史上最全的NB-IoT知識,每個通訊人都應該瞭解的
通常,我們把物聯網裝置分為三類:
①無需移動性,大資料量(上行),需較寬頻段,比如城市監控攝像頭。
②移動性強,需執行頻繁切換,小資料量,比如車隊追蹤管理。
③無需移動性,小資料量,對時延不敏感,比如智慧抄表。
NB-IoT正是為了應對第③種物聯網裝置而生。
NB-IoT源起於現階段物聯網的以下幾大需求:
?覆蓋增強(增強20dB)
?支援大規模連線,100K終端/200KHz小區
?超低功耗,10年電池壽命
?超低成本
?最小化信令開銷,尤其是空口。
?確保整個系統的安全性,包括核心網。
?支援IP和非IP資料傳送。
?支援簡訊(可選部署)。
對於現有LTE網路,並不能完全滿足以上需求。即使是LTE-A,關注的主要是載波聚合、雙連線和D2D等功能,並沒有考慮物聯網。
比如,在覆蓋上,以水錶為例,所處位置無線環境差,與智慧手機相比,高度差導致訊號差4dB,同時再蓋上蓋子,額外增加約10dB左右損耗,所以需要增強20dB。
在大規模連線上,物聯網裝置太多,如果用現有的LTE網路去連線這些海量裝置,會導致網路過載,即使傳送的資料量小,可信令流量也夠得喝上幾壺。
此外,NB-IoT有自己的特點,比如不再有QoS的概念,因為現階段的NB-IoT並不打算傳送時延敏感的資料包,像實時IMS一類的裝置,在NB-IoT網路裡不會出現。
因此,3GPP另闢蹊徑,在Release 13制定了NB-IoT標準來應對現階段的物聯網需求,在終端支援上也多了一個與NB-IoT對應的終端等級——cat-NB1。
儘管NB-IoT和LTE緊密相關,且可集成於現有的LTE系統之上,很多地方是在LTE基礎上專為物聯網而優化設計,但從技術角度看,NB-IoT卻是獨立的新空口技術。
今天,我們就來看看這一新空口技術到底有多新?
1 網路
1.1 核心網
為了將物聯網資料傳送給應用,蜂窩物聯網(CIoT)在EPS定義了兩種優化方案:
?CIoT EPS使用者面功能優化(User Plane CIoT EPS optimisation)
?CIoT EPS控制面功能優化(Control Plane CIoT EPS optimisation)
如上圖所示,紅線表示CIoT EPS控制面功能優化方案,藍線表示CIoT EPS使用者面功能優化方案。
對於CIoT EPS控制面功能優化,上行資料從eNB(CIoT RAN)傳送至MME,在這裡傳輸路徑分為兩個分支:或者通過SGW傳送到PGW再傳送到應用伺服器,或者通過SCEF(Service Capa- bility Exposure Function)連線到應用伺服器(CIoT Services),後者僅支援非IP資料傳送。下行資料傳送路徑一樣,只是方向相反。
這一方案無需建立資料無線承載,資料包直接在信令無線承載上傳送。因此,這一方案極適合非頻發的小資料包傳送。
SCEF是專門為NB-IoT設計而新引入的,它用於在控制面上傳送非IP資料包,併為鑑權等網路服務提供了一個抽象的介面。
對於CIoT EPS使用者面功能優化,物聯網資料傳送方式和傳統資料流量一樣,在無線承載上傳送資料,由SGW傳送到PGW再到應用伺服器。因此,這種方案在建立連線時會產生額外開銷,不過,它的優勢是資料包序列傳送更快。
這一方案支援IP資料和非IP資料傳送。
1.2 接入網
NB-IoT的接入網構架與LTE一樣。
eNB通過S1介面連線到MME/S-GW,只是介面上傳送的是NB-IoT訊息和資料。儘管NB-IoT沒有定義切換,但在兩個eNB之間依然有X2介面,X2介面使能UE在進入空閒狀態後,快速啟動resume流程,接入到其它eNB(resume流程將在本文後面詳述)。
1.3 頻段
NB-IoT沿用LTE定義的頻段號,Release 13為NB-IoT指定了14個頻段。
2 物理層
2.1 工作模式
部署方式(Operation Modes)
NB-IoT佔用180KHz頻寬,這與在LTE幀結構中一個資源塊的頻寬是一樣的。所以,以下三種部署方式成為可能:
1)獨立部署(Stand alone operation)
適合用於重耕GSM頻段,GSM的通道頻寬為200KHz,這剛好為NB-IoT 180KHz頻寬闢出空間,且兩邊還有10KHz的保護間隔。
2)保護帶部署(Guard band operation)
利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz頻寬的資源塊。
3)帶內部署(In-band operation)
利用LTE載波中間的任何資源塊。
CE Level
CE Level,即覆蓋增強等級(Coverage Enhancement Level)。從0到2,CE Level共三個等級,分別對應可對抗144dB、154dB、164dB的訊號衰減。基站與NB-IoT終端之間會根據其所在的CE Level來選擇相對應的資訊重發次數。
雙工模式
Release 13 NB-IoT僅支援FDD 半雙工type-B模式。
FDD意味著上行和下行在頻率上分開,UE不會同時處理接收和傳送。
半雙工設計意味著只需多一個切換器去改變傳送和接收模式,比起全雙工所需的元件,成本更低廉,且可降低電池能耗。
在Release 12中,定義了半雙工分為type A和type B兩種型別,其中type B為Cat.0所用。在type A下,UE在傳送上行訊號時,其前面一個子幀的下行訊號中最後一個Symbol不接收,用來作為保護時隙(Guard Period, GP),而在type B下,UE在傳送上行訊號時,其前面的子幀和後面的子幀都不接收下行訊號,使得保護時隙加長,這對於裝置的要求降低,且提高了訊號的可靠性。
2.2 下行鏈路
對於下行鏈路,NB-IoT定義了三種物理通道:
1)NPBCH,窄帶物理廣播通道。
2)NPDCCH,窄帶物理下行控制通道。
3)NPDSCH,窄帶物理下行共享通道。
還定義了兩種物理訊號:
1)NRS,窄帶參考訊號。
2)NPSS和NSSS,主同步訊號和輔同步訊號。
相比LTE,NB-IoT的下行物理通道較少,且去掉了PMCH(Physical Multicast channel,物理多播通道),原因是NB-IoT不提供多媒體廣播/組播服務。
下圖是NB-IoT傳輸通道和物理通道之間的對映關係。
MIB訊息在NPBCH中傳輸,其餘信令訊息和資料在NPDSCH上傳輸,NPDCCH負責控制UE和eNB間的資料傳輸。
NB-IoT下行調製方式為QPSK。NB-IoT下行最多支援兩個天線埠(Antenna Port),AP0和AP1。
和LTE一樣,NB-IoT也有PCI(Physical Cell ID,物理小區標識),稱為NCellID(Narrowband physical cell ID),一共定義了504個NCellID。
幀和時隙結構
和LTE迴圈字首(Normal CP)物理資源塊一樣,在頻域上由12個子載波(每個子載波寬度為15KHz)組成,在時域上由7個OFDM符號組成0.5ms的時隙,這樣保證了和LTE的相容性,對於帶內部署方式至關重要。
每個時隙0.5ms,2個時隙就組成了一個子幀(SF),10個子幀組成一個無線幀(RF)。
這就是NB-IoT的幀結構,依然和LTE一樣。
NRS(窄帶參考訊號)
NRS(窄帶參考訊號),也稱為導頻訊號,主要作用是下行通道質量測量估計,用於UE端的相干檢測和解調。在用於廣播和下行專用通道時,所有下行子幀都要傳輸NRS,無論有無資料傳送。
NB-IoT下行最多支援兩個天線埠,NRS只能在一個天線埠或兩個天線埠上傳輸,資源的位置在時間上與LTE的CRS(Cell-Specific Reference Signal,小區特定參考訊號)錯開,在頻率上則與之相同,這樣在帶內部署(In-Band Operation)時,若檢測到CRS,可與NRS共同使用來做通道估測。
▲NRS資源位置
同步訊號
NPSS為NB-IoT UE時間和頻率同步提供參考訊號,與LTE不同的是,NPSS中不攜帶任何小區資訊,NSSS帶有PCI。NPSS與NSSS在資源位置上避開了LTE的控制區域,其位置圖如下:
▲NPSS和NSSS資源位置
NPSS的週期是10ms,NSSS的週期是20ms。NB-IoT UE在小區搜尋時,會先檢測NPSS,因此NPSS的設計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列,這降低了初步訊號檢測和同步的複雜性。
NBPBCH
NBPBCH的TTI為640ms,承載MIB-NB(Narrowband Master Information Block),其餘系統資訊如SIB1-NB等承載於NPDSCH中。SIB1-NB為週期性出現,其餘系統資訊則由SIB1-NB中所帶的排程資訊做排程。
和LTE一樣,NB-PBCH埠數通過CRC mask識別,區別是NB-IOT最多隻支援2埠。NB-IOT在解調MIB資訊過程中確定小區天線埠數。
在三種operation mode下,NB-PBCH均不使用前3個OFDM符號。In-band模式下NBPBCH假定存在4個LTE CRS埠,2個NRS埠進行速率匹配。
▲NPBCH對映到子幀
▲黃色小格表明NPBCH資源佔用位置,洋紅色表示NRS,紫色代表CRS
NPDCCH
NPDCCH中承載的是DCI(Downlink Control Information),包含一個或多個UE上的資源分配和其他的控制資訊。UE需要首先解調NPDCCH中的DCI,然後才能夠在相應的資源位置上解調屬於UE自己的NPDSCH(包括廣播訊息,尋呼,UE的資料等)。NPDCCH包含了UL grant,以指示UE上行資料傳輸時所使用的資源。
NPDCCH子幀設計如下圖所示:
▲淺綠色和深綠色代表NPDCCH使用的RE,紫色代表LTE CRS,藍色代表NRS。上圖表示在LTE單天線埠和NB-IoT2天線埠下in-band模式的對映
NPDCCH的符號起始位置:對於in-band,如果是SIB子幀,起始位置為3,非SIB子幀,起始位置包含在SIB2-NB中;對於stand-alone和Guard band,起始位置統一為0。
NPDCCH有別於LTE系統中的PDCCH的是,並非每個Subframe都有NPDCCH,而是週期性出現。NPDCCH有三種搜尋空間(Search Space),分別用於排程一般資料傳輸、Random Access相關資訊傳輸,以及尋呼(Paging)資訊傳輸。
各個Search Space有無線資源控制(RRC)配置相對應的最大重複次數Rmax,其Search Space的出現週期大小即為相應的Rmax與RRC層配置的一引數的乘積。
RRC層也可配置一偏移(Offset)以調整Search Space的開始時間。在大部分的搜尋空間配置中,所佔用的資源大小為一PRB,僅有少數配置為佔用6個Subcarrier。
一個DCI中會帶有該DCI的重傳次數,以及DCI傳送結束後至其所排程的NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時間,NB-IoT UE即可使用此DCI所在的Search Space的開始時間,來推算DCI的結束時間以及排程的資料的開始時間,以進行資料的傳送或接收。
NPDSCH
NPDSCH的子幀結構和NPDCCH一樣。
NPDSCH是用來傳送下行資料以及系統資訊,NPDSCH所佔用的頻寬是一整個PRB大小。一個傳輸塊(Transport Block, TB)依據所使用的調製與編碼策略(MCS),可能需要使用多於一個子幀來傳輸,因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個TB對應的子幀數目以及重傳次數指示。
2.3 上行鏈路
對於上行鏈路,NB-IoT定義了兩種物理通道:
1)NPUSCH,窄帶物理上行共享通道。
2)NPRACH,窄帶物理隨機接入通道。
還有:
1)DMRS,上行解調參考訊號。
NB-IoT上行傳輸通道和物理通道之間的對映關係如下圖:
除了NPRACH,所有資料都通過NPUSCH傳輸。
時隙結構
NB-IoT上行使用SC-FDMA,考慮到NB-IoT終端的低成本需求,在上行要支援單頻(Single Tone)傳輸,子載波間隔除了原有的15KHz,還新制訂了3.75KHz的子載波間隔,共48個子載波。
當採用15KHz子載波間隔時,資源分配和LTE一樣。當採用3.75KHz的子載波間隔時,如下圖所示:
15KHz為3.75KHz的整數倍,所以對LTE系統干擾較小。由於下行的幀結構與LTE相同,為了使上行與下行相容,子載波空間為3.75KHz的幀結構中,一個時隙同樣包含7個Symbol,共2ms長,剛好是LTE時隙長度的4倍。
此外,NB-IoT系統中的取樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz,子載波間隔為3.75KHz的幀結構中,一個Symbol的時間長度為512Ts(Sampling Duration),加上迴圈字首(Cyclic Prefix, CP)長16Ts,共528Ts。因此,一個時隙包含7個Symbol再加上保護區間(Guard Period)共3840Ts,即2ms長。
NPUSCH
NPUSCH用來傳送上行資料以及上行控制資訊。NPUSCH傳輸可使用單頻或多頻傳輸。
▲單頻與多頻傳輸
在NPUSCH上,定義了兩種格式:format 1和format 2。NPUSCH format 1 為UL-SCH上的上行通道資料而設計,其資源塊不大於1000 bits;NPUSCH format 2傳送上行控制資訊(UCI)。
對映到傳輸快的最小單元叫資源單元(RU,resource unit),它由NPUSCH格式和子載波空間決定。
有別於LTE系統中的資源分配的基本單位為子幀,NB-IoT根據子載波和時隙數目來作為資源分配的基本單位,如下表所示:
對於NPUSCH format 1,
當子載波空間為3.75 kHz時,只支援單頻傳輸,一個RU在頻域上包含1個子載波,在時域上包含16個時隙,所以,一個RU的長度為32ms。
當子載波空間為15kHz時,支援單頻傳輸和多頻傳輸,一個RU包含1個子載波和16個時隙,長度為8ms;當一個RU包含12個子載波時,則有2個時隙的時間長度,即1ms,此資源單位剛好是LTE系統中的一個子幀。資源單位的時間長度設計為2的冪次方,是為了更有效的運用資源,避免產生資源空隙而造成資源浪費。
對於NPUSCH format 2,
RU總是由1個子載波和4個時隙組成,所以,當子載波空間為3.75 kHz時,一個RU時長為8ms;當子載波空間為15kHz時,一個RU時長為2ms。
對於NPUSCH format 2,調製方式為BPSK。
對於NPUSCH format 1,調製方式分為以下兩種情況:
●包含一個子載波的RU,採用BPSK和QPSK。
●其它情況下,採用QPSK。
由於一個TB可能需要使用多個資源單位來傳輸,因此在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了指示上行資料傳輸所使用的資源單位的子載波的索引(Index),也會包含一個TB對應的資源單位數目以及重傳次數指示。
NPUSCH Format 2是NB-IoT終端用來傳送指示NPDSCH有無成功接收的HARQ-ACK/NACK,所使用的子載波的索引(Index)是在由對應的NPDSCH的下行分配(Downlink Assignment)中指示,重傳次數則由RRC引數配置。
DMRS
根據NPUSCH格式,DMRS每時隙傳輸1個或者3個SC-FDMA符號。
▲NPUSCH format 1。上圖中,對於子載波空間為15 kHz ,一個RU佔用了6個子載波。
▲NPUSCH format 2,此格式下,RU通常只佔一個子載波。
NPRACH
和LTE的Random Access Preamble使用ZC序列不同,NB-IoT的Random Access Preamble是單頻傳輸(3.75KHz子載波),且使用的Symbol為一定值。一次的Random Access Preamble傳送包含四個Symbol Group,一個Symbol Group是5個Symbol加上一CP,如下圖:
▲Radom Access Preamble Symbol Group
每個Symbol Group之間會有跳頻。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的子載波。
基站會根據各個CE Level去配置相應的NPRACH資源,其流程如下圖:
▲NB-IoT Random Acces流程
Random Access開始之前,NB-IoT終端會通過DL measurement(比如RSRP)來決定CE Level,並使用該CE Level指定的NPRACH資源。一旦Random Access Preamble傳送失敗,NB-IoT終端會在升級CE Level重新嘗試,直到嘗試完所有CE Level的NPRACH資源為止。
3 小區接入
NB-IoT的小區接入流程和LTE差不多:小區搜尋取得頻率和符號同步、獲取SIB資訊、啟動隨機接入流程建立RRC連線。當終端返回RRC_IDLE狀態,當需要進行資料傳送或收到尋呼時,也會再次啟動隨機接入流程。
3.1 協議棧和信令承載
總的來說,NB-IoT協議棧基於LTE設計,但是根據物聯網的需求,去掉了一些不必要的功能,減少了協議棧處理流程的開銷。因此,從協議棧的角度看,NB-IoT是新的空口協議。
以無線承載(RB)為例,在LTE系統中,SRB(signalling radio bearers,信令無線承載)會部分複用,SRB0用來傳輸RRC訊息,在邏輯通道CCCH上傳輸;而SRB1既用來傳輸RRC訊息,也會包含NAS訊息,其在邏輯通道DCCH上傳輸。
LTE中還定義了SRB2,但NB-IoT沒有。
此外,NB-IoT還定義一種新的信令無線承載SRB1bis,SRB1bis和SRB1的配置基本一致,除了沒有 PDCP,這也意味著在Control Plane CIoT EPS optimisation下只有SRB1bis,因為只有在這種模式才不需要。
▲NB-IoT協議棧
3.2 系統資訊
NB-IoT經過簡化,去掉了一些對物聯網不必要的SIB,只保留了8個:
?SIBType1-NB:小區接入和選擇,其它SIB排程
?SIBType2-NB:無線資源分配資訊
?SIBType3-NB:小區重選資訊
?SIBType4-NB:Intra-frequency的鄰近Cell相關資訊
?SIBType5-NB:Inter-frequency的鄰近Cell相關資訊
?SIBType14-NB:接入禁止(Access Barring)
?SIBType16-NB:GPS時間/世界標準時間資訊
需特別說明的是,SIB-NB是獨立於LTE系統傳送的,並非夾帶在原LTE的SIB之中。
3.3 小區重選和移動性
由於NB-IoT主要為非頻發小資料包流量而設計,所以RRC_CONNECTED中的切換過程並不需要,被移除了。如果需要改變服務小區,NB-IoT終端會進行RRC釋放,進入RRC_IDLE狀態,再重選至其他小區。
在RRC_IDLE狀態,小區重選定義了intra frequency和inter frequency兩類小區,inter frequency指的是in-band operation下兩個180 kHz載波之間的重選。
NB-IoT的小區重選機制也做了適度的簡化,由於NB-IoT 終端不支援緊急撥號功能,所以,當終端重選時無法找到Suitable Cell的情況下,終端不會暫時駐紮(Camp)在Acceptable Cell,而是持續搜尋直到找到Suitable Cell為止。根據3GPP TS 36.304定義,所謂Suitable Cell為可以提供正常服務的小區,而Acceptable Cell為僅能提供緊急服務的小區。
3.4 隨機接入過程
NB-IoT的RACH過程和LTE一樣,只是引數不同。
基於競爭的NB-IOT隨機接入過程
基於非競爭的NB-IOT隨機接入過程
3.5 連線管理
由於NB-IoT並不支援不同技術間的切換,所以RRC狀態模式也非常簡單。
RRC Connection Establishment
RRC Connection Establishment流程和LTE一樣,但內容卻不相同。
很多原因都會引起RRC建立,但是,在NB-IoT中,RRCConnectionRequest中的Establishment Cause裡沒有delayTolerantAccess,因為NB-IOT被預先假設為容忍延遲的。
另外,在Establishment Cause裡,UE將說明支援單頻或多頻的能力。
與LTE不同的是,NB-IoT新增了Suspend-Resume流程。當基站釋放連線時,基站會下達指令讓NB-IoT終端進入Suspend模式,該Suspend指令帶有一組Resume ID,此時,終端進入Suspend模式並存儲當前的AS context。
當終端需要再次進行資料傳輸時,只需要在RRC Connection Resume Request中攜帶Resume ID(如上圖第四步),基站即可通過此Resume ID來識別終端,並跳過相關配置資訊交換,直接進入資料傳輸。
簡而言之,在RRC_Connected至RRC_IDLE狀態時,NB-IoT終端會盡可能的保留RRC_Connected下所使用的無線資源分配和相關安全性配置,減少兩種狀態之間切換時所需的資訊交換數量,以達到省電的目的。
4 Data Transfer
如前文所述,NB-IoT定義了兩種資料傳輸模式:Control Plane CIoT EPS optimisation方案和User Plane CIoT EPS optimisation方案。對於資料發起方,由終端選擇決定哪一種方案。對於資料接收方,由MME參考終端習慣,選擇決定哪一種方案。
4.1 Control Plane CIoT EPS Optimisation
對於Control Plane CIoT EPS Optimisation,終端和基站間的資料交換在RRC級上完成。對於下行,資料包附帶在RRCConnectionSetup訊息裡;對於上行,資料包附帶在RRCConnectionSetupComplete訊息裡。如果資料量過大,RRC不能完成全部傳輸,將使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer訊息繼續傳送。
這兩類訊息中包含的是帶有NAS訊息的byte陣列,其對應NB-IoT資料包,因此,對於基站是透明的,UE的RRC也會將它直接轉發給上一層。
在這種傳輸模式下,沒有RRC connection reconfiguration流程,資料在RRC connection setup訊息裡傳送,或者在RRC connection setup之後立即RRC connection release並啟動resume流程。
4.2 User Plane CIoT EPS optimisation
在User Plane CIoT EPS optimisation模式下,資料通過傳統的使用者面傳送,為了降低物聯網終端的複雜性,只可以同時配置一個或兩個DRB。
此時,有兩種情況:
?當RRC連線釋放時,RRC連線釋放會攜帶攜帶Resume ID,並啟動resume流程,如果resume成功,更新密匙安全建立後,保留了先前RRC_Connected的無線承載也隨之建立。
?當RRC連線釋放時,如果RRC連線釋放沒有攜帶攜帶Resume ID,或者resume請求失敗,安全和無線承載建立過程如下圖所示:
首先,通過SecurityModeCommand和SecurityModeComplete建立AS級安全。
在SecurityModeCommand訊息中,基站使用SRB1和DRB提供加密演算法和對SRB1完整性保護。LTE中定義的所有演算法都包含在NB-IoT裡。
當安全啟用後,進入RRC connection reconfiguration流程建立DRBs。
在重配置訊息中,基站為UE提供無線承載,包括RLC和邏輯通道配置。PDCP僅配置於DRBs,因為SRB採用預設值。在MAC配置中,將提供BSR、SR、DRX等配置。最後,物理配置提供將資料對映到時隙和頻率的引數。
4.3 多載波配置
在RRCConnectionReconfiguration訊息中,可在上下行設定一個額外的載波,稱為非錨定載波(non-anchor carrier)。
基於多載波配置,系統可以在一個小區裡同時提供多個載波服務,因此,NB-IoT的載波可以分為兩類:提供NPSS、NSSS與承載NPBCH和系統資訊的載波稱為Anchor Carrier,其餘的載波則稱為Non-Anchor Carrier。
當提供non-anchor載波時,UE在此載波上接收所有資料,但同步、廣播和尋呼等訊息只能在Anchor Carrier上接收。
NB-IoT終端一律需要在Anchor Carrier上面Random Access,基站會在Random Access過程中傳送Non-Anchor Carrier排程資訊,以將終端解除安裝至Non-Anchor Carrier上進行後續資料傳輸,避免Anchor Carrier的無線資源吃緊。
另外,單個NB-IoT終端同一時間只能在一個載波上傳送資料,不允許同時在Anchor Carrier和Non-Anchor Carrier上傳送資料。
好了,一大堆鳥文總算翻譯完了,還不算最全,不過已經腰痠痛,累成狗。分享通訊知識,共享美好通訊未來,我是一個興趣使然的通訊工程師
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