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3GPP 窄带物联网技术（NB-IoT）入门指南
摘要：
窄带物联网（NB-IoT）是一种新型蜂窝网络技术，它是3GPP组织为使物联网广泛覆盖而在第13版中引入的。本文概述了NB-IoT的空中接口技术，我们描述了NB-IoT如何解决物联网中的关键需求，比如说部署灵活性、低设备复杂度、长电池待机时间、在一个蜂窝网络中如何支持大量设备、以及超越现今蜂窝网络技术的覆盖范围。我们也分享在第13版NB-IoT标准化过程中的各种设计理念，并结合NB-IoT未来的演化方向指出几个开放领域。
1介绍
用于机器类型通信的实例发展非常迅速，利用传感器、执行器、仪表（水、天然气、电力、停车）、汽车、电器等的集成连接解决方案具有广大的利益空间，因此人们创造了物联网技术并不断推广。物联网包含了许多网络，这些网络大都服务于不同的设计目标。举例说来，一些网络只为覆盖本地区（仅仅一个房间），然而一些网络却覆盖了更广大的区域，后者经3GPP组织已经有了解决方案。认识到物联网技术的重要性，在最近发行的版本中3GPP介绍了未来物联网技术的许多特征，EC-GSM-IoT和LTE-MTC技术旨在提高现今的GSM和LTE网络，分别用于更好地服务于物联网。降低覆盖扩展复杂度，延长电池寿命，并且支持向后兼容性是共同的目标。第三代NB-IoT技术除了上述的目标以外，还希望加强部署灵活性，允许运营商使用其现有可用频谱的小部分引入NB-IoT。NB-IoT技术主要针对超低端物联网应用设计。
NB-IoT是一项3GPP发布的新型无线接入技术，它向后并不兼容现存的3GPP设备，但是它与传统的GSM网络、GPRS网络以及LTE技术有着突出的共存性能。NB-IoT的上下行均需要180kHz的最小系统带宽，这确保了NB-IoT在部署上的诸多可能性。GSM运营可以利用NB-IoT代替一个GSM载波，LTE运营商可以将NB-IoT部署在LTE子载波上面，通过将一个180kHz的物理资源块（PRB）分配给NB-IoT。正如下文逐渐清晰的是，通过优化NB-IoT技术确保了与LTE的和谐相处，这样一来在LTE载波中部署NB-IoT的带内方式不会影响LTE或者NB-IoT的表现。当然，LTE运营商也可以在LTE载波的保护带部署NB-IoT。
NB-IoT广泛的重现了LTE的设计，包括一些LTE系统参数，下行链路使用OFDMA，上行链路使用SC-FDMA、信道编码、速率匹配、交织等等。这极大地减少了发展完全规格所用的时间，同样地，基于现有的LTE设备和软件供应商开发NB-IoT产品的时间也会大大减少。3GPP关于NB-IoT的规范阶段始于2015年，核心规格完成于2016年6月。NB-IoT商业发售产品和服务预计在2016年底，或者2017年初。
本文我们将提供作现有NB-IoT技术的概要，并重点讨论NB-IoT区别于LTE技术的方面。特别的，我们将着重强调有助于实现上述目标的NB-IoT特性。下文的整体结构如下：第二部分将介绍传输方案和部署选项，第三部分将介绍NB-IoT物理信道，第四部分强调了在LTE载波内部署NB-IoT时如何利用LTE的正交性实现资源映射，第五、六、七部分会分别详细说明小区搜索、随机接入、调度和混合自动重复请求（HARQ）如何实现，第八部分将强调NB-IoT的性能，第九部分将作总结。
2 传输方案和部署方案
2.1下行链路传输计划
NB-IoT的下行链路基于OFDMA技术，和LTE子载波一样的15kHz的带宽。时隙、子帧、帧的持续时间和LTE一样，分别是0.5毫秒、1毫秒和10毫秒。就循环前缀的持续时间和每帧OFDM符号的个数都是于LTE的一样。本质上，NB-IoT载波在频域使用一个LTE物理资源块，即一共180kHz的12个15kHz的子载波。与LTE技术使用相同的技术参数保证了在下行链路中NB-IoT和LTE突出的共存性能，比如说，当NB-IoT部署在LTE的载波中时。NB-IoT物理资源块和所有其他LTE物理资源块的正交性在下行链路中都保有。
2.2上行链路传输计划
NB-IoT的上行链路支持双工和单工传输模式，双工传输模式基于SC-FDMA，即子载波频段15kHz，时隙0.5毫秒持续时间，子帧1毫秒持续时间，同LTE。单工传输模式支持两套传输模式，分别是15kHz和3.75kHz。前者同LTE，因此与LTE在上行链路有着最好的共存性能。3.75kHz单工传输模式的时隙持续时长为2毫秒。跟下行链路一样，NB-IoT上行链路载波占用的系统带宽也为180kHz。
2.3部署选择
NB-IoT可以部署在单独的频宽超过180kHz的载波上，也可以部署在LTE分配的频谱上，无论是带内还是保护带，不同的部署场景见图1。但无论是哪种部署场景——独立部署、带内部署还是保护带部署，当它被第一次打开并搜寻NB-IoT载波时，面向用户装配时它都该是透明的。与现在的LTE用户装配相似，NB-IoT的安装过程只需要在一个100kHz的光栅上找到载波。为方便用户装配时进行初始化同步的一种NB-IoT载波我们称之为锚点载波。100kHz的用户装配光栅表示在带内部署时，锚点载波只能放置在某些特定的物理资源块上。比如说，在10MHz LTE载波上，与100kHz最一致的PRB索引网络，其中可用作NB-IoT物联网的锚点载波有4，9，14，19，30，35，40，45。PRB索引网络从索引0开始占据LTE系统带宽中的最低频率。
图1下行链路中NB-IoT独立部署方式与LTE带内、保护带部署方式
图1展示了NB-IoT利用10MHzLTE载波部署NB-IoT的可选项，物理资源块（PRB）正在直流子载波上面，即PRB #25在中心频率点97.5kHz(即6.5kHz副载波间距),载波经100kHz的光栅传递，中心PRB #25距离最近的100kHz线也有2.5kHz的间距。直流副载波上两个相邻PRB的中心间距为180 kHz，这样PRB#30、PRB#35、PRB#40和PRB#45都距离中心100kHz线2.5kHz。可以看出，对于10MHz和20MHz的LTE载波而言，存在满足距离100kHz中心频谱的一组PRB，但是对于3MHz、5MHz和15MHz带宽的LTE载波而言，2.5kHz就变成7.5kHz了。而且我们应该知道的是，NB-IoT的锚点载波不应该是LTE载波的中间6个PRB，这是因为LTE行驶同步和广播信道占据了中间6个PRB的大部分资源。NB-IoT再使用它就变得尤为困难了。
同带内部署方式类似的是，保护袋部署方式中NB-IoT锚点载波需要距离中心100kHz光栅不超过7.5kHz，NB-IoT网络搜索和初始捕获是为用户装配设计的，以便能够在光栅偏移高达7.5 kHz的情况下同步到网络。
多载波运行NB-IoT是被支持的，因为只要有一个NB-IoT锚点载波就可以方便用户进行初始化同步。其他额外的载波不需要离100kHz光栅很近，这些载波也称之为次要载波。
第三章 物理信道
NB-IoT物理通道在很大程度上是基于传统LTE设计的。在本节中，我们将重点介绍与传统LTE不同的方面。
A．下行链路
NB-IoT在下行链路中提供下列的物理信号和信道：
窄带初级同步信号(NPSS)
窄带二次同步信号(NSSS)
窄带物理广播信道(NPBCH)
窄带参考信号(NRS)
窄带物理下行控制信道(NPDCCH)
窄带物理下行共享信道(NPDSCH)
图2 NB-IOT下行物理信道与信号的时分复用
与LTE不同，这些NB-IoT物理信道和信号主要是在时间上复用的。图2阐述了NB-IoT的子帧是如何分配到不同的物理信道和信号的。频域中每个NB-IoT子帧跨越了一个PRB（即12个子载波），时域中则是1毫秒。NPSS和NSSS是由NB-IoT用户来执行网络搜索，包括时间和频率同步和网络身份检测，因为传统LTE同步序列占据了6个PRB，他们不能为NB-IoT复用，一项新的设计于是被引入了。
NPSS在子帧#5中每10毫秒发送一次，在子帧中使用最后11个OFDM符号。从用户角度进行操作，NPSS检测是最需要计算的方法之一。允许高效NPSS检测的实现，NB-IoT使用层次序列。对于一个子帧中每11个NPSS OFDM符号而言，要么发送P，要么发送-P,P是基于长度11的ZC序列（根序列索引是5），每个长度11ZC序列映射到NB-IoT PRB中最低的11个子载波。
NSSS具有20毫秒的周期性，并在子帧#9中传输。也使用由132资源要素组成的最后11个OFDM符号。NSSS是一个长度132的频域序列，每个元素映射到一个资源元素。NSSS经常是由元素相乘产生，通过ZC序列和一个二进制码序列。ZC序列和二进制码序列的根由窄带物理网络标识（NB-PCID）决定，ZC序列的循环位移由帧数决定。
NPBCH承载主信息块(MIB)，并且是在每个帧中以子帧#0传送。在640 毫秒传输时间间隔(TTI)上MIB保持不变。NPDCCH携带两个下行链路的调度信息，和上行链路数据通道。它还携带HARQ上行链路数据信道的确认信息为以及寻呼指示和随机接入响应(RAR)调度信息。NPDSCH携带来自上级的数据层以及分页消息、系统信息和RAR消息。正如图2展示的，有一些子帧可以分配进行NPDCCH或NPDSCH。为了降低用户操作的复杂性，所有下行链路通道使用LTE截尾卷积码（TBCC）。此外，NPDSCH的最大传输块大小是680位，相比之下，LTE没有空间复用支持大于70000位的TBS。
NRS用于下行信道的解调。NRS是时间和频率复用的承载信息的符号，子帧携带NPBCH, NPDCCH和NPDSCH，使用每个子帧每个天线端口的8个资源要素。
B．上行链路
NB-IoT在上行链路中包含下列信道：
窄带物理随机接入信道(NPRACH)
窄带物理上行链路共享信道(NPUSCH)
图3 NPRACH跳频
NPRACH是一个新设计的通道，因为LTE物理随机接入信道(PRACH)使用带宽为1.08 MHz，大于NB-IoT的上行带宽。每一个NPRCH序列包含了4个符号组，每个符号组包括一个CP和5个符号。每个CP的长度因网络覆盖半径不同而变化，半径是10km时长度是66.67微秒（格式0），半径长度是40km时长度是266.7微秒。每一次具有固定符号值1的符号在3.75kHz上被调制，符号持续时间为266.67微秒。但是 音频指标从一个符号组换到另一个时，NPRACH序列的波形就被称之为单音调频。NPRACH调频的示例如图3所示，为了支持覆盖面积的延伸，NPRACH序列可以重复128次。
NPUSCH有两种格式，格式1用作运输上行链路数据，使用与LTE相同的turbo码用作差错校验。NPUSCH格式1最大传输块尺寸是1000比特，这比LTE要小得多。格式2用于NPUSCH确认信令HARQ，并使用重复代码进行纠错。NPUSCH格式1支持基于相同数学参数的传统LTE的多音传输。从这点看，用户可以分配12路、6路或者3路语音信号，但是只有12路语音信号格式是被传统LTE支持的。而且基于15kHz或者3.75kHz的参数标准，NPUSCH支持单路语音传输。为了降低峰值平均功率比，单音传输采用/2相移的BPSK或/4的QPSK进行传输以保持符号间的相位连续性。
NPUSCH格式1同传统LTE PUSCH一样使用相同的时隙结构，每个时隙有7个OFDM符号，中间的符号用作解调参考符号。NPUSCH格式2每个时隙也有7个OFDM符号，但是中间三个符号用作信道估计。
第四章 资源映射
在本节中，我们描述了如何设计NB-IoT资源映射，以确保在LTE载波内部署时与LTE的最佳共存性能。本质上，通过避免将NB-IoT信号映射到传统LTE信号已经使用的资源元素，LTE信号的正交性能将得以保持。图4的样例解释了这一原理，其中每一列表示1个OFDM符号中的资源要素，每个符号里面有12个资源要素，分别对应12个子载波。如图所示，对于单独部署和保护带部署方式，LTE资源不需要被保护，这样NPDCCH、NPDCCH或者NRS可以在一个物理资源块对中得到统一（物理资源块由一个子帧中的12个子载波定义）。但是，对于带内部署方式，NPDCCH、NPDSCH或者NRS不能将NRS映射到LTE网络特定的资源元素，参考符号(CRS)和LTE物理下行链路控制信道(PDCCH)。通过最初收到的信息，NB-IoT被设计成允许用户学习部署模式(独立的、带内的或保护带)以及单元标识(NB-IoT和LTE)。然后用户就可以知道LTE使用资源元素。有了这些信息，用户可以将NPDCCH和NPDSCH符
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