NB-IoT 物理層上行鏈路通信技術(shù)解析

羅智敏

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

0 引言

隨著NB-IoT 相關(guān)的硬件（如芯片、模組等技術(shù)）不斷發(fā)展，不同行業(yè)有不同的應(yīng)用要求，降低硬件成本有助于進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模。此外，在軟件方面需要打造多樣化的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提升 NB-IoT 的競(jìng)爭(zhēng)力。人們對(duì)于軟件應(yīng)用的要求迅速上升，開(kāi)發(fā)者為 NB-IoT技術(shù)提供不斷豐富的應(yīng)用，可以增強(qiáng)對(duì)于 NB-IoT 應(yīng)用乃至整個(gè) NB-IoT 產(chǎn)業(yè)鏈的控制能力。

物理層作為無(wú)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。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(jié)構(gòu)和上行物理信道幾個(gè)方面進(jìn)行解析，并對(duì) LTE 通信技術(shù)進(jìn)行比較，以便更好的掌握 NB-IoT 通信技術(shù)。

1 關(guān)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(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1images/BZ_8_1672_1653_1703_1679.png與images/BZ_8_1779_1657_1810_1684.png的值配置循環(huán)前綴 12 7擴(kuò)展循環(huán)前綴 12 6

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(zhǎng)度和子載波間隔。

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）：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NBIoT 載波稱(chēng)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）：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）：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 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(shí)隙、 1 ms 子幀長(zhǎng)度，每個(gè)時(shí)隙包含 7個(gè)SC-FDMA符號(hào)，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(shí)隙符號(hào)數(shù)需保持不變， 3.75 kHz 的時(shí)隙延長(zhǎng)至 2 ms（子幀長(zhǎng)度延長(zhǎng)至 4 ms），15 kHz 為3.75 kHz 的整數(shù)倍，所以對(duì)LTE 系統(tǒng)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(jié)構(gòu)

在上行鏈路中，對(duì)于3.75 kHz 子載波間隔而言，其時(shí)隙長(zhǎng)度延長(zhǎng)至2 ms，一個(gè)子幀長(zhǎng)度延長(zhǎng)至4 ms，一個(gè)無(wú)線幀內(nèi)包含有5個(gè)子幀。一個(gè)無(wú)線幀的時(shí)頻域示意圖如圖3所示。

基本時(shí)域資源單位都為 Slot，需要注意，對(duì)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(wú)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(guò)少接尋呼消息達(dá)到省電的目的。

圖3 無(wú)線幀時(shí)域示意圖

5 NB-IoT 上行物理信道

NB-IoT 系統(tǒng)相較于 LT E 縮減了上行物理信道類(lèi)型，重新設(shè)計(jì)了 2 種物理信道， NPUSCH（Narrowband Physical Uplink Share Channel）和NPRACH（Narrowband Physical Random Access Channel）；一種解調(diào)參考信號(hào)，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(shù)據(jù)及上行控制信息，分為兩種格式。 NB-IoT 根據(jù)格式、子載波間隔、時(shí)隙數(shù)目確定對(duì)用戶設(shè)備的最小資源調(diào)度單位（ RU，Resource Unit，時(shí)域、頻域兩個(gè)域的資源組合后的調(diào)度單位，可與 LTE 中的PRB 進(jìn)行參照）。此外， NPUSCH目前只支持單天線端口， NPUSCH 可以包含一個(gè)或多個(gè)RU。

注：對(duì)于天線端口的理解，與實(shí)際物理天線不同，天線端口是指由參考信號(hào)定義的邏輯發(fā)射通道。一個(gè)天線端口對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)射通道，終端根據(jù)天線端口對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)與數(shù)據(jù)解調(diào)。

（1）格式 1。用來(lái)承載上行共享傳輸信道（ ULSCH），用于攜帶上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或信令，使用 Turbo 碼，所占資源單位包含 Singleton 和Multiton 兩種方式：

對(duì)于Single-ton 方式，每個(gè) RU 時(shí)隙數(shù)一樣，子載波帶寬包括 3.75 kHz 和15 kHz 兩種，對(duì)應(yīng)的 RU 時(shí)長(zhǎng)分別為 32 ms 和8 ms，調(diào)制方式為π /2-BPSK 或 π/4-QPSK。對(duì)于 Multiton 方式， 1個(gè)RU 分配3、6、 12個(gè)子載波，調(diào)制方式為 QPSK。

（2）格式 2。用來(lái)承載上行控制信息，傳送說(shuō)明NPDSCH 傳輸有無(wú)成功接收的 H ARQ -ACK/NACK（HARQ，Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合式自動(dòng)重傳請(qǐng)求，結(jié)合 FEC（前向錯(cuò)誤糾正）與 ARQ（自動(dòng)重傳請(qǐng)求）方法的技術(shù)）。只支持Singleton 方式。

格式2 傳輸ACK/NACK 信息，僅有 1bit 信息，采用重復(fù)編碼進(jìn)行傳輸，且采用全“1”或者全“0”的編碼，降低復(fù)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(lái)傳普通數(shù)據(jù)，類(lèi)似于LTE 中的PUSCH 信道，而格式2資源主要用來(lái)傳UCI，類(lèi)似于LTE 中的PUCCH 信道（其中一個(gè)功能）。

表3 NPUSCH兩種格式的區(qū)別

需注意NPUSCH 最大傳輸資源塊為1，000 bit，在上行非連續(xù)傳輸中，當(dāng)傳輸時(shí)長(zhǎng)大于256 ms，每256 ms傳輸時(shí)長(zhǎng)進(jìn)入一個(gè)時(shí)長(zhǎng)40 ms 的GAP 區(qū)域，防止用戶設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間使用后發(fā)生頻率漂移（終端切入到下行傳輸，利用下行的同步信號(hào)進(jìn)行同步跟蹤與頻偏補(bǔ)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(shè)備的隨機(jī)接入過(guò)程，隨機(jī)接入過(guò)程是用戶設(shè)備從空閑態(tài)獲取專(zhuān)用信道資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫B接態(tài)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(shè)備進(jìn)行NPRACH 配置，支持時(shí)頻域復(fù)用，不支持碼分復(fù)用。UE 與eNB 間基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入的流程如圖4所示（以 Type1-MSG3為例）。

圖4 UE與eNB間基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入的流程示意圖

由于LTE 的PRACH 信道帶寬為 1.08 MHz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 NB-IoT 上行帶寬，因此需重新設(shè)計(jì)。 NB-IoT 的一個(gè) NPRACH 前導(dǎo)碼（ 3.75 kHz 子載波）由 4個(gè)符號(hào)組構(gòu)成，一個(gè)符號(hào)組包括 1 個(gè)CP（循環(huán)前綴）和 5 個(gè)符號(hào)（ 4個(gè)符號(hào)組通過(guò)跳頻發(fā)送，獲得頻率分集增益，跳頻發(fā)送限制在連續(xù)的 12個(gè)子載波內(nèi)，由此看出一個(gè)NPRACH band 為45 kHz[3.75×12]，180 kHz 下 最 多 配置 4個(gè)band）。如圖5所示。 NPR ACH 有兩種前導(dǎo)碼格式（格式 0與格式1），CP 長(zhǎng)度有 66.7 us 和266.7 us 兩種，對(duì)應(yīng)不同的小區(qū)尺寸。因?yàn)?CP 的不同，便有了兩種不同長(zhǎng)度的前導(dǎo)碼（5.6 ms 與6.4 ms），但最終占用時(shí)域 8 ms，多出的時(shí)間用作 GT 保護(hù)。

圖5 NB-IoT偽隨機(jī)跳變示意圖

NPRACH 通過(guò)重復(fù)發(fā)送前導(dǎo)碼獲得覆蓋增強(qiáng)，重發(fā)次數(shù)可選擇為{1，2，4，8，16，32，64，128}，在完成64次重復(fù)發(fā)送后，需進(jìn)入 40 ms 的上行 GAP 區(qū)域。

5.3 DM-RS

解調(diào)參考信號(hào)用于對(duì)用戶設(shè)備所占NPUSCH 信道進(jìn)行信道估計(jì)與相干解調(diào)。

每個(gè)RU 包含的子載波數(shù)量的不同，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同的解調(diào)參考信號(hào)。每個(gè)RU 包含一個(gè)子載波時(shí)，RU 內(nèi)部的每個(gè)時(shí)隙中的序列組跳變一致；每個(gè)RU 包含多個(gè)子載波時(shí)，RU 內(nèi)部每隔偶數(shù)時(shí)隙的序列組的計(jì)算方式重新變換一次，確保RU 內(nèi)部每個(gè)時(shí)隙的每個(gè)子載波至少有一個(gè)參考信號(hào)，保證每個(gè)子載波能夠被正確解調(diào)。

此外，對(duì)于NPUSCH 兩種不同的格式，DM-RS 也不一樣。格式1每個(gè)NPUSCH 傳輸時(shí)隙每個(gè)子載波上包含一個(gè)DM-RS（3.75 kHz 間隔子載波位于每個(gè)時(shí)隙第 5個(gè)符號(hào)，15 kHz 間隔子載波位于每個(gè)時(shí)隙第 4個(gè)符號(hào)）；格式2 每個(gè)NPUSCH 傳輸時(shí)隙每個(gè)子載波上包含 3 個(gè)DM-RS（3.75 kHz 間隔子載波位于每個(gè)時(shí)隙1，2，3位，15 kHz 間隔子載波位于每個(gè)時(shí)隙第3，4，5位）。

對(duì)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(gè)RU 內(nèi)6個(gè)連續(xù)子載波做情況說(shuō)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(jì)。NPUSCH 格 式1 與LTE PUSCH 時(shí)隙結(jié)構(gòu)相同，每時(shí)隙7 個(gè)OFDM 符號(hào)，中間一個(gè)符號(hào)作為DM-RS。格式 2同樣為每時(shí)隙7個(gè)OFDM符號(hào)，但將中間3個(gè)符號(hào)用作 DM-RS。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì) 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(guò)通信技術(shù)達(dá)到大容量、廣覆蓋和低功耗的特點(diǎn)，對(duì) NB-IoT 技術(shù)有了更深層次的理解。