《窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）原理與技術(shù)》課件第4章

第4章物理信號與物理信道4.1NB-IoT下行物理信號與物理信道4.2窄帶物理下行同步信號NPSS/NSSS4.3窄帶物理參考信號NRS4.4窄帶物理下行廣播信道NPBCH4.5物理控制信道4.6窄帶下行共享信道NPDSCH4.7窄帶上行隨機(jī)接入信道NPRACH4.8窄帶上行共享信道NPUSCH

4.1NB-IoT下行物理信號與物理信道

4.1.1下行物理信號與物理信道NB-IoT下行定義兩種物理信號與三種物理信道，如表4-1所示。

4.1.2下行物理信道映射關(guān)系

物理信號與物理信道均是RE資源塊(ResourceElement)的組合，區(qū)別在于有無高層的映射關(guān)系：

(1)物理信號無需承載來自高層的信息。

(2)物理信道需要承載來自高層的信息。

下行物理信道的映射關(guān)系，如圖4-1所示。

圖4-1NB-IoT下行物理信道與信號的映射關(guān)系

(1)用于承載尋呼的邏輯信道PCCH，經(jīng)過MAC層傳輸信道映射到窄帶物理下行共享信道NPDSCH。

(2)用于承載系統(tǒng)廣播消息的邏輯信道BCCH，分成兩部分內(nèi)容進(jìn)行映射，用于傳送主信息塊的MIB，經(jīng)傳輸信道BCH映射到窄帶物理下行廣播信道NPBCH；用于傳送除系統(tǒng)主信息以外的其他信息，例如SIB，經(jīng)傳輸信道映射到窄帶物理下行共享信道NPDSCH。

(3)用于承載公共控制信令消息CCCH、專用控制信令消息DCCH和專用業(yè)務(wù)信道消息DTCH，經(jīng)傳輸信道DL-SCH映射到窄帶物理下行共享信道NPDSCH。

(4)由于窄帶物理下行共享信道NPDSCH承載不同信道的信息內(nèi)容，接收方或發(fā)送方若直接傳輸NPDSCH上的內(nèi)容，則查找及通知的工作量繁重。通過索引目錄的方式來優(yōu)化查詢NPDSCH中的消息內(nèi)容，衍生出NPDCCH信道。

4.2窄帶物理下行同步信號NPSS/NSSS

4.2.1窄帶物理下行同步信號作用對通信系統(tǒng)來說，同步信號是比較重要的，主要用于幫助接收端完成時(shí)間和頻率同步。對UE來說，開機(jī)后第一件事就是進(jìn)行小區(qū)搜索過程。終端的小區(qū)搜索過程是通過對同步信號的檢測，完成終端與小區(qū)在時(shí)間和頻率上的同步，以獲取小區(qū)PCI的過程。

與LTE類似，NB-IoT的同步信號也包括主同步信號(NPSS)和輔同步信號(NSSS)。其中，主同步信號用于完成時(shí)間和頻率的同步，輔同步信號用于攜帶504個(gè)小區(qū)PCI和80ms的幀定時(shí)信息。

與LTE不同，NB-IoT在獲取小區(qū)PCI時(shí)，是通過輔同步信號來確定的。而LTE是通過主同步信號和輔同步信號共同來確定小區(qū)PCI的。

4.2.2窄帶物理同步信號時(shí)頻位置

NB-IoT同步信號分成主同步信號NPSS與輔同步信號NSSS，兩者在時(shí)頻資源上的位置如表4-2所示。

1.同步信號在時(shí)頻資源上的位置

當(dāng)NB-IoT采用獨(dú)立部署和保護(hù)帶部署時(shí)，同步信號在時(shí)頻資源上的位置，如圖4-2所示。

(1)時(shí)域上，NPSS占用5號子幀的最后11個(gè)符號，頻域上NPSS占0～10號子載波。

(2)時(shí)域上，NSSS占用偶數(shù)幀9號子幀里最后11個(gè)符號，頻域上NSSS占0～11號子載波。圖4-2NB-IoT同步信號的時(shí)頻位置示意圖

當(dāng)NB-IoT采用帶內(nèi)部署時(shí)，NB-IoT同步信號NPSS/NSSS與LTE的參考信號位置存在重疊區(qū)域，重疊區(qū)域不影響終端對NB-IoT同步信號的解碼，如圖4-3所示。圖4-3采用帶內(nèi)部署時(shí)NB-IoT的同步信號時(shí)頻資源示意圖

2.同步信號周期

主同步信號NPSS信號周期為10ms；輔同步信號NSSS信號周期為20ms。

4.3窄帶物理參考信號NRS

4.3.1窄帶物理參考信號作用及特點(diǎn)窄帶物理參考信號的特點(diǎn)如下：(1)支持單天線端口或兩天線端口，映射到時(shí)隙的最后兩個(gè)符號上。(2)支持三種操作模式(Stand-alone/In-band/Guard-Band)。

(3)??NRS在頻域采用與LTECRS相同的小區(qū)專有頻率偏移，其偏移幅度為

(4)在In-bandsamePCI情況下(即NB-IoT采用In-band部署模式，NB-IoT小區(qū)的PCI與共小區(qū)的LTE小區(qū)PCI相同)，NB-IoT使用天線端口0和1(與LTECRS一致)。

(5)在In-bandsamePCI情況下，可以使用LTECRS作為額外的參考信號用于物理下行信道數(shù)據(jù)解調(diào)和測量。

(6)除In-bandsamePCI以外的其他情況，NB-IoT使用天線端口2000和2001。

4.3.2窄帶物理參考信號NRS時(shí)頻位置

1.窄帶物理參考信號NRS的時(shí)域位置

窄帶物理參考信號NRS的時(shí)域位置如圖4-4所示，當(dāng)采用單天線端口或雙天線端口時(shí)的圖均有不同位置。

(1)采用單天線端口時(shí)，用R0表示1個(gè)端口；

(2)采用雙天線端口時(shí)，用R0表示第1個(gè)端口，用R1表示第2個(gè)端口。圖4-4NB-IoT端口及參考信號示意圖

2.窄帶物理參考信號NRS的頻域位置

窄帶物理參考信號在頻域映射的位置由PCImod?6決定。當(dāng)PCImod6=0時(shí)，NRS的頻域起始位置從#0子載波開始。

(1)單天線端口時(shí)，以第5個(gè)OFDM符號為時(shí)域起始點(diǎn)，如圖4-4中的R0。

(2)雙天線端口時(shí)，端口1的NRS用R0表示，以第5個(gè)OFDM符號為時(shí)域起始點(diǎn)，端口2的NRS用R1表示，以第6個(gè)OFDM符號為時(shí)域的起始點(diǎn)。

同理可以類推，當(dāng)PCImod6?=?1時(shí)，NRS的頻域起始位置從?#1子載波開始，時(shí)域不變，即整個(gè)NRS分布往上移一行，如圖4-5所示。

圖4-5PCImod6余數(shù)與參考信號的位置關(guān)系示意圖(單天線端口)

如果是雙天線端口，根據(jù)協(xié)議規(guī)定，在天線端口0處，天線端口1發(fā)送R1的RE資源位置必須置位(unused)，即該RE資源不可用(也有的稱為DTX)。這樣就使得參考信號在雙天線端口資源映射時(shí)，頻域位置由mod?6決定變成由mod?3決定。例如，小區(qū)1采用PCImod?6=0的配置，小區(qū)2采用PCImod?6?=?3的配置，此時(shí)由于終端無法區(qū)分兩個(gè)小區(qū)的天線端口R0與R1，發(fā)生mod?3干擾。因此PCImod6=0與PCImod6=3時(shí)，終端無法解調(diào)出相關(guān)參考信號，如圖4-6所示。圖4-6PCI?mod?6余數(shù)與參考信號的位置關(guān)系示意圖(雙天線端口)

4.4窄帶物理下行廣播信道NPBCH

4.4.1系統(tǒng)信息廣播的作用系統(tǒng)信息廣播是移動通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要功能，是將終端和系統(tǒng)聯(lián)系起來的紐帶。廣播主要提供了無線接入網(wǎng)的主要信息，其目的是便于UE建立無線連接并使用網(wǎng)絡(luò)提供的各項(xiàng)功能。對于無線系統(tǒng)來說，系統(tǒng)消息廣播功能是必須實(shí)現(xiàn)的。

NB-IoT系統(tǒng)消息分成兩部分，即MIB和SIBs。

(1)?MIB是主信息塊，傳輸?shù)氖亲罨镜男畔?，是UE后續(xù)解讀SIBs的基礎(chǔ)。NPBCH用來承載MIB信息。

(2)除MIB攜帶的消息外，其余系統(tǒng)信息如SIB1-NB等則承載在NPDSCH信道中。

4.4.2窄帶物理廣播信道NPBCH攜帶內(nèi)容

NPBCH用來承載MIB-NB消息內(nèi)容，發(fā)送周期是640?ms，信道所攜帶信息的大小是34bits。系統(tǒng)消息分成兩部分內(nèi)容，少量重要內(nèi)容放在MIB-NB消息中，手機(jī)在執(zhí)行開機(jī)附著以及小區(qū)選擇流程時(shí)必須要讀取MIB-NB消息；其余系統(tǒng)消息內(nèi)容(SIBs)通過NPDCCH調(diào)度，在NPDSCH信道中承載。

消息內(nèi)容解釋詳見表4-3。

4.4.3窄帶物理廣播信道NPBCH物理層處理方式

窄帶物理廣播信道NPBCH位于無線幀的0號子幀，攜帶系統(tǒng)主消息塊MIB-NB，包括系統(tǒng)幀號(SFN)、SIB1-NB的調(diào)度信息等。系統(tǒng)消息占用34?bit位，廣播周期為640?ms，重復(fù)8次發(fā)送，幀結(jié)構(gòu)及發(fā)送示意如圖4-7所示。圖4-7窄帶物理廣播信道NPDBCH時(shí)頻資源分布與發(fā)送示意圖

(1)?NPBCH經(jīng)過物理層處理形成1600?bit，這1600?bit分成8塊編碼子塊，每個(gè)編碼子塊含200?bit，每個(gè)編碼子塊的200?bit都是相同內(nèi)容，即重復(fù)傳輸8次，并分布到80?ms的時(shí)間間隔上。

(2)在80?ms時(shí)間間隔內(nèi)，NPBCH在每個(gè)系統(tǒng)幀的子幀?#0傳輸1次，這80?ms內(nèi)的每次傳輸時(shí)都由特定的序號來區(qū)分是第幾個(gè)子塊，即第1個(gè)系統(tǒng)幀的子幀?#0和第3個(gè)系統(tǒng)幀的子幀?#0的編號不同，UE在640?ms內(nèi)隨機(jī)解出NPBCH后，就知道NPBCH的時(shí)間周期以及相應(yīng)頻率位置了。

(3)每個(gè)編碼子塊(200?bit)采用QPSK調(diào)制，占用100RE，映射到圖中NPBCHRE中。

NPBCH重復(fù)傳輸次數(shù)固定為64次，每個(gè)子幀均可獨(dú)立解碼，通過時(shí)間分集增益保證NPBCH的接收性能。

4.5物理控制信道

4.5.1窄帶物理控制信道NPDCCH窄帶物理控制信道NPDCCH用于調(diào)度NPDSCH信道中的內(nèi)容，結(jié)合下行信道進(jìn)行映射(如圖4-8所示)。圖4-8下行信道映射圖

4.5.2NPDCCH攜帶信息

NPDCCH攜帶信息為下行控制信息(DownlinkControlInformation，DCI)。DCI不僅用于下行數(shù)據(jù)的調(diào)度(DLAssignment)，也用于上行數(shù)據(jù)的授權(quán)(ULGrant)，還可用于指示尋呼Paging的資源或系統(tǒng)信息的變更。

NB-IoT中的DCI格式及功能主要有三種，即DCIformatN0、DCIformatN1和DCIformatN2，如表4-4所示。

4.5.3NPDCCH與PDCCH的區(qū)別

NB-IoT的物理層下行控制信道為NPDCCH，與LTE系統(tǒng)的PDCCH類似，也用于承載下行控制信息DCI。但是NB-IoT系統(tǒng)采用窄帶傳輸，頻域上僅支持1個(gè)PRB大小的子幀，所以LTE系統(tǒng)的下行控制信道不再適用，如表4-5所示。

NPDCCH的特點(diǎn)包括：

(1)?NB-IoT頻域上占用12個(gè)RB資源，時(shí)域上占用一個(gè)完整子幀。

(2)為了提升編碼增益，NB-IoT的控制信道NPDCCH采用重復(fù)發(fā)送的方式。

(3)由于采用重復(fù)傳輸，因此NPDCCH不再支持LTE中的REG概念。

4.5.4搜索空間

UE在監(jiān)聽搜索空間時(shí)，需要用DCI格式去嘗試解碼搜索空間中的每一個(gè)NPDCCH(即在搜索空間中盲檢NPDCCH)，為使盲檢NPDCCH的復(fù)雜度保持在合理的范圍內(nèi)，NB-IoT中的搜索空間分為三種：Type1公共搜索空間、Type2公共搜索空間和UE特定的搜索空間，這三種搜索空間作用如下：

(1)?Type1公共搜索空間(CommonSearchSpace，CSS)：只用于尋呼paging；

(2)?Type2公共搜索空間：只用于隨機(jī)接入，包括msg2(RAR)、msg3的重傳和msg4；

(3)?UE特定的搜索空間(UserSearchSpace，USS)：只用于某個(gè)UE的下行調(diào)度或上行傳輸授權(quán)信息。

當(dāng)UE在收到屬于自己的DCI后，依據(jù)DCI中的內(nèi)容在NPDSCH數(shù)據(jù)區(qū)域中找到用戶數(shù)據(jù)，搜索空間類型如表4-6所示。

4.6窄帶下行共享信道NPDSCH

4.6.1NB-IoTNPDSCH與LTEPDSCH的設(shè)計(jì)差異與LTEPDSCH相比，NB-IoT下行NPDSCH的設(shè)計(jì)主要考慮降低終端處理的復(fù)雜度，以及增強(qiáng)覆蓋能力，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)?NB-IoT下行NPDSCH支持跨子幀的傳輸塊映射。(2)?NB-IoT下行頻域資源分配時(shí)，不支持單子幀多用戶傳輸。

(3)?NB-IoT下行NPDSCH支持重復(fù)發(fā)送，最大重復(fù)次數(shù)為2048次。

(4)?NB-IoT下行采用NRS單端口時(shí)，使用單端口傳輸下行數(shù)據(jù)。

(5)?NB-IoT下行采用NRS兩端口時(shí)，下行傳輸使用兩端口發(fā)射分集(SFBC)。

(6)?NPDSCH采用咬尾卷積編碼(TBCC)，可降低終端解碼復(fù)雜度，有助于降低終端成本。

4.6.2NPDSCH時(shí)頻資源位置

NPDSCH在頻域上所占用的帶寬是一個(gè)PRB大小，其頻域資源映射規(guī)則如下：

(1)不能占用NPBCH/NPSS/NSSS所在子幀；

(2)不能占用NRS所在RE資源。

考慮到NB-IoT采取帶內(nèi)部署，其時(shí)頻資源位置示意圖如圖4-9所示。圖4-9NPDSCH時(shí)頻資源位置示意圖．

1)?In-Band操作模式

(1)時(shí)域：非SIB1-NB使用的NPDSCH子幀起始位置由參數(shù)eutraControlRegionSize-r13決定，參數(shù)值用l表示。SIB-NB使用的NPDSCH子幀編號從l?=?2或3的位置開始，即圖4-9中的圖(b)是l?=?3，圖(c)是l?=?2。

(2)頻域：占用12個(gè)子載波，子載波編號0～11。

2)?Stand-alone/Guard-Band操作模式

(1)時(shí)域：占用14個(gè)OFDM符號，符號編號0～13；

(2)頻域：占用12個(gè)子載波，子載波編號0～11。

SIB1-NB中包含eutraControlRegionSize-r13字段。eutraControlRegionSize-r13取值集合為{n1，n2，n3}。

圖4-9中的圖(a)是NB-IoT采用獨(dú)立部署或保護(hù)帶部署時(shí)，NPDSCH可使用的資源是除NRS使用的RE資源外剩下的RE資源。

4.6.3NPDSCH時(shí)域重復(fù)

NB-IoT業(yè)務(wù)信道通過重復(fù)傳輸方式，可達(dá)到提升覆蓋的目的。為何通過重復(fù)傳輸能提升覆蓋性能？這就好比一句話說一次聽不清，再重復(fù)多說幾次就可以聽清。

NB-IoT的NPDSCH子幀可以重復(fù)發(fā)送的次數(shù)用NRep表示：

(1)如果NPDSCH攜帶用戶數(shù)據(jù)，則NRep取值范圍{1，2，4，…，1024，2048}。

(2)如果NPDSCH攜帶系統(tǒng)消息SIB1-NB，則NRep取值范圍{4，8，16}。

NPDSCH重復(fù)傳輸示意圖如圖4-10所示圖4-10NPDSCH重復(fù)傳輸示意圖

采用這種方式傳輸?shù)暮锰幨牵涸谥芷?內(nèi)，如果接收方能還原發(fā)送信息，則不用等周期2的數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，即可獲得發(fā)送信息內(nèi)容。如果接收方在周期1內(nèi)無法還原數(shù)據(jù)，則可以繼續(xù)接收周期2的數(shù)據(jù)，然后通過編碼疊加的增益獲得發(fā)送信息。

4.7窄帶上行隨機(jī)接入信道NPRACH

4.7.1NB-IoT隨機(jī)接入信令流程在R13版本中，NB-IoT僅支持競爭隨機(jī)接入?；诟偁幍碾S機(jī)接入流程如圖4-11所示。圖4-11競爭隨機(jī)接入流程圖

流程解釋如下：

(1)?Msg1：UE發(fā)送隨機(jī)接入請求；

(2)?Msg2：eNodeB發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)；

(3)?Msg3：UE進(jìn)行上行調(diào)度傳輸；

(4)?Msg4：eNodeB進(jìn)行競爭解決。

4.7.2NPRACH格式

窄帶物理隨機(jī)接入信道上承載的是UE發(fā)送的MSG1的隨機(jī)接入前導(dǎo)(RandomAccessPreamble)，主要用來承載Preamble碼。

協(xié)議中，NB-IoT設(shè)計(jì)了兩種Preambleformat，包括format0和format1，其中format0支持10?km覆蓋距離，format1支持35?km覆蓋距離。

Preamble發(fā)送的最基本單位是4個(gè)符號組(SymbolGroups)，SymbolGroups包括一個(gè)循環(huán)前綴CP(CyclicPrefix)以及5個(gè)符號，且5個(gè)符號上發(fā)送的信號相同。單時(shí)隙內(nèi)NPRACH的單符號組結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-12所示。

圖4-12單時(shí)隙內(nèi)NPRACH的單符號組結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)循環(huán)前綴CP長度的不同，單時(shí)隙內(nèi)NPRACH的單符號組結(jié)構(gòu)可分為長CP和短CP兩種格式，如圖4-13所示。

(1)短CP用格式1(format1)來表示，CP所占時(shí)間長度是66.7?μs，前導(dǎo)占用時(shí)長1.6?ms；

(2)長CP用格式2(format2)來表示，CP所占時(shí)間長度是266.7?μs，前導(dǎo)占用時(shí)長1.4?ms。圖4-13NPRACH格式1與格式2區(qū)別

從頻域、時(shí)域、序列、信道資源、復(fù)用方式和重復(fù)傳輸?shù)慕嵌葋砜?，NPRACH配置與LTE的對比情況如表4-7所示。

Preamble發(fā)送的最基本單位是四個(gè)SymbolGroup，每個(gè)SymbolGroup發(fā)送時(shí)占用的子載波相同，SymbolGroup之間配置兩個(gè)跳頻間隔。第一/第二SymbolGroup之間和第三/第四SymbolGroup之間配置第一等級的跳頻間隔，F(xiàn)H1?=?3.75?kHz；第二/第三SymbolGroup之間配置第二等級的跳頻間隔，F(xiàn)H2?=?22.5?kHz，具體如圖4-14所示。圖4-14NPRACH符號跳頻示意圖

4.7.3NPRACH配置

在發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)前，NB-IoT終端會通過測量下行RSRP信號強(qiáng)度來決定所處的覆蓋等級，并使用該覆蓋等級所配置的NPRACH資源發(fā)起隨機(jī)接入，涉及的配置參數(shù)有起始時(shí)間、NPRACH周期、CP長度等，具體詳見表4-8。

4.8窄帶上行共享信道NPUSCH

4.8.1NB-IoTNPUSCH與LTEPUSCH的設(shè)計(jì)差異窄帶物理上行共享信道用來傳輸上行控制信息以及上行數(shù)據(jù)，與LTE的表示方法不同，NB-IoT中用NPUSCH格式1來傳輸用戶上行數(shù)據(jù)，用NPUSCH格式2來傳輸用戶上行控制信息，如圖4-15所示。圖4-15NB-IoT上行物理信道與LTE的區(qū)別

NPUSCH與PUSCH的差別，如表4-9所示。

4.8.2上行資源RU概念

NB-IoT在上行數(shù)據(jù)分配中引入資源單元RU(ResourceUnit)的概念，上行數(shù)據(jù)的分配和HARQ-ACK信息的發(fā)送均以RU為單位。

RU的構(gòu)成如表4-10所示。

RU資源劃分如圖4-16所示。圖4-16上行資源RU示意圖

4.8.3NPUSCH格式

NB-IoT在上行定義了兩種格式的NPUSCH信道。

(1)?NPUSCHformat1支持跨RU的資源映射。

(2)?NPUSCHformat2僅用于NPDSCH的ACK/NACK反饋物理信道。

NPUSCHformat2與NPUSCHformat1均不支持單子