NB-IoT技术原理与应用开发 -课件 第3章 NB-IoT空中接口

第3章NB-IoT空中接口NB-IoT下行空口协议架构图NB-IoT上行空口协议架构图第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.1NB-IoT空口协议栈一、NB-IoT空口协议栈整体结构组成二、NAS层三、RRC层四、PDCP子层五、RLC子层六、MAC子层一、NB-IoT空口协议栈整体结构组成垂直角度的空口协议栈水平角度的空口协议栈二、NAS层功能：UE的移动性管理（EMM）——用户当前位置的跟踪，以及UE的切换、位置更新连接管理（ECM）——UE和EPC之间的信令连接EMM：EMM-DeRegistered（注销）EMM-Registered（注册）ECM：ECM-Idle（ECM空闲）ECM-Connected（ECM连接）二、NAS层在EMM-DeRegistered状态下：在EMM-Registered状态下：MME没有UE的位置和路由信息；对于MME，UE不可达；部分UE的上下文仍可存储在UE和MME中，这样可以避免在每次附着流程都运行鉴权认证流程等。UE在成功注册（Attach过程或者跟踪区更新过程）后，则进入EMM-Registered状态；在该状态下，UE可使用需EPS注册的业务，MME知道UE的位置信息；可执行跟踪区更新（TAU）、周期性TAU、寻呼、业务请求等。二、NAS层在ECM-Idle状态下：在ECM-Connected状态下：UE和EPC之间没有S1-MME和S1-U连接存在；EUTRAN没有用户的上下文信息；UE和网络间的状态可能不同步。UE和MME间存在信令连接，包括RRC连接和S1-MME连接；MME精确知道UE所处eNBID信息。ECMUE与eNB之间的RRC连接eNB与MME之间的S1信令链路的逻辑连接谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松NB-IoT下行空口协议架构图NB-IoT上行空口协议架构图第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.1NB-IoT空口协议栈一、NB-IoT空口协议栈整体结构组成二、NAS层三、RRC层四、PDCP子层五、RLC子层六、MAC子层三、RRC层负责无线资源的控制和管理及相关信令的传输。UE和EUTRAN之间控制信令的主要部分是RRC消息，RRC消息承载了建立、修改和释放第二层和物理层协议实体所需的全部参数，同时也携带了NAS层的一些信令。RRC_Idle态：UE未建立和网络之间的上下文；RRC_Connnected态：UE已建立了上下文，且网络为接入的UE分配了对应的资源；RRC_Suspended态：UE和网络之间保留了上下文，UE还保存了RRC连接恢复ID等信息，尽管UE可以进入休眠状态以降低功耗，但是从RRC_Suspended态恢复回RRC_Connnected态以进行数据传输的流程是相对快速的，且无须产生额外的信令开销。三、RRC层NB-IoT的RRC层和NAS层状态间转换三、RRC层三、RRC层NB-IoT与LTE空口RRC层功能对比三、RRC层对于信令的承载，支持以下三个SRB（信令无线承载，SignalingRadioBearer）：总的来说，对于仅支持CP优化传输方案的终端，NB-IoT系统的信令无线承载使用SRB0和SRB1bis，对于同时支持CP优化传输方案和UP优化传输方案的终端，在接入层安全激活前使用SRB0和SRB1bis，在接入层安全激活之后使用SRB0和SRB1。SRB0：用于承载公共控制信道（CCCH）上的RRC消息，这些消息用于RRC连接建立、RRC连接恢复或者RRC连接重建立；SRB1：支持PDCP，用于在接入层安全激活之后承载在专用控制信道（DCCH）上RRC消息和NAS消息；SRB1bis：不支持PDCP，用于在接入层安全激活之前承载在DCCH上的RRC消息和NAS消息。网络类型UP优化传输方案CP优化传输方案LTE最多支持8个DRBSRB0、SRB1（RRC消息）、SRB2（NAS消息）NB-IoT最多支持2个DRBSRB0、SRB1、SRB1bis谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松NB-IoT下行空口协议架构图NB-IoT上行空口协议架构图第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.1NB-IoT空口协议栈一、NB-IoT空口协议栈整体结构组成二、NAS层三、RRC层四、PDCP子层五、RLC子层六、MAC子层四、PDCP子层在CP优化传输方案中，把整个PDCP子层去掉；在UP优化传输方案中，PDCP子层的功能与LTE的基本一致，其主要目的是发送和接收对等PDCP实体的分组数据。谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松NB-IoT下行空口协议架构图NB-IoT上行空口协议架构图第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.1NB-IoT空口协议栈一、NB-IoT空口协议栈整体结构组成二、NAS层三、RRC层四、PDCP子层五、RLC子层六、MAC子层五、RLC子层为高层的业务数据和控制数据提供分段和重传功能五、RLC子层RLC的分段重组级联功能：五、RLC子层传输模式英文简称特点适用数据透明模式TM对高层数据不添加控制开销，根据业务类型决定是否进行分段操作。接收实体接收到的PDU如果出现错误，则根据配置在标记错误后向上层递交，或者直接丢弃并向高层报告。实时性要求高而可靠性要求低，如语音业务确认模式AM添加控制开销，保证传递到对等实体。具有ARQ纠错能力。如果对端RLC接收到有错误的PDU，就通知发送方的RLC重传这个PDU。由于RLCPDU中包含有顺序号信息，因此支持数据向高层的顺序或乱序递交。可靠性要求高而实时性要求低，包括PS业务（www和电子邮件）和关键性信令（如切换）五、RLC子层传输模式英文简称特点适用数据非确认模式UM添加必要控制开销，不保证传递到对等实体，且无ARQ能力。接收实体对所接收到的有误数据标记为错误后向上层递交，或者直接丢弃并向高层报告。由于RLCPDU包含有顺序号，因此能够检测高层PDU的完整性。可靠性和实时性居中，包括业务（小区广播、VoIP和流媒体）和非关键性信令（如周期上报的测量报告）DRB——AMSRB0——TMSRB1bis和SRB1——AM不采用UM：简化RLC的处理，并保证数据传输的可靠性。谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松NB-IoT下行空口协议架构图NB-IoT上行空口协议架构图第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.1NB-IoT空口协议栈一、NB-IoT空口协议栈整体结构组成二、NAS层三、RRC层四、PDCP子层五、RLC子层六、MAC子层六、MAC子层为RLC子层提供数据传输及无线资源分配业务谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.2NB-IoT空口物理层一、NB-IoT空口物理层特性二、NB-IoT空口帧结构三、NB-IoT空口时频域资源一、NB-IoT空口物理层特性NB-IoT的物理层下行与LTE很相似，只是更简化，覆盖增强只靠重复发送；上行除了重复发送外，还引入更小的子载波间隔和单通道传输方式。二、NB-IoT空口帧结构1、下行NB-IoT的下行帧结构与LTE的类型1（用于FDD-LTE系统）帧结构相同。

由于业务不频繁的特性，为了支持更长的寻呼周期，为此在下行引入了超帧（hyper-frame）的概念。一个超帧等于1024个系统帧，一个系统帧包含1024个无线帧，因此一个超帧时长为2.91小时。二、NB-IoT空口帧结构2、上行

当子载波间隔为15kHz时，其帧结构与下行帧结构完全相同；

当子载波间隔为3.75kHz时，每个时隙为2ms。由于一个无线帧仍然是10ms，因此一个无线帧包含5个时隙。这种情况下，已经没有子帧的概念了。谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.2NB-IoT空口物理层一、NB-IoT空口物理层特性二、NB-IoT空口帧结构三、NB-IoT空口时频域资源三、NB-IoT空口时频域资源三、NB-IoT空口时频域资源三、NB-IoT空口时频域资源3.75kHz子载波间隔，是15kHz的1/4；而对应的时隙时长2ms，是0.5ms的4倍，这样设置可以有效降低NB-IoT和LTE系统间的干扰，增强NB-IoT系统上下行的相容性。

同时，3.75kHz相比于15kHz，能获得更大的PSD（功率谱密度，PowerSpectralDensity）增益，这将转化为更强的覆盖能力；

而且，在仅有的180kHz的频谱资源里，将调度资源从原来的12个子载波扩展到48个子载波，能带来更灵活的调度。NB-IoT的上行支持终端的两种数据传输模式：单音（SingleTone）：针对低速物联网应用，一个终端仅使用一个载波，这种模式对15kHz和3.75kHz两种子载波间隔都适用。多音（Multi-Tone）：针对高速物联网应用，一个终端可以使用多个载波，这种模式仅对15kHz子载波间隔适用。而且在这种情况下，终端必须具有支持多音的能力且必须给网络上报这种能力。谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.3NB-IoT空口物理信道一、NB-IoT空口信道二、下行物理信道和信号三、上行物理信道和信号一、NB-IoT空口信道如果把逻辑信道中传输的不同类型的数据比作一个个目的地不同的旅客，那么传输信道就负责将这些旅客按照目的地进行分类，为运送旅客做好准备，而物理信道就像是各种交通工具，最终把旅客送到目的地，同时它也捎带了自己的私货（物理层专属信息）。一、NB-IoT空口信道一、NB-IoT空口信道信道分类逻辑信道控制信道业务信道传输信道公共信道专用信道物理信道下行信道上行信道——BCCH、PCCH、CCCH、DCCH——DTCH——BCH、PCH、UL-SCH和DL-SCH——RACH——NPRACH和NPUSCH——NPBCH、NPDCCH和NPDSCH一、NB-IoT空口信道下行信道一、NB-IoT空口信道上行信道一、NB-IoT空口信道从空口下行方向来看，基站向终端主要发送如下三类信息：广播信息

终端接入基站都要先读取基站的广播信息，以获知基站的相关配置并实现与基站的同步，因此基站要周期性地、频繁地向覆盖范围内的所有终端发出广播消息。根据广播消息内容的不同，三类信道的映射关系也不同，具体为：主信息块（MIB，MasterInformationBlock）消息从逻辑信道BCCH映射到传输信道BCH，继而映射到物理信道NPBCH；而系统信息块（SIB，SystemInformationBlock）消息从BCCH映射到传输信道DL-SCH，继而映射到物理信道NPDSCH。寻呼信息

当基站需要找到终端时就要向其发送寻呼消息，对应的映射关系为：PCCH→PCH→NPDSCH。业务相关信息CCCH可以为基站下属所有终端所共用，主要用来传输做业务前的控制信息，如SRB0；每个DCCH专门针对某个终端，主要用来传输做业务过程中的控制信息，如SRB1和SRB1bis；每个DTCH也被某个终端所独占，主要用来传输业务过程中的业务数据，如DRB1和DRB2。对应的映射关系为：CCCH、DCCH和DTCH复用映射到传输信道DL-SCH，再到物理信道NPDSCH。值得一提的是，对于采用控制面优化传输方案的终端则不需要DTCH。一、NB-IoT空口信道从空口上行方向来看，终端向基站主要发送如下两类信息：随机接入信息

无论是做业务还是要传输控制信息，终端都要先接入到网络，完成从空闲态到连接态的转换。由于对于基站来说，终端何时发起接入是随机发生的未知事件，因此这个过程被称为随机接入过程。随机接入消息传输对应的映射关系为：NPRACH→RACH。可见，随机接入过程到MAC子层终结，不涉及更高层。业务相关信息

上行业务相关信息与下行业务相关信息的映射刚好是一个反过程。对应的映射关系为：首先是物理信道NPUSCH映射到传输信道UL-SCH，然后根据信息内容进行解复用，分别映射到逻辑信道CCCH、DCCH和DTCH中。谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.3NB-IoT空口物理信道一、NB-IoT空口信道二、下行物理信道和信号三、上行物理信道和信号二、下行物理信道和信号三种信道：NPBCH、NPDCCH、NPDSCH三种信号：NPSS、NSSS（主要用于UE完成小区搜索过程）NRS（主要用于下行链路的信道估计，为UE端的相干解调和检测提供参考）二、下行物理信道和信号1.NRS二、下行物理信道和信号2.NPSS和NSSSNPSS二、下行物理信道和信号2.NPSS和NSSSNSSS二、下行物理信道和信号3.NPBCH二、下行物理信道和信号4.NPDCCH二、下行物理信道和信号4.NPDCCHNPDCCH主要用于承载DCI（DownlinkControlInformation，下行控制信息）。DCI包括NPDSCH的上/下行调度信息、HARQ响应信息确认/非确认（ACK/NACK）、随机接入响应调度信息、寻呼指示消息等，对应三种格式：二、下行物理信道和信号5.NPDSCHNPDSCH是NB-IoT的物理下行共享信道，主要用于承载业务数据、寻呼消息、随机接入响应消息和系统消息（如NB-SIB1、NB-SIB2等），时域上占用除NPSS/NSSS/NPBCH/NPDCCH外的下行有效子帧。谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.3NB-IoT空口物理信道一、NB-IoT空口信道二、下行物理信道和信号三、上行物理信道和信号三、上行物理信道和信号两种信道：NPRACH、NPUSCH一种信号：NB-DMRS（用于对用户设备所占用的NPUSCH信道进行信道估计与相干解调）三、上行物理信道和信号NPUSCH两种格式：三、上行物理信道和信号2.NB-DMRSNB-DMRS（NarrowbandDemodulationReferenceSignal，窄带解调参考信号）用于对用户设备所占NPUSCH信道进行信道估计与相干解调。每个RU内的每个时隙的每个子载波至少有一个NB-DMRS，以保证每个子载波都能够被正确解调。三、上行物理信道和信号3.NPRACHNPRACH是NB-IoT的物理随机接入信道，主要用来承载随机接入前导码（Preamble码），实现用户设备的随机接入过程。而随机接入过程是用户设备从空闲态获取专用信道资源转变为连接态的重要手段（获取终端与基站间的上行同步）。

一个NPRACH前导码由4个符号组（SymbolGroup）构成，所有符号组中发送的信息都相同，都为“1”。一个符号组包括1个CP和5个SC-FDMA符号。三、上行物理信道和信号3.NPRACH根据CP长度的不同，NPRACH设计了两种前导码格式。（1）格式0：CP时长为66.7μs，相应的符号组和前导码时长分别为1.4ms和5.6ms，用于支持10km的覆盖距离。（2）格式1：CP时长为266.7μs，相应的符号组和前导码时长分别为1.6ms和6.4ms，用于支持35km的覆盖距离。两种格式的前导码最终占用时域为8ms，多出的时间用来保护间隔。

此外，每个前导码中的4个符号组通过跳频发送，能获得频率分集增益。谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.4功率控制NB-IoT网络采用下行功率分配和上行功率控制。下行功率分配：

各个信道发射功率提前配置好。一旦配置好，则其发射功率恒定不变，除非对配置值进行调整。即下行各种物理信道和信号的功率是相对静态不变的。

下行功率可由NRS功率配置得到。NRS功率的大小通过EPRE（每资源粒子能量，EnergyPerResourceElement）来表征。基站通过下行功率分配确定每个RE上的下行发射能量EPRE。NRS固定功率3.4功率控制上行功率控制：

在配置了一定的规则后，终端的发射功率随着距离、干扰等因素不断进行实时调整。即上行各种物理信道和信号的功率是动态平衡的。

功率控制技术对于物联网终端尤为重要。

一般来说，终端进行上行功控主要有两大作用：一是降低终端功耗，延长电池的使用寿命。二是减小系统干扰。要求终端到达基站的功率在合理范围内，既要保证上行传输质量，满足解调要求，又要尽可能地减小对邻基站的干扰。

此外，通过上行功控也能克服远近效应，使得远处的终端功率不至于被近处的终端所淹没。

实际执行时，基站将功控相关参数通过SIB系统消息下发给终端，终端根据协议规定的算法进行上行发射功率的计算并照此执行。SIB功控减小干扰功控功控克服远近效应3.4功率控制1、NPRACH的功率控制当需要通过多次重复发送来增强覆盖时，终端通常采用最大发射功率，其实此时已不存在功控的问题；采用功率攀升（PowerRamping）的方法。3GPP协议规定，NPRACH具体采用哪种功率控制方法与小区覆盖等级有关：当配置的小区覆盖等级数大于1时（NB-IoT小区最多可配置3个不同的覆盖等级：等级0、等级1和等级2），则只有当终端处于覆盖等级0时，NPRACH采用功率攀升方式发送；其他覆盖等级时都采用最大功率发送。当配置的小区覆盖等级数等于1时，NPRACH采用功率攀升方式发送。3.4功率控制2.NPUSCH（包括DMRS）的功率控制当调度的重复次数大于2时，UE固定使用最大发射功率进行发射，不进行调整，即不进行功率控制；当调度的重复次数小于等于2时，才进行功控（以较小功率发射信号）。谢谢观看！第3章NB-IoT空中接口天津职业大学电子信息工程学院崔雁松第3章NB-IoT空中接口3.1NB-IoT空口协议栈3.2NB-IoT空口物理层3.3NB-IoT空口物理信道3.4功率控制3.5HARQ过程3.5HARQ过程一、前向纠错编码FEC二、自动重传请求ARQ三、混合自动重传请求HARQ四、NB-IoT中的HARQ一、前向纠错编码FECFEC：Forward

ErrorCorrectionFEC系统的优势如下：更高的系统传输效率；自动错误纠正，无需反馈及重传；时延小。FEC系统的劣势如下：可靠性较差；对信道的自适应能力较低；为保证更高的可靠性需要较长的码，因此编码效率较低，复杂度和成本较高。二、自动重传请求ARQARQ：Automatic