史上最全的NB-IoT知识,每个通信人都应该了解的...

网优雇佣军2020-06-29 16:22:51

通常,我们把物联网设备分为三类:


①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。


②移动性强,需执行频繁切换,小数据量,比如车队追踪管理。


③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③种物联网设备而生。


NB-IoT源起于现阶段物联网的以下几大需求:




•覆盖增强(增强20dB)

•支持大规模连接,100K终端/200KHz小区

•超低功耗,10年电池寿命

•超低成本

•最小化信令开销,尤其是空口。

•确保整个系统的安全性,包括核心网。

•支持IP和非IP数据传送。

•支持短信(可选部署)。


对于现有LTE网络,并不能完全满足以上需求。即使是LTE-A,关注的主要是载波聚合、双连接和D2D等功能,并没有考虑物联网。


比如,在覆盖上,以水表为例,所处位置无线环境差,与智能手机相比,高度差导致信号差4dB,同时再盖上盖子,额外增加约10dB左右损耗,所以需要增强20dB。




在大规模连接上,物联网设备太多,如果用现有的LTE网络去连接这些海量设备,会导致网络过载,即使传送的数据量小,可信令流量也够得喝上几壶。


此外,NB-IoT有自己的特点,比如不再有QoS的概念,因为现阶段的NB-IoT并不打算传送时延敏感的数据包,像实时IMS一类的设备,在NB-IoT网络里不会出现。


因此,3GPP另辟蹊径,在Release 13制定了NB-IoT标准来应对现阶段的物联网需求,在终端支持上也多了一个与NB-IoT对应的终端等级——cat-NB1。


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。


今天,我们就来看看这一新空口技术到底有多新?


1 网络


1.1 核心网


为了将物联网数据发送给应用,蜂窝物联网(CIoT)在EPS定义了两种优化方案:


CIoT EPS用户面功能优化(User Plane CIoT EPS optimisation)

CIoT EPS控制面功能优化(Control Plane CIoT EPS optimisation)




如上图所示,红线表示CIoT EPS控制面功能优化方案,蓝线表示CIoT EPS用户面功能优化方案。


对于CIoT EPS控制面功能优化,上行数据从eNB(CIoT RAN)传送至MME,在这里传输路径分为两个分支:或者通过SGW传送到PGW再传送到应用服务器,或者通过SCEF(Service Capa- bility Exposure Function)连接到应用服务器(CIoT Services),后者仅支持非IP数据传送。下行数据传送路径一样,只是方向相反。


这一方案无需建立数据无线承载,数据包直接在信令无线承载上发送。因此,这一方案极适合非频发的小数据包传送。


SCEF是专门为NB-IoT设计而新引入的,它用于在控制面上传送非IP数据包,并为鉴权等网络服务提供了一个抽象的接口。


对于CIoT EPS用户面功能优化,物联网数据传送方式和传统数据流量一样,在无线承载上发送数据,由SGW传送到PGW再到应用服务器。因此,这种方案在建立连接时会产生额外开销,不过,它的优势是数据包序列传送更快。


这一方案支持IP数据和非IP数据传送。


1.2 接入网


NB-IoT的接入网构架与LTE一样。




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UE在进入空闲状态后,快速启动resume流程,接入到其它eNB(resume流程将在本文后面详述)。


1.3 频段


NB-IoT沿用LTE定义的频段号,Release 13为NB-IoT指定了14个频段。




2 物理层





2.1 工作模式


部署方式(Operation Modes)


NB-IoT占用180KHz带宽,这与在LTE帧结构中一个资源块的带宽是一样的。所以,以下三种部署方式成为可能:




1)独立部署(Stand alone operation)


适合用于重耕GSM频段,GSM的信道带宽为200KHz,这刚好为NB-IoT 180KHz带宽辟出空间,且两边还有10KHz的保护间隔。




2)保护带部署(Guard band operation)


利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块。


3)带内部署(In-band operation)


利用LTE载波中间的任何资源块。


CE Level


CE Level,即覆盖增强等级(Coverage Enhancement Level)。从0到2,CE Level共三个等级,分别对应可对抗144dB、154dB、164dB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。


双工模式


Release 13 NB-IoT仅支持FDD 半双工type-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。





在Release 12中,定义了半双工分为type A和type B两种类型,其中type B为Cat.0所用。在type A下,UE在发送上行信号时,其前面一个子帧的下行信号中最后一个Symbol不接收,用来作为保护时隙(Guard Period, GP),而在type B下,UE在发送上行信号时,其前面的子帧和后面的子帧都不接收下行信号,使得保护时隙加长,这对于设备的要求降低,且提高了信号的可靠性。





2.2 下行链路


对于下行链路,NB-IoT定义了三种物理信道:


1)NPBCH,窄带物理广播信道。


2)NPDCCH,窄带物理下行控制信道。


3)NPDSCH,窄带物理下行共享信道。


还定义了两种物理信号:


1)NRS,窄带参考信号。


2)NPSS和NSSS,主同步信号和辅同步信号。


相比LTE,NB-IoT的下行物理信道较少,且去掉了PMCH(Physical Multicast channel,物理多播信道),原因是NB-IoT不提供多媒体广播/组播服务。


下图是NB-IoT传输信道和物理信道之间的映射关系。




MIB消息在NPBCH中传输,其余信令消息和数据在NPDSCH上传输,NPDCCH负责控制UE和eNB间的数据传输。


NB-IoT下行调制方式为QPSK。NB-IoT下行最多支持两个天线端口(Antenna Port),AP0和AP1。


和LTE一样,NB-IoT也有PCI(Physical Cell ID,物理小区标识),称为NCellID(Narrowband physical cell ID),一共定义了504个NCellID。


帧和时隙结构


和LTE循环前缀(Normal CP)物理资源块一样,在频域上由12个子载波(每个子载波宽度为15KHz)组成,在时域上由7个OFDM符号组成0.5ms的时隙,这样保证了和LTE的相容性,对于带内部署方式至关重要。




每个时隙0.5ms,2个时隙就组成了一个子帧(SF),10个子帧组成一个无线帧(RF)。




这就是NB-IoT的帧结构,依然和LTE一样。


NRS(窄带参考信号)


NRS(窄带参考信号),也称为导频信号,主要作用是下行信道质量测量估计,用于UE端的相干检测和解调。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CRS(Cell-Specific Reference Signal,小区特定参考信号)错开,在频率上则与之相同,这样在带内部署(In-Band Operation)时,若检测到CRS,可与NRS共同使用来做信道估测。



▲NRS资源位置



同步信号


NPSS为NB-IoT UE时间和频率同步提供参考信号,与LTE不同的是,NPSS中不携带任何小区信息,NSSS带有PCI。NPSS与NSSS在资源位置上避开了LTE的控制区域,其位置图如下:



▲NPSS和NSSS资源位置



NPSS的周期是10ms,NSSS的周期是20ms。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。


NBPBCH


NBPBCH的TTI为640ms,承载MIB-NB(Narrowband Master Information Block),其余系统信息如SIB1-NB等承载于NPDSCH中。SIB1-NB为周期性出现,其余系统信息则由SIB1-NB中所带的排程信息做排程。


和LTE一样,NB-PBCH端口数通过CRC mask识别,区别是NB-IOT最多只支持2端口。NB-IOT在解调MIB信息过程中确定小区天线端口数。


在三种operation mode下,NB-PBCH均不使用前3个OFDM符号。In-band模式下NBPBCH假定存在4个LTE CRS端口,2个NRS端口进行速率匹配。



▲NPBCH映射到子帧




▲黄色小格表明NPBCH资源占用位置,洋红色表示NRS,紫色代表CRS


NPDCCH


NPDCCH中承载的是DCI(Downlink Control Information),包含一个或多个UE上的资源分配和其他的控制信息。UE需要首先解调NPDCCH中的DCI,然后才能够在相应的资源位置上解调属于UE自己的NPDSCH(包括广播消息,寻呼,UE的数据等)。NPDCCH包含了UL grant,以指示UE上行数据传输时所使用的资源。


NPDCCH子帧设计如下图所示:



▲浅绿色和深绿色代表NPDCCH使用的RE,紫色代表LTE CRS,蓝色代表NRS。上图表示在LTE单天线端口和NB-IoT2天线端口下in-band模式的映射


NPDCCH的符号起始位置:对于in-band,如果是SIB子帧,起始位置为3,非SIB子帧,起始位置包含在SIB2-NB中;对于stand-alone和Guard band,起始位置统一为0。


NPDCCH有别于LTE系统中的PDCCH的是,并非每个Subframe都有NPDCCH,而是周期性出现。NPDCCH有三种搜索空间(Search Space),分别用于排程一般数据传输、Random Access相关信息传输,以及寻呼(Paging)信息传输。


各个Search Space有无线资源控制(RRC)配置相对应的最大重复次数Rmax,其Search Space的出现周期大小即为相应的Rmax与RRC层配置的一参数的乘积。


RRC层也可配置一偏移(Offset)以调整Search Space的开始时间。在大部分的搜索空间配置中,所占用的资源大小为一PRB,仅有少数配置为占用6个Subcarrier。


一个DCI中会带有该DCI的重传次数,以及DCI传送结束后至其所排程的NPDSCH或NPUSCH所需的延迟时间,NB-IoT UE即可使用此DCI所在的Search Space的开始时间,来推算DCI的结束时间以及排程的数据的开始时间,以进行数据的传送或接收。


NPDSCH


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(MCS),可能需要使用多于一个子帧来传输,因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中会包含一个TB对应的子帧数目以及重传次数指示。


2.3 上行链路


对于上行链路,NB-IoT定义了两种物理信道:


1)NPUSCH,窄带物理上行共享信道。


2)NPRACH,窄带物理随机接入信道。


还有:


1)DMRS,上行解调参考信号。


NB-IoT上行传输信道和物理信道之间的映射关系如下图:




除了NPRACH,所有数据都通过NPUSCH传输。


时隙结构


NB-IoT上行使用SC-FDMA,考虑到NB-IoT终端的低成本需求,在上行要支持单频(Single Tone)传输,子载波间隔除了原有的15KHz,还新制订了3.75KHz的子载波间隔,共48个子载波。


当采用15KHz子载波间隔时,资源分配和LTE一样。当采用3.75KHz的子载波间隔时,如下图所示:




15KHz为3.75KHz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3.75KHz的帧结构中,一个时隙同样包含7个Symbol,共2ms长,刚好是LTE时隙长度的4倍。


此外,NB-IoT系统中的采样频率(Sampling Rate)为1.92MHz,子载波间隔为3.75KHz的帧结构中,一个Symbol的时间长度为512Ts(Sampling Duration),加上循环前缀(Cyclic Prefix, CP)长16Ts,共528Ts。因此,一个时隙包含7个Symbol再加上保护区间(Guard Period)共3840Ts,即2ms长。


NPUSCH


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。



▲单频与多频传输


在NPUSCH上,定义了两种格式:format 1和format 2。NPUSCH format 1 为UL-SCH上的上行信道数据而设计,其资源块不大于1000 bits;NPUSCH format 2传送上行控制信息(UCI)。


映射到传输快的最小单元叫资源单元(RU,resource unit),它由NPUSCH格式和子载波空间决定。


有别于LTE系统中的资源分配的基本单位为子帧,NB-IoT根据子载波和时隙数目来作为资源分配的基本单位,如下表所示:




对于NPUSCH format 1,


当子载波空间为3.75 kHz时,只支持单频传输,一个RU在频域上包含1个子载波,在时域上包含16个时隙,所以,一个RU的长度为32ms。


当子载波空间为15kHz时,支持单频传输和多频传输,一个RU包含1个子载波和16个时隙,长度为8ms;当一个RU包含12个子载波时,则有2个时隙的时间长度,即1ms,此资源单位刚好是LTE系统中的一个子帧。资源单位的时间长度设计为2的幂次方,是为了更有效的运用资源,避免产生资源空隙而造成资源浪费。


对于NPUSCH format 2,


RU总是由1个子载波和4个时隙组成,所以,当子载波空间为3.75 kHz时,一个RU时长为8ms;当子载波空间为15kHz时,一个RU时长为2ms。


对于NPUSCH format 2,调制方式为BPSK。


对于NPUSCH format 1,调制方式分为以下两种情况:


●包含一个子载波的RU,采用BPSK和QPSK。

●其它情况下,采用QPSK。


由于一个TB可能需要使用多个资源单位来传输,因此在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了指示上行数据传输所使用的资源单位的子载波的索引(Index),也会包含一个TB对应的资源单位数目以及重传次数指示。


NPUSCH Format 2是NB-IoT终端用来传送指示NPDSCH有无成功接收的HARQ-ACK/NACK,所使用的子载波的索引(Index)是在由对应的NPDSCH的下行分配(Downlink Assignment)中指示,重传次数则由RRC参数配置。


DMRS


根据NPUSCH格式,DMRS每时隙传输1个或者3个SC-FDMA符号。



▲NPUSCH format 1。上图中,对于子载波空间为15 kHz ,一个RU占用了6个子载波。



▲NPUSCH format 2,此格式下,RU通常只占一个子载波。


NPRACH


和LTE的Random Access Preamble使用ZC序列不同,NB-IoT的Random Access Preamble是单频传输(3.75KHz子载波),且使用的Symbol为一定值。一次的Random Access Preamble传送包含四个Symbol Group,一个Symbol Group是5个Symbol加上一CP,如下图:



▲Radom Access Preamble Symbol Group


每个Symbol Group之间会有跳频。选择传送的Random Access Preamble即是选择起始的子载波。


基站会根据各个CE Level去配置相应的NPRACH资源,其流程如下图:



▲NB-IoT Random Acces流程


Random Access开始之前,NB-IoT终端会通过DL measurement(比如RSRP)来决定CE Level,并使用该CE Level指定的NPRACH资源。一旦Random Access Preamble传送失败,NB-IoT终端会在升级CE Level重新尝试,直到尝试完所有CE Level的NPRACH资源为止。


3 小区接入


NB-IoT的小区接入流程和LTE差不多:小区搜索取得频率和符号同步、获取SIB信息、启动随机接入流程建立RRC连接。当终端返回RRC_IDLE状态,当需要进行数据发送或收到寻呼时,也会再次启动随机接入流程。


3.1 协议栈和信令承载


总的来说,NB-IoT协议栈基于LTE设计,但是根据物联网的需求,去掉了一些不必要的功能,减少了协议栈处理流程的开销。因此,从协议栈的角度看,NB-IoT是新的空口协议。


以无线承载(RB)为例,在LTE系统中,SRB(signalling radio bearers,信令无线承载)会部分复用,SRB0用来传输RRC消息,在逻辑信道CCCH上传输;而SRB1既用来传输RRC消息,也会包含NAS消息,其在逻辑信道DCCH上传输。


LTE中还定义了SRB2,但NB-IoT没有。


此外,NB-IoT还定义一种新的信令无线承载SRB1bis,SRB1bis和SRB1的配置基本一致,除了没有 PDCP,这也意味着在Control Plane CIoT EPS optimisation下只有SRB1bis,因为只有在这种模式才不需要。



▲NB-IoT协议栈


3.2 系统信息


NB-IoT经过简化,去掉了一些对物联网不必要的SIB,只保留了8个:



•SIBType1-NB:小区接入和选择,其它SIB调度

•SIBType2-NB:无线资源分配信息

•SIBType3-NB:小区重选信息

•SIBType4-NB:Intra-frequency的邻近Cell相关信息

•SIBType5-NB:Inter-frequency的邻近Cell相关信息

•SIBType14-NB:接入禁止(Access Barring)

•SIBType16-NB:GPS时间/世界标准时间信息


需特别说明的是,SIB-NB是独立于LTE系统传送的,并非夹带在原LTE的SIB之中。


3.3 小区重选和移动性


由于NB-IoT主要为非频发小数据包流量而设计,所以RRC_CONNECTED中的切换过程并不需要,被移除了。如果需要改变服务小区,NB-IoT终端会进行RRC释放,进入RRC_IDLE状态,再重选至其他小区。


在RRC_IDLE状态,小区重选定义了intra frequency和inter frequency两类小区,inter frequency指的是in-band operation下两个180 kHz载波之间的重选。


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(Camp)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。


3.4 随机接入过程


NB-IoT的RACH过程和LTE一样,只是参数不同。


基于竞争的NB-IOT随机接入过程



基于非竞争的NB-IOT随机接入过程




3.5 连接管理


由于NB-IoT并不支持不同技术间的切换,所以RRC状态模式也非常简单。




RRC Connection Establishment


RRC Connection Establishment流程和LTE一样,但内容却不相同。




很多原因都会引起RRC建立,但是,在NB-IoT中,RRCConnectionRequest中的Establishment Cause里没有delayTolerantAccess,因为NB-IOT被预先假设为容忍延迟的。


另外,在Establishment Cause里,UE将说明支持单频或多频的能力。


与LTE不同的是,NB-IoT新增了Suspend-Resume流程。当基站释放连接时,基站会下达指令让NB-IoT终端进入Suspend模式,该Suspend指令带有一组Resume ID,此时,终端进入Suspend模式并存储当前的AS context。




当终端需要再次进行数据传输时,只需要在RRC Connection Resume Request中携带Resume ID(如上图第四步),基站即可通过此Resume ID来识别终端,并跳过相关配置信息交换,直接进入数据传输。


简而言之,在RRC_Connected至RRC_IDLE状态时,NB-IoT终端会尽可能的保留RRC_Connected下所使用的无线资源分配和相关安全性配置,减少两种状态之间切换时所需的信息交换数量,以达到省电的目的。


4 Data Transfer


如前文所述,NB-IoT定义了两种数据传输模式:Control Plane CIoT EPS optimisation方案和User Plane CIoT EPS optimisation方案。对于数据发起方,由终端选择决定哪一种方案。对于数据接收方,由MME参考终端习惯,选择决定哪一种方案。


4.1 Control Plane CIoT EPS Optimisation


对于Control Plane CIoT EPS Optimisation,终端和基站间的数据交换在RRC级上完成。对于下行,数据包附带在RRCConnectionSetup消息里;对于上行,数据包附带在RRCConnectionSetupComplete消息里。如果数据量过大,RRC不能完成全部传输,将使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer消息继续传送。




这两类消息中包含的是带有NAS消息的byte数组,其对应NB-IoT数据包,因此,对于基站是透明的,UE的RRC也会将它直接转发给上一层。


在这种传输模式下,没有RRC connection reconfiguration流程,数据在RRC connection setup消息里传送,或者在RRC connection setup之后立即RRC connection release并启动resume流程。


4.2 User Plane CIoT EPS optimisation


在User Plane CIoT EPS optimisation模式下,数据通过传统的用户面传送,为了降低物联网终端的复杂性,只可以同时配置一个或两个DRB。


此时,有两种情况:


•当RRC连接释放时,RRC连接释放会携带携带Resume ID,并启动resume流程,如果resume成功,更新密匙安全建立后,保留了先前RRC_Connected的无线承载也随之建立。





•当RRC连接释放时,如果RRC连接释放没有携带携带Resume ID,或者resume请求失败,安全和无线承载建立过程如下图所示:




首先,通过SecurityModeCommand和SecurityModeComplete建立AS级安全。


在SecurityModeCommand消息中,基站使用SRB1和DRB提供加密算法和对SRB1完整性保护。LTE中定义的所有算法都包含在NB-IoT里。


当安全激活后,进入RRC connection reconfiguration流程建立DRBs。




在重配置消息中,基站为UE提供无线承载,包括RLC和逻辑信道配置。PDCP仅配置于DRBs,因为SRB采用默认值。在MAC配置中,将提供BSR、SR、DRX等配置。最后,物理配置提供将数据映射到时隙和频率的参数。 


4.3 多载波配置


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(non-anchor carrier)。


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Anchor Carrier,其余的载波则称为Non-Anchor Carrier。


当提供non-anchor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Anchor Carrier上接收。


NB-IoT终端一律需要在Anchor Carrier上面Random Access,基站会在Random Access过程中传送Non-Anchor Carrier调度信息,以将终端卸载至Non-Anchor Carrier上进行后续数据传输,避免Anchor Carrier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Anchor Carrier和Non-Anchor Carrier上传送数据。



好了,一大堆鸟文总算翻译完了,还不算最全,不过已经腰酸痛,累成狗。分享通信知识,共享美好通信未来,我是一个兴趣使然的通信工程师


参考资料:3GPP TS 36.XXX;Narrowband Internet of Things Whitepaper, rohde&schwarz


网优雇佣军投稿邮箱:wywd11@126.com

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