NB-IoT技術(shù)詳解

1、為了達(dá)到涵蓋范圍延伸(Coverage Enhancement, CE)以滿足布建在細(xì)胞(Cell)邊緣或地下室等信道質(zhì)量較低的NB-IoT UE，基地臺與NB-IoT UE之間透過采用較少數(shù)量的子載波(Subcarrier)與將欲傳遞的數(shù)據(jù)作重復(fù)傳送以利于接收端提高正確解出數(shù)據(jù)的成功率。依照目前規(guī)格的規(guī)范，在隨機存取(Random Access)信道、控制信道與數(shù)據(jù)信道所傳遞之訊息的重復(fù)傳送次數(shù)最高可高達(dá)128、2,048與2,048次。三種運行模式各有發(fā)揮靈活運用頻段資源涵蓋范圍延伸(Coverage Enhancement Level, CE Level)共分為三種等級，分別為達(dá)到可對抗

2、最大耦合損失(Maximum Coupling Loss, MCL)為144dB、154dB、164dB的訊號能量衰減?；嘏_與NB-IoT UE間會根據(jù)所在的CE Level來選擇相對應(yīng)的訊息重復(fù)傳送次數(shù)。另一方面，為了使?fàn)I運商能靈活地使用LTE頻段或非LTE頻段來布建NB-IoT系統(tǒng)以及考慮到對LTE系統(tǒng)的兼容性，單一載波帶寬被限制為180KHz，相當(dāng)于一個PRB(Physical Resource Block)的帶寬。NB-IoT支持在頻段內(nèi)(In-Band)、保護(hù)頻段(Guard Band)以及獨立(Stand-alone)共三種運行模式。In-Band運行是利用LTE載波(Carri

3、er)內(nèi)的PRB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，Guard Band運行是利用LTE載波內(nèi)的Guard Band來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，Stand-alone運行則是使用非LTE頻段的載波來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了提高NB-IoT的市場需求性，三種運行模式的設(shè)計具有一致性，但I(xiàn)n-Band與Guard Band兩種運行模式則需特別考慮到對LTE系統(tǒng)的兼容性。NB-IoT所支持的最大數(shù)據(jù)速率(Data Rate)在上行(Uplink)為64Kbit/s，下行(Downlink)為28Kbit/s。目前正值標(biāo)準(zhǔn)討論中的階段，接下來我們將針對物理層與接口訪問控制層受影響的信道設(shè)計、功能與程序做介紹。由于截稿前，NB-IoT第十三版

4、本的規(guī)格尚在RAN大會上等待通過，故以下的介紹以基于規(guī)格送審前的數(shù)據(jù)為主。物理層的變更NB-IoT在多重存取(Multiple Access)技術(shù)的選擇上，使用與LTE系統(tǒng)相同之Multiple Access技術(shù)，亦即在下行使用正交分頻多路存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)，在上行使用單載波分頻多重存取(Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA)，且子載波間距 (Subcarrier Spacing)以及訊框架構(gòu)(Frame Structur

5、e)與LTE系統(tǒng)相同。另外，考慮到NB-IoT UE的低成本需求，在上行亦支持單頻(Single Tone)傳輸，使用的Subcarrier Spacing除了原有的15KHz，還新制訂了3.75KHz的Subcarrier Spacing，共48個Subcarrier。由于帶寬最多僅有1個PRB，所以不同物理層通道之間大多為分時多任務(wù)(Time Division Multiplexed, TDD)，也就是在不同時間上輪流出現(xiàn)。另外，考慮到NB-IoT UE的低成本與低復(fù)雜度，Release-13 NB-IoT僅支持分頻雙工(Frequency Division Duplex, FDD)且為半

6、雙工(Half Duplex)，亦即上行與下行使用不同的載波，且一NB-IoT UE傳送和接收需在不同時間點進(jìn)行。在NB-IoT中，因為帶寬大小以及NB-IoT UE能力的限制，舍棄了LTE系統(tǒng)中如實體上行共享信道(Physical Uplink Control Channel, PUCCH)、實體混合自動重傳請求或指示通道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH)等物理層通道。HARQ的實認(rèn)信息(HARQ-ACK)/否定應(yīng)答(NACK)將會傳送在NB-IoT中新制定的數(shù)據(jù)信道中，而LTE系統(tǒng)中的周期性信道狀態(tài)信息(Periodic CSI)回

7、報，也因為考慮到資源有限與NB-IoT UE的電量耗損，在NB-IoT中不予支持。原有LTE系統(tǒng)中的其他物理層信道如實體下行控制信道(Physical Downlink Control Channel, PDCCH)以及傳送實體隨機存取信道(Physical Random Access Channel, PRACH)也都有對應(yīng)功能的新物理層信道設(shè)計，本文將逐一簡介。調(diào)變與編碼機制NB-IoT中下行使用的調(diào)變?yōu)檎幌辔晃灰奇I控(QPSK)，上行若為多頻傳輸(Multi-Tone Transmission)則使用QPSK，若為單頻傳輸則使用/2 BPSK或/4 QPSK，此為考慮到降低峰值功率比(

8、Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)的需求。信道編碼方面，為了減少NB-IoT UE譯碼的復(fù)雜度，下行的數(shù)據(jù)傳輸是使用尾端位回旋碼(Tail Biting Convolutional Coding, TBCC)，而上行的數(shù)據(jù)傳輸則使用Turbo Coding。混合式自動重新傳送程序在NB-IoT中，由于可用資源有限以及重復(fù)傳送的行為，若在上行使用同時(Synchronous)的混合式自動重新傳送程序(HARQ Process)會使得上行資源運用更加困難，因此在NB-IoT中上行和下行都使用非同時(Asynchronous)的HARQ Process，亦即若需重傳

9、則會根據(jù)新接收到的下行控制信息(Downlink Control Information, DCI)來做重傳。另外，為了減少NB-IoT UE的復(fù)雜度，只支持一個HARQ Process，且在下行不支持冗余版本(Redundancy Version, RV)，在上行則支持RV 0、RV 2。單頻傳輸NB-IoT UE在上行可使用單頻傳輸，其中Subcarrier Spacing可為15KHz以及3.75KHz。因為15KHz為3.75KHz的整數(shù)倍，所以對LTE系統(tǒng)有較小的干擾。由于下行的Frame Structure與LTE的相同，且為了使上行與下行的時間有清楚的關(guān)系，制定Subcarrie

10、r Spacing為3.75KHz的Frame Structure中一個符槽(Slot)包含7個符元(Symbol)共2ms長，是LTE系統(tǒng)中一個時槽(Slot)時間長度的4倍。NB-IoT系統(tǒng)中的取樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz，Subcarrier Spacing為3.75KHz的Frame Structure中一個Symbol的時間長度為512 Ts(Sampling Duration)加上循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)長16Ts，共528Ts。因此，一個Slot包含7個Symbol再加上保護(hù)區(qū)間(Guard Period)共3840Ts，即2ms長

11、。資源單位有別于LTE系統(tǒng)中資源分配的基本單位為子訊框(Subframe)，NB-IoT在上行中根據(jù)Subcarrier的數(shù)目分別制訂了相對應(yīng)的資源單位做為資源分配的基本單位，如表1。表1NB-IoT上行資源單位的subcarrier數(shù)目與slot數(shù)目組合。其中3.75KHz Subcarrier Spacing只支持單頻傳輸，資源單位的帶寬為一個Subcarrier，時間長度是16個Slot，也就是32ms長。15KHz Subcarrier Spacing支持單頻傳輸和多頻傳輸，帶寬為1個Subcarrier的資源單位有16個Slot的時間長度，即8ms。帶寬為12個Subcarrier的

12、資源單位則有2個Slot的時間長度，即1ms，此資源單位即是LTE系統(tǒng)中的一個Subframe。資源單位的時間長度設(shè)計為2的冪次方是為了在排程上可有效的運用資源，較不易產(chǎn)生資源空隙而造成資源浪費。表1中NPUSCH Format 1的資源單位是用來傳送上行數(shù)據(jù)的。NPUSCH Format 2是NB-IoT UE用來傳送指示NPDSCH有無成功接收的HARQ-ACK/NACK，所使用的Subcarrier的索引(Index)是在由排程對應(yīng)的NPDSCH的下行配置(Downlink Assignment)中指示，重復(fù)傳送次數(shù)則是由無線資源控制模塊(Radio Resource Control,

13、RRC)參數(shù)配置。同步訊號NPSS(Narrowband Primary Synchronization Signal)為提供NB-IoT UE時間和頻率同步的參考訊號，但NPSS中并不帶有分區(qū)(Sector)ID。NSSS(Narrowband Secondary Synchronization Signal)帶有Physical Cell ID。NPSS與NSSS的資源位置避開了LTE系統(tǒng)中的控制區(qū)域，其資源位置如圖1。圖1 承載NPSS和NSSS的資源位置NPSS的周期是10ms，NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在尋找細(xì)胞(Cell Search)時，會先檢測NPSS，因此N

14、PSS的設(shè)計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列，對于最初的訊號檢測和初步的同步復(fù)雜度較低且有好的效果。窄頻參考訊號NB-IoT下行最多支持兩個天線端口(Antenna Port)的參考訊號，資源的位置在時間上與LTE系統(tǒng)的細(xì)胞參考訊號(Cell-Specific Reference Signal, CRS)錯開，在頻率上則與之相同，因此在In-Band Operation若有檢測到CRS，可與NRS共同使用來做通道估測，如圖2。圖2 NRS資源位置因此，NB-IoT下行僅支持單天線(Single Antenna)和傳送分集(Transmit Diversity)這兩種傳送模式(Transm

15、ission Mode)。系統(tǒng)信息系統(tǒng)信息MIB-NB(Narrowband Master Information Block)承載于周期640ms之周期性出現(xiàn)的NPBCH(Narrowband Physical Broadcast Channel)中，其余系統(tǒng)信息如SIB1-NB(Narrowband System Information Block Type1)等則承載于NPDSCH中。SIB1-NB為周期性出現(xiàn)，其余系統(tǒng)信息則由SIB1-NB中所帶的排程信息做排程。有效下行子訊框在NB-IoT中，一般下行數(shù)據(jù)傳輸會傳送在NPDSCH中，下行控制訊息則是傳送在NPDCCH中，而若某一Sub

16、frame不為有效下行子訊框(Valid Downlink Subframe)，則原先該在此Subframe傳送的NPDSCH或NPDCCH會順延至下一個Valid Downlink Subframe來傳送。任一Subframe若用來傳輸NPSS、NSSS、NPBCH、SIB1-NB，則不被視為一個Valid Downlink Subframe。在In-Band Operation中，ENB可能因?qū)①Y源做為其他用途而會把一個Subframe設(shè)定為非Valid Downlink Subframe，此信息將會由承載于SIB1-NB中的一個Bitmap來指示。Narrowband Physical

17、Downlink Control ChannelNarrowband Physical Downlink Control Channel(NPDCCH)有別于LTE系統(tǒng)中的PDCCH，并非每個Subframe均有NPDCCH，而是周期性的出現(xiàn)。NPDCCH有三種搜索空間(Search Space)，分別用于排程一般數(shù)據(jù)傳輸、無線資源控制模塊(Random Access)程序相關(guān)信息傳輸，以及呼叫(Paging)信息傳輸。各個Search Space有無線資源控制(RRC)配置相對應(yīng)的最大重復(fù)次數(shù)Rmax，其Search Space的出現(xiàn)周期大小即為相對應(yīng)之Rmax與RRC層配置的一參數(shù)之乘積。

18、RRC層亦可配置一偏移(Offset)以調(diào)整一Search Space的開始時間。在大部分的搜索空間配置中，所占用的資源大小為一PRB，僅有少數(shù)配置為占用6個Subcarrier。一個DCI中會帶有該DCI的重復(fù)傳送次數(shù)，以及DCI傳送結(jié)束后至其所排程之NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時間，NB-IoT UE即可使用此DCI所在之Search Space的開始時間，來推算DCI之結(jié)束時間以及排程之?dāng)?shù)據(jù)的開始時間，以進(jìn)行數(shù)據(jù)之傳送或接收。Narrowband Physical Downlink Shared ChannelNarrowband Physical Downlink Shared

19、 Channel(NPDSCH)是用來傳送下行數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)信息，NPDSCH所占用的帶寬是一整個PRB大小。一個傳輸塊(Transport Block, TB)依據(jù)所使用的調(diào)變編碼(MCS)，可能需要使用多于一個Subframe來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個TB對應(yīng)的Subframe數(shù)目以及重復(fù)傳送次數(shù)的指示。Narrowband Physical Uplink Shared ChannelNarrowband Physical Uplink Shared Channel(NPUSCH)是用來傳送上行數(shù)據(jù)以及上行控制信息。NPUSCH傳輸

20、可使用單頻或是多頻傳輸，一個TB依據(jù)所使用的MCS，可能需要使用多于一個資源單位來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的上行允許(Uplink Grant)中除了指示上行數(shù)據(jù)傳輸所使用的資源單位的Subcarrier的Index，也會包含一個TB對應(yīng)的資源單位數(shù)目以及重復(fù)傳送次數(shù)的指示。Narrowband Physical Random Access Channel有別于LTE中Random Access Preamble使用ZC序列，NB-IoT中的Random Access Preamble是單頻傳輸(3.75KHz Subcarrier Spacing)，且使用的Symbol為一定值。一次

21、的Random Access Preamble傳送包含四個Symbol Group，一個Symbol Group是5個Symbol加上一CP，如圖3。圖3 Radom Access Preamble Symbol Group每個Symbol Group之間會有跳頻(Frequency Hopping)。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的Subcarrier。協(xié)議層的變更依據(jù)3GPP的規(guī)劃，RAN2將NB-IoT在協(xié)議層規(guī)畫了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。分別是控制平面(Control Plane, CP)解決方案與使用者平面(User Plane, UP)解決方案。其中C

22、P解決方案是必要支持，UP解決方案為額外支持的選項。CP解決方案NB-IoT UE并不與基地臺建立DRB(Data Radio Bearer)而只透過建立的SRB(Signaling Radio Bearer)來傳遞少量的數(shù)據(jù)。UP解決方案基地臺與NB-IoT UE之間新增了一個名叫Suspend-Resume的程序。其目的在于降低NB-IoT UE在RRC聯(lián)機模式(Connected Mode)與閑置模式(Idle Mode)之間切換時所需要交換的訊息數(shù)量，藉此節(jié)省NB-IoT UE的能源消耗(Power Consumption)。實際的作法如圖4，當(dāng)基地臺在NB-IoT UE不需要RRC聯(lián)

23、機時下達(dá)指令讓該裝置進(jìn)入Suspend模式，而該Suspend指令中會夾帶一組Resume ID(如圖4，步驟11)。不同于以往從RRC聯(lián)機模式至閑置模式的過程，基地臺與NB-IoT UE間會盡可能地保留在RRC聯(lián)機模式下所使用的無線資源分配以及相關(guān)安全性配置。當(dāng)NB-IoT UE欲進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，僅需要在Random Access程序中的第三道訊息(RRC Connection Request)夾帶基地臺配給的Resume ID(如圖4，步驟4)，基地臺即可以在透過此Resume ID來辨識NB-IoT UE，并且跳過相關(guān)的配置訊息交換，直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸。圖4 Suspend-Resume程

24、序多載波運作模式系統(tǒng)可以在一個Cell中同時間于多個載波上提供服務(wù)，但單一NB-IoT UE同一時間僅能在一個載波上面?zhèn)魇諗?shù)據(jù)。NB-IoT的載波可以分為兩類：提供NPSS、NSSS與承載NPBCH和系統(tǒng)信息的載波稱為Anchor Carrier，其余的載波則稱為Non-Anchor Carrier。NB-IoT UE一律需要從Anchor Carrier上面進(jìn)行Random Access，基地臺會在Random Access的第四道訊息傳遞Non-Anchor Carrier的排程信息以將NB-IoT UE卸除至Non-Anchor Carrier上進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，避免Anchor Ca

25、rrier的無線資源吃緊。移動性NB-IoT UE的主要應(yīng)用場景皆屬于低移動性，因此為了兼顧NB-IoT的低復(fù)雜度與低成本的需求，在Release 13的規(guī)格當(dāng)中將換手(Handover)程序給移除了。取而代之的是當(dāng)發(fā)生NB-IoT UE在不同基地臺涵蓋范圍間移動時，會先進(jìn)行RRC釋放(Release)，再重新與新的基地臺進(jìn)行RRC聯(lián)機。系統(tǒng)信息方塊的減少由于NB-IoT UE所支持的功能經(jīng)過大量的簡化，相對應(yīng)地在既有LTE無線通信系統(tǒng)中存在的系統(tǒng)信息方塊(System Information Block, SIB)，對于NB-IoT UE來講并不需要。所以SIB的數(shù)量大幅減少至僅剩七個，且這

26、些NB-IoT UE所需讀取的SIB在基地臺端是獨立傳送(SIB-NB)，并非夾帶在原有系統(tǒng)之SIB中。NB-IoT共 有以下幾種SIB-NB。SIB1-NB：存取有關(guān)之信息與其他系統(tǒng)信息方塊排程SIB2-NB：無線資源分配信息SIB3-NB：Cell Re-selection信息SIB4-NB：Intra-frequency的鄰近Cell相關(guān)信息SIB5-NB：Inter-frequency的鄰近Cell相關(guān)信息SIB14-NB：存取禁止(Access Barring)SIB16-NB：GPS時間/世界標(biāo)準(zhǔn)時間(Coordinated Universal Time, UTC)信息Cell R

27、eselection與閑置模式運作對于NB-IoT來講，Cell Reselection的機制也做了適度的簡化，如圖5。由于NB-IoT UE并未支持緊急撥號的功能，所以當(dāng)一NB-IoT UE遇到無法找到Suitable Cell之情況，該NB-IoT UE不會暫時駐扎(Camp)在Acceptable Cell，取而代之的是持續(xù)搜尋直到找到Suitable Cell為止。根據(jù)3GPP TS 36.304規(guī)格的定義，所謂的Suitable Cell為可以提供正常服務(wù)的Cell，而Acceptable Cell為僅能提供緊急服務(wù)的Cell。圖5 NB-IoT Cell Reselection的程

28、序邏輯信道與傳送信道之對應(yīng)NB-IoT并不支持多媒體廣播多播服務(wù)(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)。所以在邏輯信道至傳送信道的對應(yīng)上，即移除了所有的多播通道(MCCH, MTCH)。其余的廣播，數(shù)據(jù)與控制信道皆獲保留。排程由于NB-IoT UE是被預(yù)期為一種低復(fù)雜的裝置，故在硬件的規(guī)格等級與反應(yīng)時間等能力皆較為低階。所以基地臺針對于NB-IoT UE的數(shù)據(jù)傳輸會強制采取跨子訊框(Cross Subframe)的排程方式，以替NB-IoT UE爭取更充足的時間做DCI的譯碼以及傳送與接收模式之間的轉(zhuǎn)換。隨機存取基地臺會針對各個CE Level去配置對應(yīng)的NPRACH資源。Random Access程序(如圖6)開始之前，NB-IoT UE會藉由量測下行參考訊號來決定所在的CE Level，并使用該CE Level之NPRACH資源。但是當(dāng)Random Access程序因Preamble傳輸階段未能成功時，NB-IoT UE會在更高一個CE Level的NPRACH資源重新進(jìn)行Random Access程序，直到嘗試完所有CE Level的NPRACH資源為止。圖6 NB-IoT Random Acces