748758-803661710-17802110-2170频段频率（MHz）带宽（MHz）频点数GSM 900上行890909；下行9359541994表8.2 中国移动GSM900频点分配频率规划方面

5、，主要考虑GSM 900频率可重耕多少和频率如何分配两个问题。如表8.2所示，以中国移动GSM 900网络为例，目前共有19 MHz带宽，94个GSM频点。图8.8 GSM可重耕带宽计算流程尽管NB-IoT和LTE紧密相关，且可集成于现有的LTE系统之上，很多地方是在LTE基础上专为物联网而优化设计，但从技术角度看，NB-IoT却是独立的新空口技术。表8.3 NB-IoT物理层参数物理层设计物理层设计下行下行上行上行多址技术多址技术OFDMASC-FDMA子载波带宽子载波带宽15 KHz3.75 KHz/15 KHz发射功率发射功率43 dBm23dBm帧长度帧长度1 ms1 msTTI长度长

6、度1 ms1 ms/8 msSCH低阶调制低阶调制QPSKBPSKSCH高阶调制高阶调制QPSKBPSK符号重复最大次数符号重复最大次数3232可分为三种方式，分别是独立部署(Standalone)、保护带部署(Guardband)、带内部署(Inband)，图8.10 带宽分配方式图8.9 NB-IoT的三种部署方式覆盖增强等级（CE Level，Coverage Enhancement Level）。从0到2，CE Level共三个等级，分别对应可对抗144 dB、154 dB、164 dB的信号衰减。基站与NB-IoT终端之间会根据其所在的CE Level来选择相对应的信息重发次数。Re

7、lease 13 NB-IoT仅支持FDD 半双工类型B模式。FDD意味着上行和下行在频率上分开，UE不会同时处理接收和发送。半双工设计意味着只需多一个切换器去改变发送和接收模式，比起全双工所需的元件，成本更低廉，且可降低电池能耗。图8.13 双工模式示意图图8.15 NB-IoT传输信道和物理信道之间的映射关系图8.16 NB-IoT帧和时隙结构示意图图8.17 NB-IoT帧结构示意图图8.18 NPBCH映射到子帧示意图图8.19 NPBCH资源占比示意图黄色小格表明NPBCH资源占用位置，洋红色表示NRS，紫色代表CRS。图8.20 NPDCCH子帧设计示意图浅绿色和深绿色代表NPDC

8、CH使用的RE，紫色代表LTE CRS，蓝色代表NRS。NPDSCH的子帧结构和NPDCCH一样。NPDSCH是用来传送下行数据以及系统信息，NPDSCH所占用的带宽是一整个PRB大小。一个传输块（Transport Block,TB）依据所使用的调制与编码策略，可能需要使用多于一个子帧来传输，因此在NPDCCH中接收到的下行链路分配中会包含一个TB对应的子帧数目以及重传次数指示。在用于广播和下行专用信道时，所有下行子帧都要传输NRS，无论有无数据传送。NB-IoT下行最多支持两个天线端口，NRS只能在一个天线端口或两个天线端口上传输，资源的位置在时间上与LTE的小区特定参考信号（CRS，Ce

9、ll-Specific Reference Signal）错开，在频率上则与之相同，这样在带内部署时，若检测到CRS，可与NRS共同使用来做信道估测。图8.21 NRS资源位置示意图NPSS的周期是10 ms，NSSS的周期是20 ms。NB-IoT UE在小区搜索时，会先检测NPSS，因此NPSS的设计为短的ZC(Zadoff-Chu)序列，这降低了初步信号检测和同步的复杂性。图8.22 NPSS和NSSS资源位置示意图窄带物理上行共享信道(NPUSCH，Narrowband Physical Uplink Share Channel)窄带物理随机接入信道(NPRACH，Narrowband

10、 Physical Random Access Channel)还有：上行解调参考信号(DMRS，Demodulation Reference Signal)。图8.23 NB-IoT上行传输信道和物理信道之间的映射关系示意图15 KHz为3.75 KHz的整数倍，所以对LTE系统干扰较小。由于下行的帧结构与LTE相同，为了使上行与下行相容，子载波空间为3.75 KHz的帧结构中，一个时隙同样包含7个符号，共2 ms长，刚好是LTE时隙长度的4倍。此外，NB-IoT系统中的采样频率为1.92 MHz，子载波间隔为3.75 KHz的帧结构中，一个符号的时间长度为512 Ts，加上循环前缀(Cyc

11、lic Prefix,CP)长16 Ts，共528 Ts。因此，一个时隙包含7个符号再加上保护区间(Guard Period，GP)共3840 Ts，即2 ms长。NPSCHfNSCRUNSLCTULNsymbUL13.75 KHz116715 KHz116386412223.75 KHz1415 KHz14表8.4 NB-IoT资源分配图8.25 NB-IoT单频与多频传输示意图NPUSCH用来传送上行数据以及上行控制信息。NPUSCH传输可使用单频或多频传输。图8.26 NPUSCH 格式1示意图图8.27 NPUSCH 格式2示意图图8.29 NB-IoT 随机接入流程示意图一次的RAP

12、传送包含四个符号组，一个符号组是5个符号加上一个CP，如下图：图8.28 RAP符号组示意图图8.30 NB-IoT协议栈系统信息块系统信息块目录目录MIB为了接收更多系统信息而需求的基本信息SIB Type1-NB蜂窝接入，并选择另外的SIB调度SIB Type2-NB无线资源配置信息SIB Type3-NB频带内、频带间的蜂窝重选信息SIB Type4-NB频带内蜂窝重选，且与邻居蜂窝相关的关联信息SIB Type5-NB频带间蜂窝重选，且与邻居蜂窝相关的关联信息SIB Type14-NB接入静止参数SIB Type16-NB与 GPS时间和通用协调时间(UTC)相关的信息表8.5 NB-

13、IoT系统信息汇总NB-IoT的小区重选机制也做了适度的简化，由于NB-IoT 终端不支持紧急拨号功能，所以，当终端重选时无法找到Suitable Cell的情况下，终端不会暂时驻扎在Acceptable Cell，而是持续搜寻直到找到Suitable Cell为止。根据3GPP TS 36.304定义，所谓Suitable Cell为可以提供正常服务的小区，而Acceptable Cell为仅能提供紧急服务的小区。图8.31 基于竞争的NB-IoT随机接入过程图8.32 基于非竞争的NB-IOT随机接入过程图8.35 RRC连接全过程图8.36信息传输过程图8.37 RRC连接释放过程图8.

14、38 RRC连接释放完成过程图8.39 安全模式建立图8.40 RRC 连接重配置流程在RRCConnectionReconfiguration消息中，可在上下行设置一个额外的载波，称为非锚定载波。基于多载波配置，系统可以在一个小区里同时提供多个载波服务，因此，NB-IoT的载波可以分为两类：提供NPSS、NSSS与承载NPBCH和系统信息的载波称为锚定载波，其余的载波则称为非锚定载波。当提供非锚定载波时，UE在此载波上接收所有数据，但同步、广播和寻呼等消息只能在锚定载波上接收。NB-IoT终端一律需要在锚定载波上面随机接入，基站会在随机接入过程中传送非锚定载波调度信息，以将终端卸载至非锚定载波上进行后续数据传输，避免锚定载波的无线资源吃紧。另外，单个NB-IoT终端同一时间只能在一个载波上传送数据，不允许同时在锚定载波和非锚定载波上传送数据。