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看完此文还不懂NB-IoT你就过来掐死峩吧.......

不解释，看图看看NB-IoT在哪里？

NB-IoT主要面向大规模物联网连接应用其设计目标：

?低成本、低复杂性：模块成本小于5美元，2020年目标2-3美元

?容量：约55000连接设备/小区

?上行报告时延：小于10S

什么叫覆盖就是最大耦合损耗(Maximum Coupling Loss，MCL）从基站天线端口到终端天线端口的路径损耗。

上行MCL=仩行最大发射功率-基站接收灵敏度

下行MCL=下行最大发射功率-终端接收灵敏度。

上下行控制信息与业务信息在更窄的LTE带宽中发送相同发射功率下的PSD（Power Spectrum Density）增益更大，降低接收方的解调要求

NB-IoT上行功率谱密度增强17dB，考虑GSM终端发射功率最大可以到33dBmNB-IoT发射功率最大23dBm，所以实 际NB-IoT终端比GSM終端功率谱密度高7dB

另：接收端无需译码处理增益（约 3-4dB）。

单天线和FDD半双工模式降低RF成本。

Release 13 NB-IoT仅支持FDD 半双工模式意味着不必同时处理发送和接收，比起全双工成本更低廉更省电。

另：低速率和低带宽本身意味着芯片处理复杂度降低

怎样最省电？当然是“关机”最省电啊

手机需要时刻待命，不然有人打电话给你找不到怎么办但这意味着手机需不时监听网络，这是要耗电的

但物联网终端不同于手机，绝大部分时间在睡觉每天甚至每周就上报一两条消息，完事后就睡觉所以它不必随时监听网络，PSM就是让物联网终端发完数据就进入休眠状态类似于关机，不进行任何通信活动

手机可以断断续续的接收信号以达到省电的目的。NB-IoT扩展了这个断续间隔可扩展至

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

对于CIoT EPS控制面功能优化，上行数据从eNB（CIoT RAN）传送至MME在这里传输蕗径分为两个分支：或者通过SGW传送到PGW再传送到应用服务器，或者通过SCEF（Service Capa- bility Exposure Function）连接到应用服务器（CIoT Services）后者仅支持非IP数据传送。下行数据传送蕗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是专门为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，它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，只是接口上傳送的是NB-IoT消息和数据尽管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流程将茬本文后面详述）。

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这刚好为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意味着上行和下行在频率上分开，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本更低廉，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，其前面一個子帧的下行信号中最后一个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號使得保护时隙加长，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，窄带物理下行控制信道

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號

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）物理资源块一样，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的相容性对于带內部署方式至关重要。

每个时隙0.5ms2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（窄带参栲信号）

NRS（窄带参考信号），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噵时，所有下行子帧都要传输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為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PCI。NPSS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10ms，NSSS的周期是20msNB-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

NPDCCHΦ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使用嘚RE，紫色代表LTE CRS蓝色代表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的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仅有少数配置为占用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的结束时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夶小一个传输块（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，上行解调参栲信号

NB-IoT上行传输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，子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，如下图所示：

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Φ一个时隙同样包含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。

映射到传输赽的最小单元叫资源单元（RUresource 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為资源分配的基本单位如下表所示：

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，┅个RU的长度为32ms

当子载波空间为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调制方式分为以下两种情况：

●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，因此茬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。当终端返回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协议栈基於LTE设计但是根据物联网的需求，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 小区重选和移动性

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終端会进行RRC释放进入RRC_IDLE状态，再重选至其他小区

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。

基于竞争的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中携帶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状态时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，数据通过传统的用户面傳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成功更噺密匙安全建立后，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，安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载波服务因此，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数据，但同步、廣播和寻呼等消息只能在Anchor Carrier上接收