NB-IoT物理層下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

NB-IoT技術作為萬物互聯網絡的一個重要分支，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網絡連接要求較高的設備高效連接，有些NB-IoT設備電池壽命甚至可以提高至少 10年，同時還能提供非常全面的室內蜂窩數據連接覆蓋。

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上。本文通過 NB-IoT頻率部署、下行傳輸方案、下行鏈路幀結構和下行物理信道等幾個方面解析NB-IoT物理層下行鏈路通信技術，以及對 LTE通信技術進行比較，能夠讓讀者對 NB-IoT物理層下行鏈路有更多的了解。

1 關于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1 的值注：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。

表1 的值注：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。

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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）：是將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NB-IoT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）：是將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）：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 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LTE PRB，即12個15 kHz子載波，共計180 kHz。子載波間隔為15 kHz，時隙0.5 ms，子幀1 ms，每個時隙包含7個符號，幾乎沿用了LTE的設計。此外，當進行帶內部署時，NB-IoT與其他LTEPRB之間的物理信道保持正交。

4 N B-IoT下行鏈路幀結構

在NB-IoT技術中，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。對于15 kHz的子載波間隔而言，頻域上包含有12個連續子載波，時域上每個子幀包含兩個時隙，每個時隙長度為0.5 ms（此處OFDM符號數量依照正常

循環前綴數量進行示意）。如圖2所示。

圖2 15 kHz子載波間隔頻域結構示意圖

換作時頻域結構示意圖如圖3所示。

圖3 15 kHz子載波間隔時域結構示意圖

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。

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：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）。信道間時分復用，每個無線幀的下行信道結構如表 3所示。

表3 無線幀的下行信道結構

5.1 NPDCCH

窄帶物理下行控制信道主要用于承載 DCI（Downlink Control Information），即進行調度，包括上下行調度信息、 HA RQ確認信息 ACK / NACK、隨機接入響應 RAR（Random Access Reponse）調度信息、尋呼指示等。 NPDCCH通過一個或兩個窄帶信道控制單元（NCCE，Narrowband Control Channel Element）的聚合進行傳輸，一個 NCCE占用6個連續子載波，根據NPDCCH兩種格式的不同，NCCE的選擇也有所區分，格式對應見表 4。

表4 NPDCCH與NCCE關系

一個 NPDCCH子幀內，NCCE0占用連續子載波0-5，NCCE1占用連續子載波 6 -11，聚合等級 AL=1時，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，In-band模式下，需要錯開LTE的控制符號位。

圖4 NCCE占用子載波示意圖

以帶內部署為例，NCCE0和NCCE1均被使用，前三個符號位未被使用（符號起始位置的參數值由 SIB1-NB表示的資源映射區域大小決定，默認符號位從0開始，帶內部署更改此值防止與 LTE控制信道沖突），參考信號 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CRS（LTE）和NRS（NB-IoT）資源映射示意圖

在隨機接入過程中，每個 UE都分配有不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI，Radio Network Temporary Identifier），RA-RNTI用于隨機接入，P-RNTI用于尋呼，CRNTI作為UR的特定標識符。這些標識符隱式存在于NPDCCH的CRC中，因此，UE必須在其搜索空間中找到 RNTI，并對其進行解碼。為了使得 UE在可行的解碼復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消息對應搜索空間中的配置參數進行配置。

（2）Type2公共搜索空間：UE通過此空間獲取隨機接入響應消息（RAR），由 SIB-NB攜帶的 RAR消息對應搜索空間中的配置參數進行配置。

（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進行配置。

此外，NPDCCH最大重復發送次數可由 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次重復發送示意圖如圖 6所示。

圖6 NPDCCH的4次重復發送示意圖

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調度，相當于 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調度，除了尋呼承載與非競爭下的隨機接入觸發外，N1可用于所有的NPDSCH，包括用戶數據與 SIBs（System Information Blocks）。包括 RAR調度、指示對 NPUSCH的HARQ ACK/NACK資源、指示 NPDSCH的重傳次數等。對于正常模式下、非競爭模式下的 RACH、隨機接入響應，三者格式有所區別。

N2格式主要用于尋呼調度與直接指示系統更新，具體格式定義見表 7和表8：

表7

表8

5.3 NPDSCH

NPDSCH主要用于承載業務數據、尋呼消息、 RAR消息和系統消息（如 SIB1-NB）。NPDSCH有以下幾個說明點：

（1）調制方式：QPSK。

（2）最大傳輸塊大?。═BS，Transport Block Size）：680 bit。

（3）時頻域資源：占用連續的 12個子載波，Stand alone模式與 Guard band模式下占用全部 OFDM符號，In-band模式下需錯開 LTE控制域符號（若是 NB-SIB1使用的 NPDSCH子幀，需要固定錯開前3個符號）。

（4）最大重復次數：2，048次，通過重復傳送同一NPDSCH的方式確保傳輸的質量。

（5）跨子幀調度：延時調度。除了通過調度延遲之外，另一種在物理層體現延遲傳輸 NPDSCH的技術是設置 GAP，GAP的長度由系統消息中的公共資源配置參數決定。

5.4 NPDBCH

NPDBCH位于無線幀的 0號子幀，攜帶系統主消息塊 NB-MIB，包括系統幀號（SFN）、SIB1-NB的調度信息等。系統消息占用34 bit位，廣播周期為640 ms，重復8次發送。幀結構示意圖如圖7所示。

圖7 NB-MIB幀結構示意圖

其中，深色標記為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個子塊傳輸，每個子塊包含8個連續的無線幀，傳輸時長為80 ms，使用連續8個無線幀的后11個符號位承載。每個MIB-NB的傳輸時長為640 ms，通過時間分集增益保證NPDBCH的接收性能。

5.5 N SSS和NPSS

窄帶主同步信號僅作為小區同步使用（時間同步與頻率同步），不攜帶任何小區信息；窄帶輔同步信號用于獲取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位于每個無線幀的第5號子幀，信號周期為10 ms；NSSS位于偶數幀的第9號子幀，信號周期為20 ms。由于UE在進行同步時，對操作模式未知，因而NPSS和NSSS皆使用后11個符號位。

注意：在NB-IoT中主同步信號傳輸的子幀是固定的，同時對應的天線端口號也是固定的；另外，當在帶內部署模式下，NSSS與CRS重疊時，重疊部分不記作NSSS，但仍作為NSSS符號的一個占位匹配項。

NPSS就是基于這樣的時間累計來設計的，其原理就是用時間來換精確性，用加權累積過程來糾正頻偏。覆蓋信號越差的終端，需要的累加次數越高。

NPSS和NSSS同步完成后，終端獲取了符號定時、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個自解碼子塊組成，每個子塊重復8次，每個子塊占用8個連續幀的子幀＃0，這樣設計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

窄帶參考信號用于下行鏈路信道估計，為UE的相干解調和檢測提供參考符號。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，使得物理層下行鏈路簡易化。

6 結束語

通過對NB-IoT物理層下行鏈路的解析，可以發現下行傳輸方案NB-IoT下行與LTE相似，但去除部分物理信道，使得結構簡易，也能夠凸顯NB-IoT通信技術所具有的特點，對NB-IoT技術有了更深層次的理解。