NB-IoT 物理层上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

随着NB-IoT 相关的硬件（如芯片、模组等技术）不断发展，不同行业有不同的应用要求，降低硬件成本有助于进一步扩大产业规模。此外，在软件方面需要打造多样化的应用，可以进一步提升 NB-IoT 的竞争力。人们对于软件应用的要求迅速上升，开发者为 NB-IoT技术提供不断丰富的应用，可以增强对于 NB-IoT 应用乃至整个 NB-IoT 产业链的控制能力。

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。本文主要从 NB-IoT 物理层频率部署、上行传输方案、上行链路帧结构和上行物理信道几个方面进行解析，并对 LTE 通信技术进行比较，以便更好的掌握 NB-IoT 通信技术。

1 关于PRB 的理解

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1images/BZ_8_1672_1653_1703_1679.png与images/BZ_8_1779_1657_1810_1684.png的值配置循环前缀 12 7扩展循环前缀 12 6

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。

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）：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NBIoT 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）：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）：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 NB-IoT 上行传输方案

NB-IoT 上行采用SC-FDMA 多址方式，传输方式有多载波方式（ Multi-ton）和单载波方式（Single-ton）两种：多载波方式与 LTE 具有相同的15 kHz 子载波间隔、 0.5 ms 时隙、 1 ms 子帧长度，每个时隙包含 7个SC-FDMA符号，这样可以保持与LTE 在上行链路中的相容性；单载波方式配置 15 kHz 和3.75 kHz 两种子载波间隔，由于每时隙符号数需保持不变， 3.75 kHz 的时隙延长至 2 ms（子帧长度延长至 4 ms），15 kHz 为3.75 kHz 的整数倍，所以对LTE 系统只有较小的干扰。具体如图 2所示。

图2 多载波方式（Multi-ton）和单载波方式（Single-ton）传输方案示意图

4 NB-IoT 上行链路帧结构

在上行链路中，对于3.75 kHz 子载波间隔而言，其时隙长度延长至2 ms，一个子帧长度延长至4 ms，一个无线帧内包含有5个子帧。一个无线帧的时频域示意图如图3所示。

基本时域资源单位都为 Slot，需要注意，对于上行几乎不再提子帧的概念了，而是 slot 的概念。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。

图3 无线帧时域示意图

5 NB-IoT 上行物理信道

NB-IoT 系统相较于 LT E 缩减了上行物理信道类型，重新设计了 2 种物理信道， NPUSCH（Narrowband Physical Uplink Share Channel）和NPRACH（Narrowband Physical Random Access Channel）；一种解调参考信号，DM-RS（Demodulation Reference Signal），不支持物理上行控制信道（PUCCH）。

5.1 NPUSCH

窄带上行物理共享信道用于传输上行数据及上行控制信息，分为两种格式。 NB-IoT 根据格式、子载波间隔、时隙数目确定对用户设备的最小资源调度单位（ RU，Resource Unit，时域、频域两个域的资源组合后的调度单位，可与 LTE 中的PRB 进行参照）。此外， NPUSCH目前只支持单天线端口， NPUSCH 可以包含一个或多个RU。

注：对于天线端口的理解，与实际物理天线不同，天线端口是指由参考信号定义的逻辑发射通道。一个天线端口对应一个发射通道，终端根据天线端口对应的参考信号进行信道估计与数据解调。

（1）格式 1。用来承载上行共享传输信道（ ULSCH），用于携带上行业务数据或信令，使用 Turbo 码，所占资源单位包含 Singleton 和Multiton 两种方式：

对于Single-ton 方式，每个 RU 时隙数一样，子载波带宽包括 3.75 kHz 和15 kHz 两种，对应的 RU 时长分别为 32 ms 和8 ms，调制方式为π /2-BPSK 或 π/4-QPSK。对于 Multiton 方式， 1个RU 分配3、6、 12个子载波，调制方式为 QPSK。

（2）格式 2。用来承载上行控制信息，传送说明NPDSCH 传输有无成功接收的 H ARQ -ACK/NACK（HARQ，Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合式自动重传请求，结合 FEC（前向错误纠正）与 ARQ（自动重传请求）方法的技术）。只支持Singleton 方式。

格式2 传输ACK/NACK 信息，仅有 1bit 信息，采用重复编码进行传输，且采用全“1”或者全“0”的编码，降低复杂度。

以上信息整理成表如表3 所示。从表3 可以看出，NPUSCH 的两种格式，其中格式1主要用来传普通数据，类似于LTE 中的PUSCH 信道，而格式2资源主要用来传UCI，类似于LTE 中的PUCCH 信道（其中一个功能）。

表3 NPUSCH两种格式的区别

需注意NPUSCH 最大传输资源块为1，000 bit，在上行非连续传输中，当传输时长大于256 ms，每256 ms传输时长进入一个时长40 ms 的GAP 区域，防止用户设备长时间使用后发生频率漂移（终端切入到下行传输，利用下行的同步信号进行同步跟踪与频偏补偿，频率偏移源自NB 低成本考虑所配备的晶振）。

5.2 NPRACH

NPRACH 用于用户设备的随机接入过程，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）。NPRACH 子载波间隔为3.75 kHz， Singleton 方式传输。NB-IoT 能够灵活为用户设备进行NPRACH 配置，支持时频域复用，不支持码分复用。UE 与eNB 间基于竞争的随机接入的流程如图4所示（以 Type1-MSG3为例）。

图4 UE与eNB间基于竞争的随机接入的流程示意图

由于LTE 的PRACH 信道带宽为 1.08 MHz，这远远高于 NB-IoT 上行带宽，因此需重新设计。 NB-IoT 的一个 NPRACH 前导码（ 3.75 kHz 子载波）由 4个符号组构成，一个符号组包括 1 个CP（循环前缀）和 5 个符号（ 4个符号组通过跳频发送，获得频率分集增益，跳频发送限制在连续的 12个子载波内，由此看出一个NPRACH band 为45 kHz[3.75×12]，180 kHz 下 最 多 配置 4个band）。如图5所示。 NPR ACH 有两种前导码格式（格式 0与格式1），CP 长度有 66.7 us 和266.7 us 两种，对应不同的小区尺寸。因为 CP 的不同，便有了两种不同长度的前导码（5.6 ms 与6.4 ms），但最终占用时域 8 ms，多出的时间用作 GT 保护。

图5 NB-IoT伪随机跳变示意图

NPRACH 通过重复发送前导码获得覆盖增强，重发次数可选择为{1，2，4，8，16，32，64，128}，在完成64次重复发送后，需进入 40 ms 的上行 GAP 区域。

5.3 DM-RS

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 包含的子载波数量的不同，对应产生不同的解调参考信号。每个RU 包含一个子载波时，RU 内部的每个时隙中的序列组跳变一致；每个RU 包含多个子载波时，RU 内部每隔偶数时隙的序列组的计算方式重新变换一次，确保RU 内部每个时隙的每个子载波至少有一个参考信号，保证每个子载波能够被正确解调。

此外，对于NPUSCH 两种不同的格式，DM-RS 也不一样。格式1每个NPUSCH 传输时隙每个子载波上包含一个DM-RS（3.75 kHz 间隔子载波位于每个时隙第 5个符号，15 kHz 间隔子载波位于每个时隙第 4个符号）；格式2 每个NPUSCH 传输时隙每个子载波上包含 3 个DM-RS（3.75 kHz 间隔子载波位于每个时隙1，2，3位，15 kHz 间隔子载波位于每个时隙第3，4，5位）。

对于格式1的DM-RS 在子载波中的占用情况如图6所示，以一个RU 内6个连续子载波做情况说明。

图6 NPUSCH格式1的DM-RS在子载波中的占用情况示意图

同理，格式 2的占用如图 7所示。

图7 NPUSCH格式2的DM-RS在子载波中的占用情况示意图

DM-RS 用 于 信 道 估 计。NPUSCH 格 式1 与LTE PUSCH 时隙结构相同，每时隙7 个OFDM 符号，中间一个符号作为DM-RS。格式 2同样为每时隙7个OFDM符号，但将中间3个符号用作 DM-RS。

6 结束语

通过本文对 NB-IoT 物理层上行链路的解析，能够让大家更好地了解 NB-IoT 如何通过通信技术达到大容量、广覆盖和低功耗的特点，对 NB-IoT 技术有了更深层次的理解。