Analysis-Of-NBIoT-Protocol

NB-IoT物理层协议解析第1章概述本文档主要NB-IoT物理层相关协议进行阐述和分析。NB-IoT是在Release13新引入的基于LTE-FDD网络的低功耗物联网解决方案，相对当前的常规LTE协议有较大不同。在新发布的Release14中，NB-IoT协议中新增了较多特性和不兼容Release13的规定，因此本文内容以Release14为准。本文主要分为如下几部分，基本方案设计，分析和阐述NB-IoT的基本要求和设计原则，对应协议TS36.300、TS36.201和TS36.211中的NB-IoT相关内容；物理层流程，分析和阐述NB-IoT的物理层相关流程，对应协议TS36.213和TS36.212中的NB-IoT相关内容；物理层数据处理，分析和阐述NB-IoT的物理层数据处理过程，对应协议TS36.211和TS36.212中的NB-IoT相关内容；第2章基本方案设计2.1概述Release13正式引入了基于LTE网络的低功耗物联网解决方案，称为NB-IoT。NB，意为NarrowBand，使用的带宽很小，仅为180kHz（对应常规LTE网络中1个RB的带宽）。子载波间隔支持3.75kHz和15kHz两种。NB-IoT协议相对独立于常规LTE协议，支持NB-IoT的UE不需保证完整支持常规LTE协议。NB-IoT的基本设计原则是，尽可能地降低UE功耗和实现复杂度，同时与现有LTE网络兼容。2.1.1协议架构与物理层相关LTE协议架构中，物理层需要上高层提供如下功能（参考图2-1）控制和测量上报功能提供传输信道（transportchannel）以支持数据传输服务RadioResourceControl(RRC)MediumAccessControl(MAC)TransportchannelsPhysicallayerControl/MeasurementsLayer3LogicalchannelsLayer2Layer1图2-1与物理层相关的LTE协议架构相应的，物理层的协议主要集中在TS36.211、TS36.212、TS36.213和TS36.214中，如下图2-2所示，除此之外，定义RRC层的TS36.331和定义MAC层的TS36.321与物理层的相关处理有一定联系。图2-2LTE物理层协议规划其中，TS36.212，定义所有物理层信道的复用和编码方案；TS36.211,，定义所有物理层信道的调制方案；TS36.213，定义所有物理层信道的相关处理流程；TS36.214，定义物理需要向上层提供的测量结果；2.1.2物理层信道和信号物理层信道包含如下信道和信号，如下表2-2所示，表2-2物理层信道和信号物理层信道和信号用途对应传输信道NPBCH承载MIB信息，类似PBCHBCHNPDCCH承载下行控制信息（DCI），类似EPDCCH-NPDSCH承载下行数据，类似PDSCHPCH/DL-SCHNPUSCH承载上行数据，类似PUSCHUL-SCHNPRACH承载随机接入信息，类似PRACHRACHNRS支持下行信道估计和测量，类似CRS-NPRS支持UE定位（Release.14新增），类似PRS-NPSS/NSSS支持下行同步，类似PSS/SSS-NDMRS支持上行信道估计和测量，类似DMRS-其中，无PUCCH对应信道，CSI反馈和SR被移除，HARQACK反馈则并入NPUSCH；无PHICH对应信道，上行HARQACK信息隐含于上行调度信息中；无PCFICH对应信道，源于NPDCCH使用EPDCCH类似机制，占用了整个RB；这些物理信道以特定方式映射为传输信道，以对MAC提供相应服务，如下图2-3和图2-4所示，图2-3下行物理信道与传输信道的映射图2-4上行物理信道与传输信道的映射以上传输信道的功能如下表2-3所示表2-3传输信道传输信道功能BCH承载MIB信息（主系统信息，用于支持UE进行小区选择和小区接入）DL-SCH承载下行用户级数据和部分系统信息（SIB）PCH承载paging信息UL-SCH承载上行用户级数据RACH承载上行随机接入请求（preamble）实际上，与3G标准类似，物理层信道设计使用了“控制面+用户面”的架构(即CP+UP架构)：CP（control-plane）：包括NPDCCH，用于传输物理层相关的控制信息UP（user-plane）:包括NPBCH/NPDSCH/NPUSCH/NPRACH，用于传输上层（MAC）的信息若将物理层相关的控制信息可以细分为静态控制信息、半静态控制信息和动态控制信息，严格意义上而言，这里所说的CP所包括的物理层信道只用于传输动态配置信息，静态控制信息和半静态控制信息则承载在BCH（MIB）和DL-SCH（SIB）中进行传输，由高层（RRC）解析和配置。实际上，从LTE协议对物理层和MAC层的规划来看，物理层与MAC紧密相连，已有一体化的趋势：PUCCH和PHICH承载的信息实际上是提供给MAC层的调度器使用，理论上应该设计专门的逻辑信道来承载，但是协议中选择了直接使用物理层信道承载PDCCH承载的DCI信息主要是用于物理层进行信号处理和数据解析，然而MAC层的调度器也同样需要该信息PCFICH中承载的CFI信息是物理层所需的，但往往由MAC层的调度器配置2.1.3物理层算法除继承部分常规LTE协议使用的重要算法外，NB-IoT协议中还引入了一些新的算法，包括，重复传输；2.1.3.1.重复传输NB-IoT协议中，所有物理信道都使用了重复机制进行传输。重复传输机制分为两个层面的重复传输数据信息的重复传输：类似于常规LTE协议中的HARQ重传，重复传输原始数据信息bit，但每次传输时使用的冗余版本号、加扰扰码序列等都不同，其实际上是源于常规LTE协议中的TTIbundling；空口信号的重复传输：在多个子帧上映射相同的基带信号，即这些子帧传输的都是完全相同的空口信号，这些子帧的信道编码过程和加扰过程都需要完全相同，发送方的处理被大大简化（重复传输时只需重复映射上一次的信号，而不再进行信道编码、加扰、调制和预编码等处理），同时接收方可以直接合并这些空口信号以获取更好的解调性能；使用空口信号的重复传输时，考虑到传输的是完全相同的空口信号，加扰过程中发送方只需要在空口信号重复传输的第一个slot计算一次扰码序列并进行加扰。由于重复传输的持续时间可能会比较长，NB-IoT协议针对NPDSCH、NPDCCH、NPUSCH和PRACH设计了一套GAP机制，即在这些信道的长时间传输过程中，适当的插入一些GAP，以便于UE侧进行同步校正。2.1.4应用场景NB-IoT的典型应用场景如下图2-5所示，图2-5NB-IoT典型应用场景其中，UE接入的小区也被记为carrier，源于NB-IoT只占用1个RB带宽，被认为是一种窄带通信系统；NB-IoT协议支持CA特性：UE接入的主小区记为anchorcarrier，相关配置在MIB和SIB下发；UE接入的辅小区记为non-anchorcarrier，的相关配置分别在RRC连接建立时的信令中（CarrierConfigDedicated-NB-r13）、SIB20和SIB22中下发；SIB20指示的non-anchorcarrier用于MBMS业务SIB22指示的non-anchorcarrier用于PAGING业务，仅支持随机接入和PAGING接收UE接入的每个carrier有4种模式，由高层参数operationModeInfo配置：inbandwithsamePCI，本文记为IBSP，即该carrier占用的是常规LTE小区中的一个RB，并且carrier使用的物理小区ID与常规LTE小区的相同；inbandwithdifferentPCI，本文记为IBDP，即即该carrier占用的是常规LTE小区中的一个RB，并且carrier使用的物理层ID与常规LTE小区的不同；guard，即carrier占用的是相邻频点的两个常规LTE小区间保护频带；standalone，即carrier为单独分配的频点，与常规LTE小区无关；IBSP和IBDP，本位记为IB，此时UE可以接收常规LTE小区的CRS以增强接收性能，eNB也需要在发送NB-IoT规定的下行信号时躲避PCFICH、PDCCH、CRS等常规LTE小区的全频带信号；NB-IoT支持定位对UE的定位服务：UE测量出两个邻区与服务小区的时间差，服务小区将该信息上传至核心网，核心网则根据这两组时间差信息以及小区的位置信息计算出UE的位置，并将该位置信息下发给UE，如下图2-6所示图2-6UE定位示意图定位分为以下3种模式，由高层配置参数operationModeInfoNPRS确定IB（inband）；guard；standalone；2.2上行方案设计2.2.1无线帧结构上行链路仍然采用SC-FDMA多址接入方式，其可使用的总带宽为180kHz，子载波间隔为3.75kHz或15kHz，对应的子载波总数为48个或12个。子载波间隔f为3.75kHz时，无线帧结构有较大变化：slot长度被重新定义为2ms，一个无线帧（radioframe）只包含5个slot，此时再无子帧（sub-frame）的概念。每个slot的结构如下图2-7所示：包含7个时长8192Ts的OFDMsymbol；每个OFDMSymbol对应CP长度扩展到256Ts；7个OFDMsymbol之后存在2304Ts的保护时隙（GuardPeriod，GP）；较长的CP和新增的GP能够支持更大的传输时延，以扩大小区覆盖范围。图2-7NB-IoT方案中f为3.75kHz时的slot结构子载波间隔为15kHz时，无线帧结构与常规LTE协议保持一致，如图2-8所示。图2-8常规LTE协议中的无线帧结构示意图上行链路中，无线资源的基本映射单位仍然为RE，在时域上宽度为7个OFDMsymbol，在频域上宽度为1个子载波；基本分配单位为RU（ResourceUnit），在时域上宽度为2/4/8/16个slot（与RB不同，其宽度固定为2个slot），在频域上宽度为1/3/6/12个子载波（与RB不同，其宽度固定为12个子载波），如下表2-4所示，表2-4NB-IoT方案中的RU时频域宽度NPUSCHformatfRUscNULslotsNULsymbN13.75kHz116715kHz116386412223.75kHz1415kHz14可见，RU在时域上宽度最大为16个slot，即32ms（kHzf75.3，NPUSCHformat为1时）。需要注意的是，2.2.2传输方案2.2.2.1.NPRACH为了简化preamble发送和检测的复杂度，NPRACH信道不再使用ZC序列承载preamble，而使用跳频传输方案（preamble信息隐含于跳频图案中），固定子载波间隔3.75kHz。2.2.2.2.NPUSCHNPUSCH使用有两种传输方案：single-tone和multi-tone。single-tone中，子载波间隔f可为3.75kHz或15kHz，RU在频域上宽度只可为1个子载波（1RUscN）。multi-tone中，子载波间隔f只可为15kHz，RU在频域上宽度只可为多个子载波（12/6/3RUscN）。NPUSCH用于承载UL-SCH和下行的HARQACK信息，分别对应NPUSCHformat1和NPUSCHformat2两种格式。NPUSCHformat2只可使用single-tone，并且不可与UL-SCH一起复用传输。与常规LTE协议相比，NBIoT基于降低功耗和复杂度的考虑，移除了CSI反馈和SR功能，不再支持链路自适应，同时用随机接入过程来替代SR功能（NB-IoT对时延要求不高。2.2.2.3.NDMRS与常规LTE协议类似，NDMRS总是伴随NPUSCH等带宽发送。2.3下行方案设计