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NB-IoT
物理层协议解析
第
1
章 概述
本文档主要 NB-IoT 物理层相关协议进行阐述和分析。NB-IoT 是在 Release 13 新
引入的基于 LTE-FDD 网络的低功耗物联网解决方案,相对当前的常规 LTE 协议有较
大不同。在新发布的
Release 14
中,
NB-IoT
协议中新增了较多特性和不兼容
Release
13 的规定,因此本文内容以 Release 14 为准。本文主要分为如下几部分,
基 本 方 案 设 计 , 分 析 和 阐 述 NB-IoT 的 基 本 要 求 和 设 计 原 则 , 对 应 协 议
TS36.300
、
TS36.201
和
TS36.211
中的
NB-IoT
相关内容;
物理层流程,分析和阐述 NB-IoT 的物理层相关流程,对应协议 TS36.213 和
TS36.212 中的 NB-IoT 相关内容;
物理层数据处理,分析和阐述
NB-IoT
的物理层数据处理过程,对应协议
TS36.211 和 TS36.212 中的 NB-IoT 相关内容;
第
2
章 基本方案设计
2.1 概述
Release 13 正式引入了基于 LTE 网络的低功耗物联网解决方案,称为 NB-IoT。NB,
意为
Narrow Band
,使用的带宽很小,仅为
180kHz
(对应常规
LTE
网络中
1
个
RB
的
带宽)。子载波间隔支持 3.75kHz 和 15kHz 两种。NB-IoT 协议相对独立于常规 LTE 协
议,支持 NB-IoT 的 UE 不需保证完整支持常规 LTE 协议。NB-IoT 的基本设计原则是,
尽可能地降低
UE
功耗和实现复杂度,同时与现有
LTE
网络兼容。
2.1.1
协议架构
与物理层相关
LTE
协议架构中,物理层需要上高层提供如下功能(参考 图
2-1
)
控制和测量上报功能
提供传输信道(
transport channel
)以支持数据传输服务
Radio Resource Control (RRC)
Medium Access Control
(MAC)
Transport channels
Physical layer
Control / Measurements
Layer 3
Logical channels
Layer 2
Layer 1
图 2-1 与物理层相关的 LTE 协议架构
相应的,物理层的协议主要集中在
TS36.211
、
TS36.212
、
TS36.213
和
TS36.214
中,
如下图 2-2 所示,除此之外,定义 RRC 层的 TS36.331 和定义 MAC 层的 TS36.321 与
物理层的相关处理有一定联系。
图 2-2 LTE 物理层协议规划
其中,
TS36.212,定义所有物理层信道的复用和编码方案;
TS36.211,
,定义所有物理层信道的调制方案;
TS36.213,定义所有物理层信道的相关处理流程;
TS36.214,定义物理需要向上层提供的测量结果;
2.1.2 物理层信道和信号
物理层信道包含如下信道和信号,如下表 2-2 所示,
表 2-2 物理层信道和信号
物理层信道和信号
用途
对应传输信道
NPBCH
承载
MIB
信息,类似
PBCH
BCH
NPDCCH
承载下行控制信息(DCI),类似 EPDCCH
-
NPDSCH
承载下行数据,类似
PDSCH
PCH/DL-SCH
NPUSCH
承载上行数据,类似 PUSCH
UL-SCH
NPRACH
承载随机接入信息,类似
PRACH
RACH
NRS
支持下行信道估计和测量,类似
CRS
-
NPRS
支持
UE
定位(
Release.14
新增),类似
PRS
-
NPSS/NSSS
支持下行同步,类似
PSS/SSS
-
NDMRS
支持上行信道估计和测量,类似 DMRS
-
其中,
无 PUCCH 对 应 信 道 , CSI 反 馈 和 SR 被 移 除 , HARQ ACK 反 馈 则 并 入
NPUSCH;
无
PHICH
对应信道,上行
HARQ ACK
信息隐含于上行调度信息中;
无 PCFICH 对应信道,源于 NPDCCH 使用 EPDCCH 类似机制,占用了整个
RB;
这些物理信道以特定方式映射为传输信道,以对 MAC 提供相应服务,如下图 2-3
和图 2-4 所示,
图 2-3 下行物理信道与传输信道的映射
图 2-4 上行物理信道与传输信道的映射
以上传输信道的功能如下表
2-3
所示
表 2-3 传输信道
传输信道
功能
BCH
承载
MIB
信息(主系统信息,用于支持
UE
进行小区选择和小区接入)
DL-SCH
承载下行用户级数据和部分系统信息(SIB)
PCH
承载
paging
信息
UL-SCH
承载上行用户级数据
RACH
承载上行随机接入请求(
preamble
)
实际上,与 3G 标准类似,物理层信道设计使用了“控制面+用户面”的架构(即
CP+UP 架构):
CP
(
control-plane
):包括
NPDCCH
,用于传输物理层相关的控制信息
UP(user-plane):包括 NPBCH/NPDSCH/NPUSCH/NPRACH,用于传输上层
(MAC)的信息
若将物理层相关的控制信息可以细分为静态控制信息、半静态控制信息和动态控
制信息,严格意义上而言,这里所说的 CP 所包括的物理层信道只用于传输动态配置
信息,静态控制信息和半静态控制信息则承载在 BCH(MIB)和 DL-SCH(SIB)中
进行传输,由高层(
RRC
)解析和配置。
实际上,从 LTE 协议对物理层和 MAC 层的规划来看,物理层与 MAC 紧密相连,
已有一体化的趋势:
PUCCH
和
PHICH
承载的信息实际上是提供给
MAC
层的调度器使用,理论上
应该设计专门的逻辑信道来承载,但是协议中选择了直接使用物理层信道承载
PDCCH 承载的 DCI 信息主要是用于物理层进行信号处理和数据解析,然而
MAC
层的调度器也同样需要该信息
PCFICH 中承载的 CFI 信息是物理层所需的,但往往由 MAC 层的调度器配置
2.1.3 物理层算法
除继承部分常规
LTE
协议使用的重要算法外,
NB-IoT
协议中还引入了一些新的算
法,包括,
重复传输;
2.1.3.1.
重复传输
NB-IoT 协议中,所有物理信道都使用了重复机制进行传输。重复传输机制分为两
个层面的重复传输
数据信息的重复传输:类似于常规
LTE
协议 中的
HARQ
重传,重复传输原始
数据信息 bit,但每次传输时使用的冗余版本号、加扰扰码序列等都不同,其
实际上是源于常规
LTE
协议中的
TTI bundling
;
空口信号的重复传输:在多个子帧上映射相同的基带信号,即这些子帧传输
的都是完全相同的空口信号,这些子帧的信道编码过程和加扰过程都需要完
全相同,发送方的处理被大大简化(重复传输时只需重复映射上一次的信号,
而不再进行信道编码、加扰、调制和预编码等处理),同时接收方可以直接合
并这些空口信号以获取更好的解调性能;
使用空口信号的重复传输时,考虑到传输的是完全相同的空口信号,加扰过程中
发送方只需要在空口信号重复传输的第一个
slot
计算一次扰码序列并进行加扰。
由于重复传输的持续时间可能会比较长,NB-IoT 协议针对 NPDSCH、NPDCCH、
NPUSCH 和 PRACH 设计了一套 GAP 机制,即在这些信道的长时间传输过程中,适当
的插入一些
GAP
,以便于
UE
侧进行同步校正。
2.1.4 应用场景
NB-IoT
的典型应用场景如下图
2-5
所示,
图 2-5 NB-IoT 典型应用场景
其中,
UE 接入的小区也被记为 carrier,源于 NB-IoT 只占用 1 个 RB 带宽,被认为是
一种窄带通信系统;
NB-IoT
协议支持
CA
特性:
UE 接入的主小区记为 anchor carrier,相关配置在 MIB 和 SIB 下发;
UE 接入的辅小区记为 non-anchor carrier,的相关配置分别在 RRC 连接建
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