《窄带物联网（NB-IoT）原理与技术》课件第4章

第4章物理信号与物理信道4.1NB-IoT下行物理信号与物理信道4.2窄带物理下行同步信号NPSS/NSSS4.3窄带物理参考信号NRS4.4窄带物理下行广播信道NPBCH4.5物理控制信道4.6窄带下行共享信道NPDSCH4.7窄带上行随机接入信道NPRACH4.8窄带上行共享信道NPUSCH

4.1NB-IoT下行物理信号与物理信道

4.1.1下行物理信号与物理信道NB-IoT下行定义两种物理信号与三种物理信道，如表4-1所示。

4.1.2下行物理信道映射关系

物理信号与物理信道均是RE资源块(ResourceElement)的组合，区别在于有无高层的映射关系：

(1)物理信号无需承载来自高层的信息。

(2)物理信道需要承载来自高层的信息。

下行物理信道的映射关系，如图4-1所示。

图4-1NB-IoT下行物理信道与信号的映射关系

(1)用于承载寻呼的逻辑信道PCCH，经过MAC层传输信道映射到窄带物理下行共享信道NPDSCH。

(2)用于承载系统广播消息的逻辑信道BCCH，分成两部分内容进行映射，用于传送主信息块的MIB，经传输信道BCH映射到窄带物理下行广播信道NPBCH；用于传送除系统主信息以外的其他信息，例如SIB，经传输信道映射到窄带物理下行共享信道NPDSCH。

(3)用于承载公共控制信令消息CCCH、专用控制信令消息DCCH和专用业务信道消息DTCH，经传输信道DL-SCH映射到窄带物理下行共享信道NPDSCH。

(4)由于窄带物理下行共享信道NPDSCH承载不同信道的信息内容，接收方或发送方若直接传输NPDSCH上的内容，则查找及通知的工作量繁重。通过索引目录的方式来优化查询NPDSCH中的消息内容，衍生出NPDCCH信道。

4.2窄带物理下行同步信号NPSS/NSSS

4.2.1窄带物理下行同步信号作用对通信系统来说，同步信号是比较重要的，主要用于帮助接收端完成时间和频率同步。对UE来说，开机后第一件事就是进行小区搜索过程。终端的小区搜索过程是通过对同步信号的检测，完成终端与小区在时间和频率上的同步，以获取小区PCI的过程。

与LTE类似，NB-IoT的同步信号也包括主同步信号(NPSS)和辅同步信号(NSSS)。其中，主同步信号用于完成时间和频率的同步，辅同步信号用于携带504个小区PCI和80ms的帧定时信息。

与LTE不同，NB-IoT在获取小区PCI时，是通过辅同步信号来确定的。而LTE是通过主同步信号和辅同步信号共同来确定小区PCI的。

4.2.2窄带物理同步信号时频位置

NB-IoT同步信号分成主同步信号NPSS与辅同步信号NSSS，两者在时频资源上的位置如表4-2所示。

1.同步信号在时频资源上的位置

当NB-IoT采用独立部署和保护带部署时，同步信号在时频资源上的位置，如图4-2所示。

(1)时域上，NPSS占用5号子帧的最后11个符号，频域上NPSS占0～10号子载波。

(2)时域上，NSSS占用偶数帧9号子帧里最后11个符号，频域上NSSS占0～11号子载波。图4-2NB-IoT同步信号的时频位置示意图

当NB-IoT采用带内部署时，NB-IoT同步信号NPSS/NSSS与LTE的参考信号位置存在重叠区域，重叠区域不影响终端对NB-IoT同步信号的解码，如图4-3所示。图4-3采用带内部署时NB-IoT的同步信号时频资源示意图

2.同步信号周期

主同步信号NPSS信号周期为10ms；辅同步信号NSSS信号周期为20ms。

4.3窄带物理参考信号NRS

4.3.1窄带物理参考信号作用及特点窄带物理参考信号的特点如下：(1)支持单天线端口或两天线端口，映射到时隙的最后两个符号上。(2)支持三种操作模式(Stand-alone/In-band/Guard-Band)。

(3)  NRS在频域采用与LTECRS相同的小区专有频率偏移，其偏移幅度为

(4)在In-bandsamePCI情况下(即NB-IoT采用In-band部署模式，NB-IoT小区的PCI与共小区的LTE小区PCI相同)，NB-IoT使用天线端口0和1(与LTECRS一致)。

(5)在In-bandsamePCI情况下，可以使用LTECRS作为额外的参考信号用于物理下行信道数据解调和测量。

(6)除In-bandsamePCI以外的其他情况，NB-IoT使用天线端口2000和2001。

4.3.2窄带物理参考信号NRS时频位置

1.窄带物理参考信号NRS的时域位置

窄带物理参考信号NRS的时域位置如图4-4所示，当采用单天线端口或双天线端口时的图均有不同位置。

(1)采用单天线端口时，用R0表示1个端口；

(2)采用双天线端口时，用R0表示第1个端口，用R1表示第2个端口。图4-4NB-IoT端口及参考信号示意图

2.窄带物理参考信号NRS的频域位置

窄带物理参考信号在频域映射的位置由PCImod 6决定。当PCImod6=0时，NRS的频域起始位置从#0子载波开始。

(1)单天线端口时，以第5个OFDM符号为时域起始点，如图4-4中的R0。

(2)双天线端口时，端口1的NRS用R0表示，以第5个OFDM符号为时域起始点，端口2的NRS用R1表示，以第6个OFDM符号为时域的起始点。

同理可以类推，当PCImod6 = 1时，NRS的频域起始位置从 #1子载波开始，时域不变，即整个NRS分布往上移一行，如图4-5所示。

图4-5PCImod6余数与参考信号的位置关系示意图(单天线端口)

如果是双天线端口，根据协议规定，在天线端口0处，天线端口1发送R1的RE资源位置必须置位(unused)，即该RE资源不可用(也有的称为DTX)。这样就使得参考信号在双天线端口资源映射时，频域位置由mod 6决定变成由mod 3决定。例如，小区1采用PCImod 6=0的配置，小区2采用PCImod 6 = 3的配置，此时由于终端无法区分两个小区的天线端口R0与R1，发生mod 3干扰。因此PCImod6=0与PCImod6=3时，终端无法解调出相关参考信号，如图4-6所示。图4-6PCI mod 6余数与参考信号的位置关系示意图(双天线端口)

4.4窄带物理下行广播信道NPBCH

4.4.1系统信息广播的作用系统信息广播是移动通信系统中的一个重要功能，是将终端和系统联系起来的纽带。广播主要提供了无线接入网的主要信息，其目的是便于UE建立无线连接并使用网络提供的各项功能。对于无线系统来说，系统消息广播功能是必须实现的。

NB-IoT系统消息分成两部分，即MIB和SIBs。

(1) MIB是主信息块，传输的是最基本的信息，是UE后续解读SIBs的基础。NPBCH用来承载MIB信息。

(2)除MIB携带的消息外，其余系统信息如SIB1-NB等则承载在NPDSCH信道中。

4.4.2窄带物理广播信道NPBCH携带内容

NPBCH用来承载MIB-NB消息内容，发送周期是640 ms，信道所携带信息的大小是34bits。系统消息分成两部分内容，少量重要内容放在MIB-NB消息中，手机在执行开机附着以及小区选择流程时必须要读取MIB-NB消息；其余系统消息内容(SIBs)通过NPDCCH调度，在NPDSCH信道中承载。

消息内容解释详见表4-3。

4.4.3窄带物理广播信道NPBCH物理层处理方式

窄带物理广播信道NPBCH位于无线帧的0号子帧，携带系统主消息块MIB-NB，包括系统帧号(SFN)、SIB1-NB的调度信息等。系统消息占用34 bit位，广播周期为640 ms，重复8次发送，帧结构及发送示意如图4-7所示。图4-7窄带物理广播信道NPDBCH时频资源分布与发送示意图

(1) NPBCH经过物理层处理形成1600 bit，这1600 bit分成8块编码子块，每个编码子块含200 bit，每个编码子块的200 bit都是相同内容，即重复传输8次，并分布到80 ms的时间间隔上。

(2)在80 ms时间间隔内，NPBCH在每个系统帧的子帧 #0传输1次，这80 ms内的每次传输时都由特定的序号来区分是第几个子块，即第1个系统帧的子帧 #0和第3个系统帧的子帧 #0的编号不同，UE在640 ms内随机解出NPBCH后，就知道NPBCH的时间周期以及相应频率位置了。

(3)每个编码子块(200 bit)采用QPSK调制，占用100RE，映射到图中NPBCHRE中。

NPBCH重复传输次数固定为64次，每个子帧均可独立解码，通过时间分集增益保证NPBCH的接收性能。

4.5物理控制信道

4.5.1窄带物理控制信道NPDCCH窄带物理控制信道NPDCCH用于调度NPDSCH信道中的内容，结合下行信道进行映射(如图4-8所示)。图4-8下行信道映射图

4.5.2NPDCCH携带信息

NPDCCH携带信息为下行控制信息(DownlinkControlInformation，DCI)。DCI不仅用于下行数据的调度(DLAssignment)，也用于上行数据的授权(ULGrant)，还可用于指示寻呼Paging的资源或系统信息的变更。

NB-IoT中的DCI格式及功能主要有三种，即DCIformatN0、DCIformatN1和DCIformatN2，如表4-4所示。

4.5.3NPDCCH与PDCCH的区别

NB-IoT的物理层下行控制信道为NPDCCH，与LTE系统的PDCCH类似，也用于承载下行控制信息DCI。但是NB-IoT系统采用窄带传输，频域上仅支持1个PRB大小的子帧，所以LTE系统的下行控制信道不再适用，如表4-5所示。

NPDCCH的特点包括：

(1) NB-IoT频域上占用12个RB资源，时域上占用一个完整子帧。

(2)为了提升编码增益，NB-IoT的控制信道NPDCCH采用重复发送的方式。

(3)由于采用重复传输，因此NPDCCH不再支持LTE中的REG概念。

4.5.4搜索空间

UE在监听搜索空间时，需要用DCI格式去尝试解码搜索空间中的每一个NPDCCH(即在搜索空间中盲检NPDCCH)，为使盲检NPDCCH的复杂度保持在合理的范围内，NB-IoT中的搜索空间分为三种：Type1公共搜索空间、Type2公共搜索空间和UE特定的搜索空间，这三种搜索空间作用如下：

(1) Type1公共搜索空间(CommonSearchSpace，CSS)：只用于寻呼paging；

(2) Type2公共搜索空间：只用于随机接入，包括msg2(RAR)、msg3的重传和msg4；

(3) UE特定的搜索空间(UserSearchSpace，USS)：只用于某个UE的下行调度或上行传输授权信息。

当UE在收到属于自己的DCI后，依据DCI中的内容在NPDSCH数据区域中找到用户数据，搜索空间类型如表4-6所示。

4.6窄带下行共享信道NPDSCH

4.6.1NB-IoTNPDSCH与LTEPDSCH的设计差异与LTEPDSCH相比，NB-IoT下行NPDSCH的设计主要考虑降低终端处理的复杂度，以及增强覆盖能力，主要体现在以下几个方面：(1) NB-IoT下行NPDSCH支持跨子帧的传输块映射。(2) NB-IoT下行频域资源分配时，不支持单子帧多用户传输。

(3) NB-IoT下行NPDSCH支持重复发送，最大重复次数为2048次。

(4) NB-IoT下行采用NRS单端口时，使用单端口传输下行数据。

(5) NB-IoT下行采用NRS两端口时，下行传输使用两端口发射分集(SFBC)。

(6) NPDSCH采用咬尾卷积编码(TBCC)，可降低终端解码复杂度，有助于降低终端成本。

4.6.2NPDSCH时频资源位置

NPDSCH在频域上所占用的带宽是一个PRB大小，其频域资源映射规则如下：

(1)不能占用NPBCH/NPSS/NSSS所在子帧；

(2)不能占用NRS所在RE资源。

考虑到NB-IoT采取带内部署，其时频资源位置示意图如图4-9所示。图4-9NPDSCH时频资源位置示意图．

1) In-Band操作模式

(1)时域：非SIB1-NB使用的NPDSCH子帧起始位置由参数eutraControlRegionSize-r13决定，参数值用l表示。SIB-NB使用的NPDSCH子帧编号从l = 2或3的位置开始，即图4-9中的图(b)是l = 3，图(c)是l = 2。

(2)频域：占用12个子载波，子载波编号0～11。

2) Stand-alone/Guard-Band操作模式

(1)时域：占用14个OFDM符号，符号编号0～13；

(2)频域：占用12个子载波，子载波编号0～11。

SIB1-NB中包含eutraControlRegionSize-r13字段。eutraControlRegionSize-r13取值集合为{n1，n2，n3}。

图4-9中的图(a)是NB-IoT采用独立部署或保护带部署时，NPDSCH可使用的资源是除NRS使用的RE资源外剩下的RE资源。

4.6.3NPDSCH时域重复

NB-IoT业务信道通过重复传输方式，可达到提升覆盖的目的。为何通过重复传输能提升覆盖性能？这就好比一句话说一次听不清，再重复多说几次就可以听清。

NB-IoT的NPDSCH子帧可以重复发送的次数用NRep表示：

(1)如果NPDSCH携带用户数据，则NRep取值范围{1，2，4，…，1024，2048}。

(2)如果NPDSCH携带系统消息SIB1-NB，则NRep取值范围{4，8，16}。

NPDSCH重复传输示意图如图4-10所示图4-10NPDSCH重复传输示意图

采用这种方式传输的好处是：在周期1内，如果接收方能还原发送信息，则不用等周期2的数据传送结束后，即可获得发送信息内容。如果接收方在周期1内无法还原数据，则可以继续接收周期2的数据，然后通过编码叠加的增益获得发送信息。

4.7窄带上行随机接入信道NPRACH

4.7.1NB-IoT随机接入信令流程在R13版本中，NB-IoT仅支持竞争随机接入。基于竞争的随机接入流程如图4-11所示。图4-11竞争随机接入流程图

流程解释如下：

(1) Msg1：UE发送随机接入请求；

(2) Msg2：eNodeB发送随机接入响应；

(3) Msg3：UE进行上行调度传输；

(4) Msg4：eNodeB进行竞争解决。

4.7.2NPRACH格式

窄带物理随机接入信道上承载的是UE发送的MSG1的随机接入前导(RandomAccessPreamble)，主要用来承载Preamble码。

协议中，NB-IoT设计了两种Preambleformat，包括format0和format1，其中format0支持10 km覆盖距离，format1支持35 km覆盖距离。

Preamble发送的最基本单位是4个符号组(SymbolGroups)，SymbolGroups包括一个循环前缀CP(CyclicPrefix)以及5个符号，且5个符号上发送的信号相同。单时隙内NPRACH的单符号组结构示意图如图4-12所示。

图4-12单时隙内NPRACH的单符号组结构示意图

根据循环前缀CP长度的不同，单时隙内NPRACH的单符号组结构可分为长CP和短CP两种格式，如图4-13所示。

(1)短CP用格式1(format1)来表示，CP所占时间长度是66.7 μs，前导占用时长1.6 ms；

(2)长CP用格式2(format2)来表示，CP所占时间长度是266.7 μs，前导占用时长1.4 ms。图4-13NPRACH格式1与格式2区别

从频域、时域、序列、信道资源、复用方式和重复传输的角度来看，NPRACH配置与LTE的对比情况如表4-7所示。

Preamble发送的最基本单位是四个SymbolGroup，每个SymbolGroup发送时占用的子载波相同，SymbolGroup之间配置两个跳频间隔。第一/第二SymbolGroup之间和第三/第四SymbolGroup之间配置第一等级的跳频间隔，FH1 = 3.75 kHz；第二/第三SymbolGroup之间配置第二等级的跳频间隔，FH2 = 22.5 kHz，具体如图4-14所示。图4-14NPRACH符号跳频示意图

4.7.3NPRACH配置

在发送随机接入前导前，NB-IoT终端会通过测量下行RSRP信号强度来决定所处的覆盖等级，并使用该覆盖等级所配置的NPRACH资源发起随机接入，涉及的配置参数有起始时间、NPRACH周期、CP长度等，具体详见表4-8。

4.8窄带上行共享信道NPUSCH

4.8.1NB-IoTNPUSCH与LTEPUSCH的设计差异窄带物理上行共享信道用来传输上行控制信息以及上行数据，与LTE的表示方法不同，NB-IoT中用NPUSCH格式1来传输用户上行数据，用NPUSCH格式2来传输用户上行控制信息，如图4-15所示。图4-15NB-IoT上行物理信道与LTE的区别

NPUSCH与PUSCH的差别，如表4-9所示。

4.8.2上行资源RU概念

NB-IoT在上行数据分配中引入资源单元RU(ResourceUnit)的概念，上行数据的分配和HARQ-ACK信息的发送均以RU为单位。

RU的构成如表4-10所示。

RU资源划分如图4-16所示。图4-16上行资源RU示意图

4.8.3NPUSCH格式

NB-IoT在上行定义了两种格式的NPUSCH信道。

(1) NPUSCHformat1支持跨RU的资源映射。

(2) NPUSCHformat2仅用于NPDSCH的ACK/NACK反馈物理信道。

NPUSCHformat2与NPUSCHformat1均不支持单子