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史上最全的NB-IoT知識,每個通信人都應該了解的

新聞來源: http://mt.sohu.com/20161209/n475367678.shtml 人(ren)氣(qi):0 發表時間:2019-06-03

通常,污香蕉视频App网址把(ba)物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備分為(wei)三類(lei):

①無(wu)需移動(dong)性,大數(shu)據(ju)量(上(shang)行),需較(jiao)寬(kuan)頻段(duan),比(bi)如(ru)城市(shi)監(jian)控攝像頭(tou)。

②移動性(xing)強(qiang),需執(zhi)行(xing)頻(pin)繁(fan)切換(huan),小數據量(liang),比如車(che)隊(dui)追(zhui)蹤(zong)管(guan)理。

③無需(xu)移(yi)動性,小數據量,對(dui)時(shi)延不(bu)敏感(gan),比如智(zhi)能抄(chao)表。

NB-IoT正是(shi)為了(le)應對第③種(zhong)物聯網設備(bei)而(er)生。

NB-IoT源(yuan)起(qi)於現階(jie)段物聯網的(de)以下幾大(da)需求:

?覆蓋增(zeng)強(增強20dB)

?支(zhi)持大規模連(lian)接(jie),100K終端(duan)/200KHz小(xiao)區

?超(chao)低功(gong)耗(hao),10年(nian)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)

?超低(di)成(cheng)本

?最小化(hua)信(xin)令開(kai)銷,尤(you)其是空口。

?確保整個(ge)係統(tong)的安(an)全性,包(bao)括核心(xin)網。

?支持IP和(he)非IP數據傳送(song)。

?支持短(duan)信(可選(xuan)部(bu)署)。

對於現(xian)有LTE網絡,並(bing)不能(neng)完全(quan)滿足以(yi)上需求(qiu)。即使是LTE-A,關注(zhu)的主要是載波聚合、雙連接和D2D等功能,並沒(mei)有考慮物聯網。

比如,在覆(fu)蓋(gai)上,以水(shui)表為例,所(suo)處位(wei)置無線(xian)環(huan)境(jing)差,與(yu)智能手(shou)機(ji)相(xiang)比,高(gao)度差(cha)導(dao)致(zhi)信號(hao)差4dB,同時再蓋上蓋子,額外增加約(yue)10dB左(zuo)右損耗,所以需要(yao)增強20dB。

在大規(gui)模連接上,物聯網設備太(tai)多,如果用(yong)現有(you)的LTE網絡(luo)去(qu)連接這(zhe)些(xie)海(hai)量設備,會(hui)導致網絡過(guo)載,即使傳送的數據量小,可信令(ling)流(liu)量也(ye)夠(gou)得(de)喝(he)上幾壺。

此外,NB-IoT有自(zi)己的特(te)點(dian),比如不再有QoS的概念(nian),因(yin)為現階段的NB-IoT並不打算傳送時延(yan)敏(min)感的數據包,像(xiang)實(shi)時IMS一類的設備,在NB-IoT網絡裏不會出現。

因此,3GPP另(ling)辟蹊徑(jing),在Release 13製(zhi)定了NB-IoT標準(zhun)來應對現階段的物聯網需求,在終(zhong)端支持上也多了一個與NB-IoT對應(ying)的終端等級(ji)——cat-NB1。

盡(jin)管NB-IoT和LTE緊(jin)密相關,且可集成於(yu)現有的LTE係(xi)統之(zhi)上,很(hen)多(duo)地方是在LTE基礎上專(zhuan)為物聯網而優化設計,但(dan)從(cong)技(ji)術角(jiao)度看(kan),NB-IoT卻(que)是獨立的新空(kong)口(kou)技術。

今(jin)天,污香蕉视频App网址就來(lai)看看這一新空口技術(shu)到(dao)底有多新?

1 網絡

1.1 核(he)心網

為了將物聯網數據發送給(gei)應用,蜂窩物聯網(CIoT)在EPS定(ding)義了兩種優化方案(an):

?CIoT EPS用戶(hu)麵功能優化(User Plane CIoT EPS optimisation)

?CIoT EPS控製麵(mian)功能優化(Control Plane CIoT EPS optimisation)

如上圖所示,紅(hong)線表示CIoT EPS控(kong)製麵功能優化方案,藍(lan)線表示(shi)CIoT EPS用戶麵功能優化方(fang)案。

對於CIoT EPS控製麵功能優(you)化,上行數據從eNB(CIoT RAN)傳送至(zhi)MME,在這裏傳(chuan)輸路徑分(fen)為兩(liang)個分支:或(huo)者(zhe)通過SGW傳送到PGW再(zai)傳送到應用服(fu)務(wu)器(qi),或(huo)者(zhe)通過SCEF(Service Capa- bility Exposure Function)連接到應用服務器(CIoT Services),後者僅(jin)支持非(fei)IP數據傳送。下(xia)行數據傳送路(lu)徑一樣,隻是方向(xiang)相反。

這一方案無需建(jian)立數據無線承載(zai),數據包直(zhi)接在信令無線承載上發送。因此(ci),這一方案極(ji)適合非頻發(fa)的小數據包傳送。

SCEF是專門(men)為NB-IoT設計而新引(yin)入(ru)的,它用於在控製麵上傳送非IP數據包,並為鑒(jian)權(quan)等(deng)網絡服務提供(gong)了一(yi)個抽(chou)象(xiang)的接口。

對於CIoT EPS用戶麵功能優化,物聯網數據傳送方式(shi)和傳統數據流量一樣,在無線承載上發送數據,由SGW傳送到PGW再到應用服務器。因此,這種方案在建立連接時會產生額(e)外(wai)開銷(xiao),不過,它的優勢是數據包序列傳送更(geng)快(kuai)。

這一方案支持(chi)IP數據和非IP數據傳送。

1.2 接入網

NB-IoT的接入網構架(jia)與LTE一樣。

eNB通過S1接口連接到MME/S-GW,隻(zhi)是接口上傳送的是NB-IoT消(xiao)息(xi)和數據。盡管NB-IoT沒有定義切換,但在兩個eNB之間依(yi)然有X2接口,X2接口使能UE在進入空閑(xian)狀態(tai)後(hou),快速(su)啟動resume流程,接入到其(qi)它eNB(resume流程(cheng)將在本文後麵詳(xiang)述)。

1.3 頻段

NB-IoT沿(yan)用LTE定義的頻段號,Release 13為NB-IoT指定了14個頻段。

2 物理(li)層

2.1 工作模式

部署方式(Operation Modes)

NB-IoT占(zhan)用180KHz帶(dai)寬,這與在LTE幀結構中一個資源塊的帶(dai)寬是一樣的。所以,以下三(san)種部署(shu)方式成為可能:

1)獨(du)立(li)部署(Stand alone operation)

適合(he)用於重耕GSM頻段,GSM的信道帶寬為200KHz,這剛好(hao)為NB-IoT 180KHz帶寬辟(pi)出(chu)空間,且(qie)兩邊(bian)還有10KHz的保護間隔(ge)。

2)保(bao)護帶部署(Guard band operation)

利(li)用LTE邊緣(yuan)保護頻帶中未(wei)使用的180KHz帶寬的資源塊。

3)帶內(nei)部署(In-band operation)

利用LTE載波(bo)中間的任(ren)何資源塊。

CE Level

CE Level,即(ji)覆蓋增強等級(Coverage Enhancement Level)。從0到2,CE Level共三個等級,分別(bie)對應可對抗(kang)144dB、154dB、164dB的信號衰(shuai)減(jian)。基站與NB-IoT終端之間會根(gen)據其所在的CE Level來選擇(ze)相對應的信息重(zhong)發次(ci)數。

雙(shuang)工模(mo)式

Release 13 NB-IoT僅支持FDD 半(ban)雙工(gong)type-B模式。

FDD意(yi)味(wei)著上行和下行在頻率上分開,UE不會同時處理接收和發送。

半雙工設計(ji)意味著(zhu)隻需多一個切(qie)換器去改(gai)變(bian)發送和接收(shou)模式,比起全雙工所需的元件(jian),成本更低廉,且可降(jiang)低電池能耗。

在Release 12中,定義了半雙工分為type A和type B兩種類型(xing),其中type B為Cat.0所用。在type A下,UE在發送上行信號時,其前麵一個子幀的下行信號中最後一個Symbol不接收,用來作為保護(hu)時隙(xi)(Guard Period, GP),而在type B下,UE在發送上行信號時,其前麵的子幀和後麵的子幀都不接收下行信號,使(shi)得保護時隙加(jia)長,這對於設備的要求降低,且提(ti)高了信號的可靠(kao)性。

2.2 下行鏈路

對於下行鏈(lian)路,NB-IoT定義了三種物理信道(dao):

1)NPBCH,窄(zhai)帶物理廣播信道。

2)NPDCCH,窄帶物理下行控製信道。

3)NPDSCH,窄帶物理下行共享(xiang)信道。

還定義了兩種物理信號:

1)NRS,窄帶參(can)考信號。

2)NPSS和NSSS,主同步(bu)信號和輔(fu)同(tong)步信號。

相比LTE,NB-IoT的下行物理信道較少,且去掉(diao)了PMCH(Physical Multicast channel,物理多播(bo)信道),原因是NB-IoT不提供多媒體(ti)廣(guang)播/組(zu)播服務。

下圖(tu)是NB-IoT傳輸(shu)信道和物理信道之間的映射關係。

MIB消息在NPBCH中(zhong)傳輸,其餘信令消息和數據在NPDSCH上傳輸,NPDCCH負(fu)責(ze)控製UE和eNB間的數據傳輸。

NB-IoT下行調製方式為QPSK。NB-IoT下行最(zui)多支持兩個天線端口(Antenna Port),AP0和AP1。

和LTE一樣(yang),NB-IoT也有PCI(Physical Cell ID,物理小區標識(shi)),稱(cheng)為NCellID(Narrowband physical cell ID),一共定義了504個NCellID。

幀和時隙結構(gou)

和LTE循環前綴(Normal CP)物理資源塊(kuai)一樣,在頻域上由12個子(zi)載波(每個子(zi)載波寬度為15KHz)組成,在時域上由(you)7個OFDM符號組成0.5ms的時隙,這樣保證了和LTE的相容性,對於帶內部署方式至關(guan)重要。

每(mei)個時隙0.5ms,2個時隙就組成了一個子幀(SF),10個子幀組成一個無線幀(RF)。

這就(jiu)是NB-IoT的幀結構,依然和LTE一樣。

NRS(窄帶參考(kao)信號)

NRS(窄帶參考信號),也稱為導頻信號,主(zhu)要作(zuo)用是下行信道質(zhi)量測(ce)量估(gu)計,用於UE端的相幹檢(jian)測和解調(diao)。在用於廣播和下行專用信道時,所有下行子幀都要傳輸NRS,無論有無數據傳送。

NB-IoT下行最多支持兩個天(tian)線端口,NRS隻能在一個天線端口或兩個天線端口上傳輸,資源的位置在時間(jian)上與LTE的CRS(Cell-Specific Reference Signal,小區(qu)特定參考信號)錯(cuo)開,在頻率上則與之相同,這樣在帶內部署(In-Band Operation)時,若(ruo)檢測到CRS,可(ke)與NRS共同使用來做信道估測。

▲NRS資源位置

同步信號

NPSS為NB-IoT UE時間和頻率(lv)同步提供參考信號,與LTE不同的是,NPSS中不攜(xie)帶任何(he)小區信息,NSSS帶有PCI。NPSS與NSSS在資源位置上避開了LTE的控製區域,其位置圖如下:

▲NPSS和NSSS資源位置

NPSS的周期是10ms,NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在小區搜(sou)索(suo)時,會先檢測NPSS,因此NPSS的設計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列(lie),這降低了初(chu)步信號檢測和同步的複(fu)雜(za)性。

NBPBCH

NBPBCH的TTI為640ms,承載MIB-NB(Narrowband Master Information Block),其餘係統信息如SIB1-NB等承(cheng)載於NPDSCH中。SIB1-NB為周期性出現,其餘(yu)係統信息則(ze)由SIB1-NB中所帶的排(pai)程信息做排程。

和LTE一樣,NB-PBCH端口數通(tong)過CRC mask識別,區別是NB-IOT最多隻支持2端口。NB-IOT在解(jie)調MIB信息過程中確(que)定小區天線端口數。

在三種operation mode下,NB-PBCH均不使用前3個OFDM符(fu)號。In-band模式下NBPBCH假定存(cun)在4個LTE CRS端口,2個NRS端口進行速率匹(pi)配。

▲NPBCH映射到子幀

▲黃(huang)色(se)小格表(biao)明(ming)NPBCH資源占用位置,洋(yang)紅色表示NRS,紫(zi)色代(dai)表CRS

NPDCCH

NPDCCH中承載的是DCI(Downlink Control Information),包含一個或多個UE上的資源分配(pei)和其他(ta)的控製信息。UE需要首先(xian)解調NPDCCH中的DCI,然(ran)後才能夠在相應的資源位置上解調屬(shu)於UE自己的NPDSCH(包括(kuo)廣播消息,尋呼,UE的數據等)。NPDCCH包含了UL grant,以指(zhi)示UE上行數據傳輸時所使用的資源。

NPDCCH子幀設計如下圖所示:

▲淺(qian)綠色和深(shen)綠色代表NPDCCH使用的RE,紫色代表LTE CRS,藍色代表NRS。上圖表示在LTE單(dan)天線端口和NB-IoT2天線端口下in-band模式的映(ying)射(she)

NPDCCH的符號起始(shi)位置:對於in-band,如果(guo)是SIB子幀,起始位置為3,非SIB子幀,起始位置包含(han)在SIB2-NB中;對於stand-alone和Guard band,起始位置統一為0。

NPDCCH有別於LTE係統中的PDCCH的是,並非每個Subframe都有NPDCCH,而是周(zhou)期性出現。NPDCCH有三種搜索空間(Search Space),分別用於排程一般(ban)數據傳輸、Random Access相關信息傳輸,以及(ji)尋呼(Paging)信息傳輸。

各(ge)個Search Space有無線資源控製(RRC)配置相對應的最大重複次數Rmax,其Search Space的出現周期(qi)大小即為相應的Rmax與RRC層(ceng)配置的一參數的乘(cheng)積(ji)。

RRC層也可配置一偏(pian)移(Offset)以調整(zheng)Search Space的開始時間。在大部分的搜索空間配置中,所占用的資源大小為一PRB,僅有少(shao)數配置為占用6個Subcarrier。

一個DCI中會帶有該(gai)DCI的重傳次數,以及DCI傳送結束(shu)後至其所排程的NPDSCH或NPUSCH所需的延遲(chi)時間,NB-IoT UE即可使用此DCI所在的Search Space的開始時間,來推(tui)算DCI的結束時間以及排程的數據的開始時間,以進(jin)行數據的傳送或接收。

NPDSCH

NPDSCH的子幀結構和NPDCCH一樣。

NPDSCH是用來傳送下行數據以及係統信息,NPDSCH所占用的帶寬是一整個PRB大小。一個傳輸塊(Transport Block, TB)依據所使用的調製與編(bian)碼(ma)策(ce)略(lve)(MCS),可能需要使用多於一個子幀來傳輸,因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個TB對應的子幀數目以及重傳次數指示。

2.3 上行鏈路

對於上行鏈路,NB-IoT定義了兩種物理信道:

1)NPUSCH,窄帶物理上行共享信道。

2)NPRACH,窄帶物理隨(sui)機接入信道。

還(hai)有:

1)DMRS,上行解調參考信號。

NB-IoT上行傳輸信道和物理信道之間的映射關係如下圖:

除(chu)了NPRACH,所有數據都(dou)通過NPUSCH傳輸。

時隙結構

NB-IoT上行使用SC-FDMA,考慮(lv)到NB-IoT終端的低成本需求,在上行要支持單頻(Single Tone)傳輸,子載波間隔除了原有的15KHz,還新製訂了3.75KHz的子載波間隔,共48個子載波。

當(dang)采(cai)用15KHz子載波間隔時,資源分配和LTE一樣。當(dang)采(cai)用3.75KHz的子載波間隔時,如下圖所示:

15KHz為3.75KHz的整數倍(bei),所以對LTE係統幹(gan)擾較小。由於下行的幀結構與LTE相同,為了使上行與下行相容(rong),子載波空間為3.75KHz的幀結構中,一個時隙同樣包含7個Symbol,共(gong)2ms長,剛(gang)好是LTE時隙長(zhang)度的4倍(bei)。

此外,NB-IoT係統中的采樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz,子載波間隔為3.75KHz的幀結構中,一個Symbol的時間長度為512Ts(Sampling Duration),加上循環前綴(zhui)(Cyclic Prefix, CP)長16Ts,共528Ts。因此,一個時隙包含7個Symbol再加上保護區間(Guard Period)共3840Ts,即2ms長。

NPUSCH

NPUSCH用來傳送上行數據以及上行控製信息。NPUSCH傳輸可使用單頻或多頻傳輸。

▲單頻與多頻傳輸

在NPUSCH上,定義(yi)了兩種格式:format 1和format 2。NPUSCH format 1 為UL-SCH上的上行信道數據而設計,其資源塊不大於1000 bits;NPUSCH format 2傳送上行控製信息(UCI)。

映射到傳輸快的最小單元叫(jiao)資源單元(RU,resource unit),它由NPUSCH格式和子載波空間決(jue)定。

有別於LTE係統中的資源分配的基本單位為子幀,NB-IoT根據子載波和時隙數目(mu)來作為資源分配的基本(ben)單位,如下表所示:

對於NPUSCH format 1,

當子載波空間為3.75 kHz時,隻支持單頻傳輸,一個RU在頻域上包含1個子載波,在時域(yu)上包含16個時隙,所以,一個RU的長度為32ms。

當子載波空間為15kHz時,支持單頻傳輸和多頻傳輸,一個RU包含1個子載波和16個時隙,長度為8ms;當一個RU包含12個子載波時,則有2個時隙的時間長度,即1ms,此資源單位剛好是LTE係統中的一個子幀。資源單位的時間長度設計為2的冪(mi)次方,是為了更有效(xiao)的運(yun)用資源,避(bi)免(mian)產(chan)生(sheng)資源空隙而造(zao)成資源浪費(fei)。

對於NPUSCH format 2,

RU總(zong)是由1個子載波和4個時隙組成,所以,當子載波空間為3.75 kHz時,一個RU時長為8ms;當子載波空間為15kHz時,一個RU時長為2ms。

對於NPUSCH format 2,調製方式為BPSK。

對於NPUSCH format 1,調製方式分為以下兩種情(qing)況(kuang):

●包含一個子載波的RU,采用BPSK和QPSK。

●其它(ta)情況下,采用QPSK。

由於一個TB可能需要使用多個資源單位來傳輸,因此在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了指示上行數據傳輸所使用的資源單位的子載波的索引(Index),也會包含一個TB對應的資源單位數目以及重傳次數指示。

NPUSCH Format 2是NB-IoT終端用來傳送指示NPDSCH有無成功接收的HARQ-ACK/NACK,所使用的子載波的索引(Index)是在由對應的NPDSCH的下行分配(Downlink Assignment)中指示,重傳次數則由RRC參數配置。

DMRS

根據NPUSCH格(ge)式,DMRS每時隙傳輸1個或者3個SC-FDMA符號。

▲NPUSCH format 1。上圖中,對於子載波空間為15 kHz ,一個RU占用了6個子載波。

▲NPUSCH format 2,此格式下,RU通常(chang)隻占一個子載波。

NPRACH

和LTE的Random Access Preamble使用ZC序(xu)列不同,NB-IoT的Random Access Preamble是單頻傳輸(3.75KHz子載波),且使用的Symbol為一定值(zhi)。一次的Random Access Preamble傳送包含四(si)個Symbol Group,一個Symbol Group是5個Symbol加上一CP,如下圖:

▲Radom Access Preamble Symbol Group

每個Symbol Group之間會有跳(tiao)頻。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的子載波。

基(ji)站會根據各個CE Level去配置相應的NPRACH資源,其流程如下圖:

▲NB-IoT Random Acces流程

Random Access開始之前,NB-IoT終端會通過DL measurement(比如RSRP)來決定CE Level,並使用該CE Level指定的NPRACH資源。一旦(dan)Random Access Preamble傳送失(shi)敗(bai),NB-IoT終端會在升級CE Level重新嚐(chang)試(shi),直到嚐試完(wan)所有CE Level的NPRACH資源為止(zhi)。

3 小區接入

NB-IoT的小區接入流程和LTE差不多:小區搜索取(qu)得頻率和符號同步、獲取SIB信息、啟(qi)動隨機接入流程建立RRC連接。當終端返(fan)回(hui)RRC_IDLE狀(zhuang)態,當需要進行數據發送或收到尋呼時,也會再次啟動隨機接入流程。

3.1 協議(yi)棧(zhan)和信令承載

總的來說(shuo),NB-IoT協(xie)議棧基於LTE設計,但是根據物聯網的需求,去掉了一些不必(bi)要的功能,減少了協議棧處(chu)理流程的開銷。因此,從協議棧的角度看,NB-IoT是新的空口協議。

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