工信部下发通知推动150万NB-IoT基站落地NB-IoT汹涌而来。很多网友要求雇佣军科普一篇NB-IoT为此来一篇超级啰嗦的技术文。

从2G到4G移动通信网络不断更新换代…

从GPRS到LTE，移动网速越来越赽我们开玩笑讲，2G是苍井空.TXT3G是苍井空.JPG，4G是苍井空.AVI5G就是苍井空+VR/AR...

不过，朋友按照你的思路联想下去，是不对的容易误入歧途。

其实到了4G时代，移动通信网络的发展出现了分支

一边是大流量，一边是小数据一边是移动宽带，一边是物联网时代

从2G到4G，移动通信网絡都只是为了连接“人”而生但随着万物互联时代的到来，移动通信网络需面向连接“物”而演进

为此，3GPP在Release 13制定了NB-IoT标准来应对现阶段嘚物联网需求在终端支持上也多了一个与NB-IoT对应的终端等级——cat-NB1。

●GSM是最早的广域M2M无线连接技术EC-GSM增强了其功能和竞争力。

●UMTS没有衍生出低功耗物联网“变体”

●NB-IoT (Cat-NB1)尽管和LTE紧密相关，且可集成于现有的LTE系统之上但认为是独立的新空口技术。

NB-IoT甚至说目前低功耗广域网（LPWAN），其设计原则都是基于“妥协”的态度

首先，比较传统2/3/4G网络一些物联网主要有三大特点：

终端都很懒，大部分时间在睡觉每天传送嘚数据量极低，且允许一定的传输延迟（比如智能水表）。

并不是所有的终端都需要移动性大量的物联网终端长期处于静止状态。

与“人”的连接不同物联网的流量模型不再是以下行为主，可能是以上行为主

这三大特点支撑了低速率和传输延迟上的技术“妥协”，從而实现覆盖增强、低功耗、低成本的蜂窝物联网

NB-IoT信令流程基于LTE设计，去掉了一些不必要的信令包括在控制面和用户面均进行了优化。

手机（终端）和网络不断传送数据是很费电的如果没有DRX，即使我们没有用手机上网手机也需要不断的监听网络（PDCCH子帧），以保持和網络的联系但是，这导致手机耗电太快

因此，在LTE系统中设计了DRX让手机周期性的进入睡眠状态（sleep state），不用时刻监听网络只在需要的時候，手机从睡眠状态中唤醒进入wake up state后才监听网络以达到省电的目的。

eDRX意味着扩展DRX周期意味着终端可睡更长时间，更省电

一些物联网終端本来就很懒，长期睡觉而在PSM模式下，相当于关机状态所以更加省电。

其原理是当终端进入空闲状态，释放RRC连接后开始启动定時器T3324，当T3324终止后进入PSM模式，并启动T3412（周期性TAU更新）在此期间，终端停止检测寻呼和执行任何小区/PLMN选择或MM流程

此时，网络无法发送数據给终端或寻呼终端网络与终端几乎失联（终端仍注册在网络中）。

只有当周期性TAU更新定时器超时后才退出PSM模式。这个定时器可设置朂大12.1天想想这是有多么省电啊！

总的来说，物联网分为三层：感知层、网络层和应用层感知层负责采集信息，网络层提供安全可靠的連接、交互与共享应用层对大数据进行分析，提供商业决策

为了将物联网数据发送给应用，蜂窝物联网（CIoT）在EPS定义了两种优化方案：

洳上图所示红线表示CIoT EPS控制面功能优化方案，蓝线表示CIoT EPS用户面功能优化方案

Services），后者仅支持非IP数据传送下行数据传送路径一样，只是方向相反

这一方案无需建立数据无线承载，数据包直接在信令无线承载上发送因此，这一方案极适合非频发的小数据包传送

SCEF是专门為NB-IoT设计而新引入的，它用于在控制面上传送非IP数据包并为鉴权等网络服务提供了一个抽象的接口。

对于CIoT EPS用户面功能优化物联网数据传送方式和传统数据流量一样，在无线承载上发送数据由SGW传送到PGW再到应用服务器。因此这种方案在建立连接时会产生额外开销，不过咜的优势是数据包序列传送更快。

这一方案支持IP数据和非IP数据传送

NB-IoT的接入网构架与LTE一样。

eNB通过S1接口连接到MME/S-GW只是接口上传送的是NB-IoT消息和數据。尽管NB-IoT没有定义切换但在两个eNB之间依然有X2接口，X2接口使能UE在进入空闲状态后快速启动resume流程，接入到其它eNB（resume流程将在本文后面详述）

NB-IoT占用180KHz带宽，这与在LTE帧结构中一个资源块的带宽是一样的所以，以下三种部署方式成为可能：

适合用于重耕GSM频段GSM的信道带宽为200KHz，这剛好为NB-IoT 180KHz带宽辟出空间且两边还有10KHz的保护间隔。

利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块

利用LTE载波中间的任何资源块。

FDD意味着上行和丅行在频率上分开UE不会同时处理接收和发送。

半双工设计意味着只需多一个切换器去改变发送和接收模式比起全双工所需的元件，成夲更低廉且可降低电池能耗。

在Release 12中定义了半双工分为type A和type B两种类型，其中type B为Cat.0所用在type A下，UE在发送上行信号时其前面一个子帧的下行信號中最后一个Symbol不接收，用来作为保护时隙（Guard Period, GP）而在type B下，UE在发送上行信号时其前面的子帧和后面的子帧都不接收下行信号，使得保护时隙加长这对于设备的要求降低，且提高了信号的可靠性

对于下行链路，NB-IoT定义了三种物理信道：

1）NPBCH窄带物理广播信道。

2）NPDCCH窄带物理丅行控制信道。

3）NPDSCH窄带物理下行共享信道。

还定义了两种物理信号：

1）NRS窄带参考信号。

2）NPSS和NSSS主同步信号和辅同步信号。

下图是NB-IoT传输信道和物理信道之间的映射关系

MIB消息在NPBCH中传输，其余信令消息和数据在NPDSCH上传输NPDCCH负责控制UE和eNB间的数据传输。

和LTE循环前缀（Normal CP）物理资源块┅样在频域上由12个子载波（每个子载波宽度为15KHz）组成，在时域上由7个OFDM符号组成0.5ms的时隙这样保证了和LTE的相容性，对于带内部署方式至关偅要

每个时隙0.5ms，2个时隙就组成了一个子帧（SF）10个子帧组成一个无线帧（RF）。

这就是NB-IoT的帧结构依然和LTE一样。

NRS（窄带参考信号）

NRS（窄带參考信号）也称为导频信号，主要作用是下行信道质量测量估计用于UE端的相干检测和解调。在用于广播和下行专用信道时所有下行孓帧都要传输NRS，无论有无数据传送

NB-IoT下行最多支持两个天线端口，NRS只能在一个天线端口或两个天线端口上传输资源的位置在时间上与LTE的CRS（Cell-Specific Reference Signal，小区特定参考信号）错开在频率上则与之相同，这样在带内部署（In-Band Operation）时若检测到CRS，可与NRS共同使用来做信道估测

NPSS为NB-IoT UE时间和频率同步提供参考信号，与LTE不同的是NPSS中不携带任何小区信息，NSSS带有PCINPSS与NSSS在资源位置上避开了LTE的控制区域，其位置图如下：

NPSS的周期是10msNSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在小区搜索时会先检测NPSS，因此NPSS的设计为短的ZC(Zadoff-Chu)序列这降低了初步信号检测和同步的复杂性。

和LTE一样NB-PBCH端口数通过CRC mask识别，区别是NB-IOT最多只支持2端口NB-IOT在解调MIB信息过程中确定小区天线端口数。

▲NPBCH映射到子帧

▲黄色小格表明NPBCH资源占用位置洋红色表示NRS，紫色代表CRS

NPDCCH中承载的是DCI（Downlink Control Information）包含一个或多个UE上的资源分配和其他的控制信息。UE需要首先解调NPDCCH中的DCI然后才能够在相应的资源位置上解调属于UE自己的NPDSCH（包括广播消息，寻呼UE的数据等）。NPDCCH包含了UL grant以指示UE上行数据传输时所使用的资源。

NPDCCH子帧设计如下图所示：

▲浅绿色和深绿色代表NPDCCH使用的RE紫色代表LTE CRS，藍色代表NRS上图表示在LTE单天线端口和NB-IoT2天线端口下in-band模式的映射

各个Search Space有无线资源控制(RRC)配置相对应的最大重复次数Rmax，其Search Space的出现周期大小即为相应嘚Rmax与RRC层配置的一参数的乘积

RRC层也可配置一偏移(Offset)以调整Search Space的开始时间。在大部分的搜索空间配置中所占用的资源大小为一PRB，仅有少数配置為占用6个Subcarrier

一个DCI中会带有该DCI的重传次数，以及DCI传送结束后至其所排程的NPDSCH或NPUSCH所需的延迟时间NB-IoT UE即可使用此DCI所在的Search Space的开始时间，来推算DCI的结束時间以及排程的数据的开始时间以进行数据的传送或接收。

NPDSCH是用来传送下行数据以及系统信息NPDSCH所占用的带宽是一整个PRB大小。一个传输塊（Transport Block, TB）依据所使用的调制与编码策略(MCS)可能需要使用多于一个子帧来传输，因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中会包含一个TB对应的子帧数目以及重传次数指示

对于上行链路，NB-IoT定义了两种物理信道：

1）NPUSCH窄带物理上行共享信道。

2）NPRACH窄带物理随机接入信道。

1）DMRS上行解调参考信号。

NB-IoT上行传輸信道和物理信道之间的映射关系如下图：

除了NPRACH所有数据都通过NPUSCH传输。

NB-IoT上行使用SC-FDMA考虑到NB-IoT终端的低成本需求，在上行要支持单频(Single Tone)传输孓载波间隔除了原有的15KHz，还新制订了3.75KHz的子载波间隔共48个子载波。

当采用15KHz子载波间隔时资源分配和LTE一样。当采用3.75KHz的子载波间隔时如下圖所示：

15KHz为3.75KHz的整数倍，所以对LTE系统干扰较小由于下行的帧结构与LTE相同，为了使上行与下行相容子载波空间为3.75KHz的帧结构中，一个时隙同樣包含7个Symbol共2ms长，刚好是LTE时隙长度的4倍

NPUSCH用来传送上行数据以及上行控制信息。NPUSCH传输可使用单频或多频传输

映射到传输快的最小单元叫資源单元（RU，resource unit）它由NPUSCH格式和子载波空间决定。

有别于LTE系统中的资源分配的基本单位为子帧NB-IoT根据子载波和时隙数目来作为资源分配的基夲单位，如下表所示：

当子载波空间为3.75 kHz时只支持单频传输，一个RU在频域上包含1个子载波在时域上包含16个时隙，所以一个RU的长度为32ms。

當子载波空间为15kHz时支持单频传输和多频传输，一个RU包含1个子载波和16个时隙长度为8ms；当一个RU包含12个子载波时，则有2个时隙的时间长度即1ms，此资源单位刚好是LTE系统中的一个子帧资源单位的时间长度设计为2的幂次方，是为了更有效的运用资源避免产生资源空隙而造成资源浪费。

RU总是由1个子载波和4个时隙组成所以，当子载波空间为3.75 kHz时一个RU时长为8ms；当子载波空间为15kHz时，一个RU时长为2ms

对于NPUSCH format 1，调制方式分为鉯下两种情况：

●包含一个子载波的RU采用BPSK和QPSK。

●其它情况下采用QPSK。

由于一个TB可能需要使用多个资源单位来传输因此在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了指示上行数据传输所使用的资源单位的子载波的索引（Index），也会包含一个TB对应的资源单位数目以及重传次数指示

基站会根据各个CE Level去配置相应的NPRACH资源，其流程如下图：

NB-IoT的小区接入流程和LTE差不多：小区搜索取得频率和符号同步、获取SIB信息、启动随机接入流程建立RRC连接当終端返回RRC_IDLE状态，当需要进行数据发送或收到寻呼时也会再次启动随机接入流程。

4.3.1 协议栈和信令承载

总的来说NB-IoT协议栈基于LTE设计，但是根據物联网的需求去掉了一些不必要的功能，减少了协议栈处理流程的开销因此，从协议栈的角度看NB-IoT是新的空口协议。

以无线承载（RB）为例在LTE系统中，SRB（signalling radio bearers信令无线承载）会部分复用，SRB0用来传输RRC消息在逻辑信道CCCH上传输；而SRB1既用来传输RRC消息，也会包含NAS消息其在逻辑信道DCCH上传输。

NB-IoT经过简化去掉了一些对物联网不必要的SIB，只保留了8个:

需特别说明的是SIB-NB是独立于LTE系统传送的，并非夹带在原LTE的SIB之中

4.3.3 小区偅选和移动性

由于NB-IoT主要为非频发小数据包流量而设计，所以RRC_CONNECTED中的切换过程并不需要被移除了。如果需要改变服务小区NB-IoT终端会进行RRC释放，进入RRC_IDLE状态再重选至其他小区。

Cell为可以提供正常服务的小区而Acceptable Cell为仅能提供紧急服务的小区。

NB-IoT的RACH过程和LTE一样只是参数不同。

基于竞争嘚NB-IOT随机接入过程

基于非竞争的NB-IOT随机接入过程

由于NB-IoT并不支持不同技术间的切换所以RRC状态模式也非常简单。

当终端需要再次进行数据传输时只需要在RRC Connection Resume Request中携带Resume ID（如上图第四步），基站即可通过此Resume ID来识别终端并跳过相关配置信息交换，直接进入数据传输

简而言之，在RRC_Connected至RRC_IDLE状态時NB-IoT终端会尽可能的保留RRC_Connected下所使用的无线资源分配和相关安全性配置，减少两种状态之间切换时所需的信息交换数量以达到省电的目的。

这两类消息中包含的是带有NAS消息的byte数组其对应NB-IoT数据包，因此对于基站是透明的，UE的RRC也会将它直接转发给上一层

在User Plane CIoT EPS optimisation模式下，数据通過传统的用户面传送为了降低物联网终端的复杂性，只可以同时配置一个或两个DRB

?当RRC连接释放时，RRC连接释放会携带携带Resume ID并启动resume流程，如果resume成功更新密匙安全建立后，保留了先前RRC_Connected的无线承载也随之建立

?当RRC连接释放时，如果RRC连接释放没有携带携带Resume ID或者resume请求失败，咹全和无线承载建立过程如下图所示：

在重配置消息中基站为UE提供无线承载，包括RLC和逻辑信道配置PDCP仅配置于DRBs，因为SRB采用默认值在MAC配置中，将提供BSR、SR、DRX等配置最后，物理配置提供将数据映射到时隙和频率的参数

基于多载波配置，系统可以在一个小区里同时提供多个載波服务因此，NB-IoT的载波可以分为两类：提供NPSS、NSSS与承载NPBCH和系统信息的载波称为Anchor Carrier其余的载波则称为Non-Anchor Carrier。

当提供non-anchor载波时UE在此载波上接收所有數据，但同步、广播和寻呼等消息只能在Anchor Carrier上接收