NB-IoT物理层下行链路通信技术解析

罗智敏

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

NB-IoT技术作为万物互联网络的一个重要分支，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高的设备高效连接，有些NB-IoT设备电池寿命甚至可以提高至少 10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

物理层作为无线通信技术的支撑性底层对通信性能有着至关重要的作用，可以看到几乎所有实现通信系统跨代的技术革命创新基本上都发生在物理层上。本文通过 NB-IoT频率部署、下行传输方案、下行链路帧结构和下行物理信道等几个方面解析NB-IoT物理层下行链路通信技术，以及对 LTE通信技术进行比较，能够让读者对 NB-IoT物理层下行链路有更多的了解。

1 关于PRB的介绍

RB（Resource Block），用于描述某些物理信道到资源元素的映射，它有两个概念：VRB（Vitural Resource Block）与PRB（Physical Resource Block）。在LTE中，mac层分配资源时，按照 VRB进行分配，VRB映射到PRB上。

表1 的值注：由表1可看出，一个时隙中OFDM符号的数量取决于循环前缀长度和子载波间隔。

表1 的值注：由表1可看出，一个时隙中OFDM符号的数量取决于循环前缀长度和子载波间隔。

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2 NB-IoT频率部署方案

对于频带，使用与LTE相同的频段。如表2所示。

表2 工作频带

NB-IoT占用180 kHz的频带资源，对应LTE传输中的一个资源块。NB-IoT支持三种频率部署方案：

（1）In-band（带内部署）：是将NB-IoT部署在LTE有效带宽内，占用其一个PRB，需要注意的是，由于不能占用LTE的同步信道，NB-IoT只能占用部分PRB。与现有LTE UE相似，NB-IoT UE只在100 kHz栅格上搜索载波（满足整数倍频率栅格的使UE初始同步的NB-IoT载波称为锚定载波），因此，锚定载波只能位于相隔5个180 kHz带宽的PRB内。

（2）Guard band（保护带部署）：是将NB-IoT部署在LTE的边缘保护带内，不占用任何PRB，需要预留和LTE之间的保护频带；

（3）Stand alone（独立部署）：是部署在任何空闲的180 kHz频谱上，适用于部署在重耕后的GSM频段。由于GSM带宽为200 kHz，NB-IoT需要在其两侧留有10 kHz的保护间隔。频率部署方案示意图如图1所示。

图1 频率部署方案示意图

3 N B-IoT下行传输方案

NB-IoT下行采用OFDMA多址方式，在频域中仅使用1个LTE PRB，即12个15 kHz子载波，共计180 kHz。子载波间隔为15 kHz，时隙0.5 ms，子帧1 ms，每个时隙包含7个符号，几乎沿用了LTE的设计。此外，当进行带内部署时，NB-IoT与其他LTEPRB之间的物理信道保持正交。

4 N B-IoT下行链路帧结构

在NB-IoT技术中，下行采用15 kHz子载波间隔，上行采用3.75 kHz与15 kHz两种子载波间隔。对于15 kHz的子载波间隔而言，频域上包含有12个连续子载波，时域上每个子帧包含两个时隙，每个时隙长度为0.5 ms（此处OFDM符号数量依照正常

循环前缀数量进行示意）。如图2所示。

图2 15 kHz子载波间隔频域结构示意图

换作时频域结构示意图如图3所示。

图3 15 kHz子载波间隔时域结构示意图

不同于LTE，NB-IoT中引入的无线帧概念，原因就是在小功耗特点的扩展不连续接收模式（eDRX），为了进一步省电，所以扩展了寻呼周期，终端通过少接寻呼消息达到省电的目的。

5 NB-IoT下行物理信道

NB-IoT定义了三种下行物理信道与两种参考信号：NB-PDCCH（Narrowband Physical Downlink Control Channel），NB-PDSCH（Narrowband Physical Downlink Share Channel）. NB-PDBCH（Narrowband Physical Downlink Broadcast Channel），NSSS（Narrowband Secondary Synchornization Signal），NPSS（Narrowband Primary Synchornization Signal），NRS（Narrowband Reference Signal）。信道间时分复用，每个无线帧的下行信道结构如表 3所示。

表3 无线帧的下行信道结构

5.1 NPDCCH

窄带物理下行控制信道主要用于承载 DCI（Downlink Control Information），即进行调度，包括上下行调度信息、 HA RQ确认信息 ACK / NACK、随机接入响应 RAR（Random Access Reponse）调度信息、寻呼指示等。 NPDCCH通过一个或两个窄带信道控制单元（NCCE，Narrowband Control Channel Element）的聚合进行传输，一个 NCCE占用6个连续子载波，根据NPDCCH两种格式的不同，NCCE的选择也有所区分，格式对应见表 4。

表4 NPDCCH与NCCE关系

一个 NPDCCH子帧内，NCCE0占用连续子载波0-5，NCCE1占用连续子载波 6 -11，聚合等级 AL=1时，占用NCCE0或者NCCE1。如图 4所示。

需要注意的是，Stand alone和Guard band模式下，可以使用全部 OFDM符号，In-band模式下，需要错开LTE的控制符号位。

图4 NCCE占用子载波示意图

以带内部署为例，NCCE0和NCCE1均被使用，前三个符号位未被使用（符号起始位置的参数值由 SIB1-NB表示的资源映射区域大小决定，默认符号位从0开始，带内部署更改此值防止与 LTE控制信道冲突），参考信号 CRS（LTE）和NRS（NB-IoT）存在但未被使用（NCCE必须映射在 NRS或CRS周围）。资源映射示意图如图 5所示。

图5 参考信号CRS（LTE）和NRS（NB-IoT）资源映射示意图

在随机接入过程中，每个 UE都分配有不同的无线电网络临时标识符（RNTI，Radio Network Temporary Identifier），RA-RNTI用于随机接入，P-RNTI用于寻呼，CRNTI作为UR的特定标识符。这些标识符隐式存在于NPDCCH的CRC中，因此，UE必须在其搜索空间中找到 RNTI，并对其进行解码。为了使得 UE在可行的解码复杂度条件下获取控制信道信息，NPDCCH配置了三种搜索空间：

（1）Type1公共搜索空间：UE通过此空间获取寻呼消息（Paging），由 SIB-NB携带的 Paging消息对应搜索空间中的配置参数进行配置。

（2）Type2公共搜索空间：UE通过此空间获取随机接入响应消息（RAR），由 SIB-NB携带的 RAR消息对应搜索空间中的配置参数进行配置。

（3）UE专属搜索空间：UE通过此空间获取专属控制信息，由 RCC Connecion steup消息携带的 MSG4进行配置。

此外，NPDCCH最大重复发送次数可由 RCC配置，用于改善覆盖情况，取值范围为 2的0次方幂到2的10次方幂。 4次重复发送示意图如图 6所示。

图6 NPDCCH的4次重复发送示意图

5.2 DCI

在NB-IoT中，下行控制信息存在三种格式（见表5）。

表5 NB-IoT下行控制信息格式

N0用于上行 NPUSCH调度，相当于 LTE中的DCI0，NB-IoT中DCIN0格式定义见表 6。

表6 NB-IoT中DCIN0格式

N1格式用于下行 NPDSCH调度，除了寻呼承载与非竞争下的随机接入触发外，N1可用于所有的NPDSCH，包括用户数据与 SIBs（System Information Blocks）。包括 RAR调度、指示对 NPUSCH的HARQ ACK/NACK资源、指示 NPDSCH的重传次数等。对于正常模式下、非竞争模式下的 RACH、随机接入响应，三者格式有所区别。

N2格式主要用于寻呼调度与直接指示系统更新，具体格式定义见表 7和表8：

表7

表8

5.3 NPDSCH

NPDSCH主要用于承载业务数据、寻呼消息、 RAR消息和系统消息（如 SIB1-NB）。NPDSCH有以下几个说明点：

（1）调制方式：QPSK。

（2）最大传输块大小（TBS，Transport Block Size）：680 bit。

（3）时频域资源：占用连续的 12个子载波，Stand alone模式与 Guard band模式下占用全部 OFDM符号，In-band模式下需错开 LTE控制域符号（若是 NB-SIB1使用的 NPDSCH子帧，需要固定错开前3个符号）。

（4）最大重复次数：2，048次，通过重复传送同一NPDSCH的方式确保传输的质量。

（5）跨子帧调度：延时调度。除了通过调度延迟之外，另一种在物理层体现延迟传输 NPDSCH的技术是设置 GAP，GAP的长度由系统消息中的公共资源配置参数决定。

5.4 NPDBCH

NPDBCH位于无线帧的 0号子帧，携带系统主消息块 NB-MIB，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。帧结构示意图如图7所示。

图7 NB-MIB帧结构示意图

其中，深色标记为NPDBCH子帧。NPBCH子帧的资源映射情况如图8所示。

图8 NPBCH子帧的资源映射情况

由图7、图8分析可知，MIB-NB分为8个子块传输，每个子块包含8个连续的无线帧，传输时长为80 ms，使用连续8个无线帧的后11个符号位承载。每个MIB-NB的传输时长为640 ms，通过时间分集增益保证NPDBCH的接收性能。

5.5 N SSS和NPSS

窄带主同步信号仅作为小区同步使用（时间同步与频率同步），不携带任何小区信息；窄带辅同步信号用于获取NPCID（NB-IoT的物理单元ID）等。NPSS的资源映射如图9所示。

图9 NPSS的资源映射

NSSS的资源映射如图10所示。

图10 NSSS的资源映射

由此可知，NPSS位于每个无线帧的第5号子帧，信号周期为10 ms；NSSS位于偶数帧的第9号子帧，信号周期为20 ms。由于UE在进行同步时，对操作模式未知，因而NPSS和NSSS皆使用后11个符号位。

注意：在NB-IoT中主同步信号传输的子帧是固定的，同时对应的天线端口号也是固定的；另外，当在带内部署模式下，NSSS与CRS重叠时，重叠部分不记作NSSS，但仍作为NSSS符号的一个占位匹配项。

NPSS就是基于这样的时间累计来设计的，其原理就是用时间来换精确性，用加权累积过程来纠正频偏。覆盖信号越差的终端，需要的累加次数越高。

NPSS和NSSS同步完成后，终端获取了符号定时、载波频偏和NB-PCID等信息。然后，终端获取MIB信息，其通过位于每帧中的子帧#0的NPBCH信道广播。NPBCH由8个自解码子块组成，每个子块重复8次，每个子块占用8个连续帧的子帧＃0，这样设计的目的就是为了让处于深度覆盖的终端成功获取信息。

5.6 NRS

窄带参考信号用于下行链路信道估计，为UE的相干解调和检测提供参考符号。In-band模式下，NPDCCH和NPDSCH必须传输NRS；在Standalone和Guard band模式下，按需传输NRS。

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，使得物理层下行链路简易化。

6 结束语

通过对NB-IoT物理层下行链路的解析，可以发现下行传输方案NB-IoT下行与LTE相似，但去除部分物理信道，使得结构简易，也能够凸显NB-IoT通信技术所具有的特点，对NB-IoT技术有了更深层次的理解。