摩拜、ofo抢着用的NB-IoT技术，听说你还不知道！？

作者 | 万物云联网

编辑 | 贾维娣

微信公众号ID | csdn_iot

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引言

机器通信类型（machine-type communications）的应用场景发展非常迅速。将连接解决方案与传感器，执行器，仪表（水，气，电或停车），汽车，电器等集成在一起是非常有意义的，图1展示了机器通信类型的各种可能的应用。因此，物联网（IoT）应用正在广泛建立和扩大。

IoT它由多个网络组成，可能有不同的设计目标。例如，一些只旨在覆盖当地区域的网络（例如，一个单独的家庭），而另一些网络需要提供广泛的覆盖。后者是第三代合作伙伴计划（3GPP）解决。因为意识到。IoT的重要性，3GPP最新版本Rel-13中引入了IoT一些关键特征。

EC-GSM-IoT和LTE-MTC旨在加强现有的全球移动通信系统（GSM）和长期演进（LTE）为了更好地服务网络的性能IoT应用场景GPP该协议旨在使物联网（IoT）的覆盖范围不断扩大，UE降低复杂性、电池寿命演唱、向后兼容性等共同目标。

窄带物联网作为行业提出的第三条道路（NB-IoT）该技术还试图帮助实现这些目标（见高通的物联网提案：Narrowband IoT (NB-IoT)”。此外，NB-IoT旨在提供部署灵活性，允许运营商引入其现有可用频谱的一小部分NB-IoT。 NB-IoT主要针对超低端IoT应用。

图1 蜂窝物联网（IoT）的应用场景

NB-IoT是一种新的3GPP无线电接入技术，因为它不能与现有的3完全兼容GPP设备。然而，它旨在实现传统GSM，通用分组无线业务（GPRS）和LTE卓越的技术共存性能。 对于下行链路和上行链路NB-IoT分别都需要180 kHz的最小系统带宽。最小系统带宽的选择可以帮助实现多种部署选择。

GSM运营商可以使用NB-IoT替换一个GSM载波（200 kHz）。 LTE运营商可以通过180 kHz物理资源块（PRB）其中一个分配给NB-IoT部署，即在LTE载波内承载NB-IoT。我们稍后会介绍NB-IoT优化了空气接口，以确保和LTE因此，协调共存LTE载波内NB-IoT这种带内部署不会影响LTE或者NB-IoT的性能。 LTE运营商也可以选择LTE在运营商的保护频段内部署NB-IoT。

NB-IoT广泛地重用LTE设计包括数字下行链路的正交频分多址（OFDMA：orthogonal frequency-division multiple-access），以及数字上行链路的单载波频分多址（SC-FDMA：single-carrier frequency-division multiple-access），开发完整规格所需的时间大大降低了信道编码、速率匹配、交织等。此外，现有也是如此LTE对于设备和软件供应商，预计他们将开发它们NB-IoT产品所需的时间将大大降低。此外，现有也是如此LTE对于设备和软件供应商，预计他们将开发它们NB-IoT产品所需的时间将大大降低。 3GPP的NB-IoT工作项目规范制定阶段于2015年9月实施，核心规范于2016年6月完成。

NB-IoT2016年底和2017年初，商业产品和服务的推出时间大致在2017年初在上海开幕CES Asia在亚洲消费电子展上，中国移动推出了全球最小尺寸eSIM NB-IoT通信模组M5310， M5310是中国移动自主研发的NB-IoT工业级通信模块，目前世界上同类产品的最小尺寸仅为19×18.4×2.7mm，节省30%以上的布板面积。模块采用海思Hi2110芯片，支持eSIM技术以及OneNET平台协议使其适合物联网终端的无线连接，可以有效解决当前物联网的诸多问题，适用于智能抄表、智能停车、智能建筑、智能家居等行业，促进中国移动在物联网领域的有效实施。

此外，中国移动也发布了NB-IoT/Emtc/GSM三模通信模块A9500，以及2G模组M6312。其中A9500采用高通MDM9206芯片支持语音通话和TCP/IP协议。工业级M6312还支持FOTA、OpenCPU适用于电力、石油、燃气、物流、金融等领域。

我们在本文中提供NB-IoT最新概述空气接口，重点介绍NB-IoT与传统LTE不同的关键方面。特别是，我们强调有助于实现上述设计目标NB-IoT功能。

2

NB-IoT传输方案和部署选项

2.1

向下传输方案

NB-IoT基于和LTE相同的15kHz子载波间隔OFDMA。与LTE同时，子帧和帧的间隙分别为0.5ms，1ms和10ms。另外，循环前缀（CP）持续时间和间隙OFDM符号数量和时间间隙格式LTE中的相同。实质上，NB-IoT在频域中使用载波LTE PRB（ PHYSICAL RESOURCE BLOCK），即总共180kHz的十二个15kHz子载波。NB-IoT重用与LTE相同的OFDM处理机制可以保证其在下行链路中的实现LTE的共存性能。例如，当NB-IoT部署在LTE在下行链路中保持载波NB-IoT PRB与所有其他LTE PRB正交性。

2.2

向上传输方案

NB-IoT支持多音和单音传输的上行链路。多音传输是基于和为基础LTE相同的15kHz子载波间隔，0.5ms时隙和1ms子帧的SC-FDMA传输模式。单音传输支持两个数字载波带宽，15 kHz和3.75 kHz。 15 kHz处理机制及LTE在上行链路中实现相同LTE最佳共存性能。 3.75 kHz使用单音命令2ms时隙。类似于下行链路，上行链路NB-IoT载波使用180kHz总系统带宽。

2.3

部署选项

NB-IoT可使用180以上 kHz作为独立载波部署的任何可用频谱。也可以在LTE载波内或在保护频带内LTE内部部署的频谱分布。如图2所示。然而，当用户设备首次打开时（UE）并搜索NB-IoT运营商使用独立的部署场景，带内或保护带应透明。类似现有的LTE UE，NB-IoT UE仅需要在100kHz的分辨率上搜索载波。旨在促进UE初始同步的NB-IoT载波称为锚载波（anchor carrier）。 100 kHz UE搜索光栅意味着锚定载波只能放置在某些带内部署PRB中。例如，在10MHz LTE载波中，与100kHz最佳对准网格，可作为NB-IoT锚定载波的PRB索引为4、9、14、19、30、35、40， PRB索引从索引0开始，在LTE占据系统带宽最低频率的系统带宽PRB。

图2 展示了具有10MHz LTE载波的NB-IoT的部署选项

直流副载波正上方的PRB，即PRB#25，97直流副载波上方.5kHz（即6.以五个子载波间隔为中心。由于LTE直流副载波1000 kHz光栅上，PRB最近1000#25中心距离 kHz栅格为2.5 kHz。 DC副载波上的两个相邻的PRB中心之间的间隔是180kHz。因此，PRB#30，#35，#40和#45都是最接近的100 kHz的网格中心距离2.5 kHz的资源块。

可见10MHz和20MHz的LTE载波，有一组PRB所有索引都是最近的100kHz网格中心距离为2.5kHz，而对于3MHz，5MHz和15MHz的LTE载波带宽，PRB索引的中心距离为100 kHz光栅至少7.5 kHz。此外，NB-IoT锚定载波不应存在LTE中间6个载波PRB任何一个(例如10MHz LTE的PRB#25，尽管中心距离最近的100kHz光栅为2.5kHz）。这是因为LTE中间有6个同步和广播信道PRB它占用了许多资源元素，使这些资源难以使用PRB用于NB-IoT。

类似于带内部署和保护频段部署NB-IoT锚定载波不得超过100 kHz7.光栅中心频率.5 kHz。 NB-IoT设计用于社区搜索和初始数据收集UE能够在高达7.5kHz光栅偏移与网络同步。

NB-IoT支持多载波操作。因为可以有一个NB-IoT促进锚定载波UE初始同步，因此附加载波不需要接近100kHz光栅网格。这些附加载波被称为次载波（secondary carriers）。

3

物理信道

NB-IoT物理信道在很大程度上是基于传统的LTE设计。在本节中，我们将总结它们，重点介绍传统LTE不同的地方。

3.1

下行

NB-IoT在下行链路中提供以下物理信号和信道：

• 窄带主同步信号（NPSS：Narrowband Primary Synchronization Signal ）

• 窄带附同步信号（NSSS：Narrowband Secondary Synchronization Signal）

• 窄带物理广播频道（NPBCH：Narrowband Physical Broadcast Channel）

• 窄带参考信号（NRS：Narrowband Reference Signal）

• 窄带物理下行链控制信道（NPDCCH：Narrowband Physical Downlink Control Chnnel）

• 窄带物理下行链路共享信道（NPDSCH;Narrowband Physical Downlink Shared Channel）

与LTE不同，这些NB-IoT物理信道和信号主要在时间上进行多路复用的。图3示出了如何将NB-IoT子帧分配给不同的物理信道和信号的。每个NB-IoT子帧跨越频域中的一个PRB（即12个子载波），并且在时域中跨越1ms。

图3 NB-IoT下行物理信道与信号之间的时间复用

NPSS和NSSS由NB-IoT UE用于执行小区搜索，其包括时间和频率同步以及小区识别检测。由于传统的LTE同步序列占用6个PRB，所以NB-IoT不能重用这些PRB。因此引入了新的设计。

NPSS在每10ms帧的子帧＃5中使用子帧中的最后11个OFDM符号来发送。从UE的观点来看，NPSS检测是计算量最大的操作之一。为了有效实施NPSS检测，NB-IoT使用分层序列。对于子帧中的11个NPSS OFDM符号中的每一个，发送或－，其中是基于具有根索引5的长度为11的Zadoff-Chu（ZC）序列生成的基本序列。长度为11的ZC序列映射到NB-IoT PRB内的最低11个子载波上。

NSSS具有20ms的周期性，并且在子帧＃9中传输，也使用由总共132个资源元素组成的最后11个OFDM符号。 NSSS是一个长度为132的频域序列，每个元素映射到资源元素。 NSSS通过ZC序列和二进制加扰序列之间的元素乘法生成。 ZC序列的根和二进制加扰序列由窄带物理单元标识（NB-PCID）确定。 ZC序列的循环移位进一步由帧号决定。

NPBCH携带主信息块（MIB），并在每帧的子帧＃0中发送。在640 ms传输时间间隔（TTI）中，MIB保持不变。

NPDCCH承载下行链路和上行链路数据信道的调度信息。它还携带用于上行链路数据信道的HARQ确认信息以及寻呼指示和随机接入响应（RAR）调度信息。 NPDSCH携带来自较高层的数据以及寻呼消息，系统信息和RAR消息。如图3所示，存在可以分配用于承载NPDCCH或NPDSCH的多个子帧。为了降低UE复杂度，所有下行链路信道都使用LTE尾部卷积码（TBCC）。此外，NPDSCH的最大传输块大小为680位。相比之下，没有空间复用的LTE支持的最大TBS大于70,000比特。

NRS用于为下行链路信道的解调提供相位参考。 NRS与携带NPBCH，NPDCCH和NPDSCH的子帧中的信息携带符号进行时间和频率复用，每个天线端口每个子帧使用8个资源元素。

3.2

上行

NB-IoT在上行链路中包括以下信道：

• 窄带物理随机接入信道（NPRACH：Narrowband Physical Random Access Channel）

• 窄带物理上行链路共享信道（NPUSCH：Narrowband Physical Uplink Shared Channel）

NPRACH是新设计的信道，因为传统的LTE物理随机接入信道（PRACH）使用1.08MHz的带宽，大于NB-IoT上行带宽。一个NPRACH的preamble（前导码）由4个符号组组成，每个符号组由一个CP和5个符号组成。当覆盖小区的半径高达10公里时，CP长度为66.67us（格式0），而当覆盖小区的半径最大为40公里时，CP的长度为266.7 us（格式1）。具有固定符号值1的每个符号在3.75kHz音调下调制，符号持续时间为266.67us。然而，单音频率指数从一个符号组变到另一个符号组。 NPRACH前导码的波形被称为单音频跳频。图4中示出了NPRACH跳频的一个例子。 为了支持覆盖扩展，NPRACH前导码（preamble ）可以重复128次。

图4 NPRACH跳频示意图

NPUSCH有两种格式。格式1用于承载上行数据，并使用相同的LTE turbo码进行纠错。 NPUSCH格式1的最大传输块大小为1000位，远低于LTE。格式2用于NPDSCH的HARQ确认信令，并且使用用于纠错的重复码。 NPUSCH格式1支持基于相同传统LTE机制的多音调传输。在这种情况下，UE可以分配12,6或3个单音。虽然传统LTE UE仅支持12个单音格式，但是对于由于覆盖限制而导致NB-IoT UE不能从更高的UE带宽分配中受益，所以引入了6音和3音格式。此外，NPUSCH支持基于15 kHz或3.75 kHz命令的单音传输。为了降低峰均功率比（PAPR），单音传输使用符号之间的相位连续性的pi/ 2-BPSK或pi/ 4-QPSK 调制方式。

NPUSCH格式1使用与传统LTE PUSCH相同的时隙结构，每个时隙具有7个OFDM符号，中间符号用作解调参考符号（DMRS）。 NPUSCH格式2每个时隙还具有7个OFDM符号，但将中间三个符号用作DMRS，而 DMRS用于信道估计。

表1 NB-IoT物理信道及其与LTE对等体之间的差异