NB-IoT详细解读

其中3.75KHz Subcarrier Spacing只支持单频传输，资源单位的带宽为一个Subcarrier，时间长度是16个Slot，也就是32ms长。15KHz Subcarrier Spacing支持单频传输和多频传输，带宽为1个Subcarrier的资源单位有16个Slot的时间长度，即8ms。带宽为12个Subcarrier的资源单位则有2个Slot的时间长度，即1ms，此资源单位即是LTE系统中的一个Subframe。资源单位的时间长度设计为2的幂次方是为了在排程上可有效的运用资源，较不易产生资源空隙而造成资源浪费。

表1中NPUSCH Format 1的资源单位是用来传送上行数据的。NPUSCH Format 2是NB-IoT UE用来传送指示NPDSCH有无成功接收的HARQ-ACK/NACK，所使用的Subcarrier的索引(Index)是在由排程对应的NPDSCH的下行配置(Downlink Assignment)中指示，重复传送次数则是由无线资源控制模块(Radio ResourceControl, RRC)参数配置。

同步讯号

NPSS(Narrowband Primary Synchronization Signal)为提供NB-IoT UE时间和频率同步的参考讯号，但NPSS中并不带有分区(Sector)ID。NSSS(Narrowband Secondary Synchronization Signal)带有Physical Cell ID。NPSS与NSSS的资源位置避开了LTE系统中的控制区域，其资源位置如图1。

图1 承载NPSS和NSSS的资源位置

NPSS的周期是10ms，NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在寻找细胞(Cell Search)时，会先检测NPSS，因此NPSS的设计为短的ZC(Zadoff-Chu)序列，对于最初的讯号检测和初步的同步复杂度较低且有好的效果。

窄频参考讯号

NB-IoT下行最多支持两个天线端口(Antenna Port)的参考讯号，资源的位置在时间上与LTE系统的细胞参考讯号(Cell-Specific Reference Signal, CRS)错开，在频率上则与之相同，因此在In-Band Operation若有检测到CRS，可与NRS共同使用来做通道估测，如图2。

图2 NRS资源位置

因此，NB-IoT下行仅支持单天线(Single Antenna)和传送分集(Transmit Diversity)这两种传送模式(TransmissionMode)。

系统信息

系统信息MIB-NB(Narrowband Master Information Block)承载于周期640ms之周期性出现的NPBCH(Narrowband Physical BroadcastChannel)中，其余系统信息如SIB1-NB(Narrowband System InformationBlock Type1)等则承载于NPDSCH中。SIB1-NB为周期性出现，其余系统信息则由SIB1-NB中所带的排程信息做排程。

有效下行子讯框

在NB-IoT中，一般下行数据传输会传送在NPDSCH中，下行控制讯息则是传送在NPDCCH中，而若某一Subframe不为有效下行子讯框(Valid Downlink Subframe)，则原先该在此Subframe传送的NPDSCH或NPDCCH会顺延至下一个Valid DownlinkSubframe来传送。任一Subframe若用来传输NPSS、NSSS、NPBCH、SIB1-NB，则不被视为一个Valid Downlink Subframe。

在In-Band Operation中，ENB可能因将资源做为其他用途而会把一个Subframe设定为非Valid DownlinkSubframe，此信息将会由承载于SIB1-NB中的一个Bitmap来指示。

Narrowband Physical Downlink Control Channel

Narrowband Physical Downlink Control Channel(NPDCCH)有别于LTE系统中的PDCCH，并非每个Subframe均有NPDCCH，而是周期性的出现。NPDCCH有三种搜索空间(Search Space)，分别用于排程一般数据传输、无线资源控制模块(Random Access)程序相关信息传输，以及呼叫(Paging)信息传输。

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对应之Rmax与RRC层配置的一参数之乘积。

RRC层亦可配置一偏移(Offset)以调整一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的重复传送次数，以及DCI传送结束后至其所排程之NPDSCH或NPUSCH所需的延迟时间，NB-IoT UE即可使用此DCI所在之Search Space的开始时间，来推算DCI之结束时间以及排程之数据的开始时间，以进行数据之传送或接收。

Narrowband Physical Downlink Shared Channel

Narrowband Physical Downlink Shared Channel(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。一个传输块(Transport Block, TB)依据所使用的调变编码(MCS)，可能需要使用多于一个Subframe来传输，因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中会包含一个TB对应的Subframe数目以及重复传送次数的指示。

Narrowband Physical Uplink Shared Channel

Narrowband Physical Uplink Shared Channel(NPUSCH)是用来传送上行数据以及上行控制信息。NPUSCH传输可使用单频或是多频传输，一个TB依据所使用的MCS，可能需要使用多于一个资源单位来传输，因此在NPDCCH中接收到的上行允许(Uplink Grant)中除了指示上行数据传输所使用的资源单位的Subcarrier的Index，也会包含一个TB对应的资源单位数目以及重复传送次数的指示。

Narrowband Physical Random Access Channel

有别于LTE中Random AccessPreamble使用ZC序列，NB-IoT中的Random Access Preamble是单频传输(3.75KHzSubcarrier Spacing)，且使用的Symbol为一定值。一次的Random AccessPreamble传送包含四个Symbol Group，一个Symbol Group是5个Symbol加上一CP，如图3。

图3 Radom AccessPreamble Symbol Group

每个Symbol Group之间会有跳频(FrequencyHopping)。选择传送的Random Access Preamble即是选择起始的Subcarrier。

协议层的变更

依据3GPP的规划，RAN2将NB-IoT在协议层规画了两种数据传输模式。分别是控制平面(Control Plane,CP)解决方案与使用者平面(User Plane, UP)解决方案。其中CP解决方案是必要支持，UP解决方案为额外支持的选项。

.CP解决方案

NB-IoT UE并不与基地台建立DRB(Data Radio Bearer)而只透过建立的SRB(Signaling Radio Bearer)来传递少量的数据。

.UP解决方案

基地台与NB-IoT UE之间新增了一个名叫Suspend-Resume的程序。其目的在于降低NB-IoT UE在RRC联机模式(Connected Mode)与闲置模式(Idle Mode)之间切换时所需要交换的讯息数量，藉此节省NB-IoT UE的能源消耗(Power Consumption)。实际的作法如图4，当基地台在NB-IoT UE不需要RRC联机时下达指令让该装置进入Suspend模式，而该Suspend指令中会夹带一组Resume ID(如图4，步骤11)。

不同于以往从RRC联机模式至闲置模式的过程，基地台与NB-IoT UE间会尽可能地保留在RRC联机模式下所使用的无线资源分配以及相关安全性配置。当NB-IoT UE欲进行数据传输时，仅需要在Random Access程序中的第三道讯息(RRC ConnectionRequest)夹带基地台配给的Resume ID(如图4，步骤4)，基地台即可以在透过此Resume ID来辨识NB-IoT UE，并且跳过相关的配置讯息交换，直接进入数据传输。

图4 Suspend-Resume程序

多载波运作模式

系统可以在一个Cell中同时间于多个载波上提供服务，但单一NB-IoT UE同一时间仅能在一个载波上面传收数据。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。

NB-IoT UE一律需要从Anchor Carrier上面进行Random Access，基地台会在Random Access的第四道讯息传递Non-Anchor Carrier的排程信息以将NB-IoT UE卸除至Non-Anchor Carrier上进行后续的数据传输，避免Anchor Carrier的无线资源吃紧。

移动性

NB-IoT UE的主要应用场景皆属于低移动性，因此为了兼顾NB-IoT的低复杂度与低成本的需求，在Release 13的规格当中将换手(Handover)程序给移除了。取而代之的是当发生NB-IoT UE在不同基地台涵盖范围间移动时，会先进行RRC释放(Release)，再重新与新的基地台进行RRC联机。

.系统信息方块的减少

由于NB-IoT UE所支持的功能经过大量的简化，相对应地在既有LTE无线通信系统中存在的系统信息方块(SystemInformation Block, SIB)，对于NB-IoT UE来讲并不需要。所以SIB的数量大幅减少至仅剩七个，且这些NB-IoT UE所需读取的SIB在基地台端是独立传送(SIB-NB)，并非夹带在原有系统之SIB中。NB-IoT共有以下几种SIB-NB。

SIB1-NB：存取有关之信息与其他系统信息方块排程

SIB2-NB：无线资源分配信息

SIB3-NB：Cell Re-selection信息

SIB4-NB：Intra-frequency的邻近Cell相关信息

SIB5-NB：Inter-frequency的邻近Cell相关信息

SIB14-NB：存取禁止(Access Barring)

SIB16-NB：GPS时间/世界标准时间(Coordinated Universal Time, UTC)信息

Cell Reselection与闲置模式运作

对于NB-IoT来讲，Cell Reselection的机制也做了适度的简化，如图5。由于NB-IoT UE并未支持紧急拨号的功能，所以当一NB-IoT UE遇到无法找到Suitable Cell之情况，该NB-IoT UE不会暂时驻扎(Camp)在Acceptable Cell，取而代之的是持续搜寻直到找到Suitable Cell为止。根据3GPP TS 36.304规格的定义，所谓的Suitable Cell为可以提供正常服务的Cell，而Acceptable Cell为仅能提供紧急服务的Cell。

图5 NB-IoT CellReselection的程序

逻辑信道与传送信道之对应

NB-IoT并不支持多媒体广播多播服务(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)。所以在逻辑信道至传送信道的对应上，即移除了所有的多播通道(MCCH, MTCH)。其余的广播，数据与控制信道皆获保留。

排程

由于NB-IoT UE是被预期为一种低复杂的装置，故在硬件的规格等级与反应时间等能力皆较为低阶。所以基地台针对于NB-IoT UE的数据传输会强制采取跨子讯框(Cross Subframe)的排程方式，以替NB-IoT UE争取更充足的时间做DCI的译码以及传送与接收模式之间的转换。

随机存取

基地台会针对各个CE Level去配置对应的NPRACH资源。Random Access程序(如图6)开始之前，NB-IoT UE会藉由量测下行参考讯号来决定所在的CE Level，并使用该CE Level之NPRACH资源。但是当Random Access程序因Preamble传输阶段未能成功时，NB-IoT UE会在更高一个CE Level的NPRACH资源重新进行Random Access程序，直到尝试完所有CE Level的NPRACH资源为止。

图6 NB-IoT Random Access程序

反之，但对于曾经进入第三道讯息传输阶段的NB-IoT UE而言，当Random Access程序未能成功时，则是留在同样的CE Level的NPRACH资源重新进行Random Access程序。此设计的原因是假若一个NB-IoT UE可以进入到第三道讯息传输阶段，即代表该NB-IoT UE的CE Level选择洽当，Preamble传输已可以让基地台顺利接收。

另外，NB-IoT的Random Access程序会在第三道讯息(RRC Connection Request)中进行数据数量以及功率余裕回报(Data Volume and Power Headroom Report, DPR)。NB-IoT UE在进入RRC联机模式之前，藉此通知基地台自己数据传输状态，以让基地台提前做适度的RRC资源分配。

未来趋向提高数据速率　减少重发以降低功耗

3GPP从第十版本的规格即开始讨论机器型态通讯，替未来的行动通讯系统挹注进许多全新的挑战。但由于MTC所采用的带宽是MHz等级，仍无法真的落实降低成本的目标。

延伸到Release 13的NB-IoT，即以使用180KHz带宽的限制去做设计，且为了增加此标准技术的使用普遍性，制定了三种运行模式。因为带宽仅有相当于LTE系统中一个PRB的大小，因此NB-IoT中的物理层通道做了相当大的改变，且为了可与LTE系统一同运作，设计的原则以不影响LTE系统为主。协议层的程序则是将现有LTE系统中的程序做简化，减少所需要交换的讯息量，但也新设计了相关程序以因应NB-IoT中的重复传送行为以及CE Level间的变换等。

可以预期下一个版本的NB-IoT的设计目标会转向进一步提升数据速率，以因应数据量需求较大的物联网使用情境。目前观察到的方向为增强Release 13中的多载波(Multi-Carrier)运行模式灵活性，使NB-IoT UE可同时在多个Carrier上数据传收。

另外，NB-IoT利用重复传送的行为达到延伸涵盖范围的目的，却也带来增加能源消耗的缺点。所以在未来会设计较为精准的数据重复传送次数控制程序。例如，若基地台在NB-IoT UE重复传送结束前已成功接收数据，可提前通知NB-IoT UE停止剩余的重复传送次数以节省电力。