深扒 NB-IoT（3）| NB-IoT 協議棧和物理層（一）

NB-IoT物理信道是比較復雜的一塊內容，這一講帶大家了解下協議棧和物理層。

一、無線幀結構

1）時域

上 行

15KHz

1RU（Resource Unit） =8ms

1無線幀 = 10ms = 10子幀

1子幀 = 1ms = 2 時隙

1時隙 = 7符號

3.75KHz

1RU（Resource Unit） =32ms

1無線幀 =?40ms?= 10子幀

1子幀 =?4ms= 2 時隙

1時隙 = 7符號

注：上面紅色標粗的部分，就是和LTE不同的地方。

下 行

與LTE相同

1超幀 = 1024無線幀

1無線幀 = 10ms = 10子幀

1子幀 = 1ms = 2 時隙

1時隙 = 7符號

0/7符號的CP： 5.2us

1~6/ 8 ~ 13 CP： 4.7us

2）頻域

上行

SCFDMA，2種帶寬

3.75KHz （功率譜更大，覆蓋更好， NPRACH）

15KHz（速率高，時延小，NPUSCH）

2種模式

Single Tone

（1個用戶使用1個載波，低速應用）

Multi-Tone

（1個用戶使用多個載波，高速應用,只支持15KHz）

下行

OFDMA

占用200KHz帶寬（兩邊各留 10KHz 保護帶，實際占用180KHz，在 LTE Inband 部署時占用 180KHz，即一個 RB）

子載波帶寬：15KHz

子載波數量：12

二、信道映射

邏輯信道:（邏輯信道是 MAC 子層向上層提供的服務，表示承載的內容是什么 (what)，，按信息內容劃分，分為兩大類：控制信道和業務信道）

CCCH：Common ControlChannel 公共控制信道

DCCH: Dedicated Control Channel 專用控制信道

DTCH: Dedicated Traffic Channel 專有業務信道

BCCH：BroadcastControl Channel 廣播控制信道

PCCH: Paging Control Channel 尋呼控制信道

傳輸信道（輸信道表示承載的內容怎么傳, 以什么格式傳, 分為兩大類: 專用傳輸信道和公用傳輸信道）

上行信道:

UL-SCH:? ? Uplink Shared Channel(s) 上行共享信道

RACH:? ?Random Access Channel 隨機接入信道

下行信道:

BCH:? ? ?Broadcast Channel 廣播信道

DL-SCH： DownlinkShared Channel(s)

PCH:? ? ?Paging Channel 尋呼信道

物理信道：（物理信道則是將屬于不同用戶、不同功用的傳輸信道數據流分別按照相應的規則確定其載頻、擾碼、擴頻碼、開始結束時間等進行相關的操作，并在最終調制為模擬射頻信號發射出去；不同物理信道上的數據流分別屬于不同的用戶或者是不同的功用）

上行信道:

NPUSCH: Narrowband PhysicalUplink Shared Channel 窄帶物理上行共享信道

NPRACH: Narrowband PhysicalRandom Access Channel 窄帶物理隨機接入信道

DMRS： Demodulation Reference Signa 解調參考信號

下行信道:

NPBCH:? Narrowband Physical Broadcast Channel 窄帶物理廣播信道

NPDSCH: Narrowband PhysicalDownlink Shared Channel 窄帶物理下行共享信道

NPDCCH: Narrowband PhysicalDownlink Control Channel 窄帶物理下行控制信道

NRS: Narrowband reference signal 窄帶參考信號

NSS: Narrowband synchronization signal 窄帶同步信號

NPRS：Narrowband positioning reference signal 窄帶定位參考信號

與 LTE 相比，NB-IoT：

上行取消了 PUCCH，

下行取消了 PCFICH，PHICH。

本篇文章先介紹下上行信道。

三、上行物理信道介紹： NPRACH和NPUSCH

NPRACH固定使用3.75KHz載波，NPUSCH在不同的覆蓋等級下，使用不同的MCS(速率不同，重復次數）

NPUSCH使用15KHz、3.75KHz或者15KHz與3.75KHz共存方式

NPUSCH Format1 承載上行業務傳輸，Format2承載下行NPDSCH傳輸的ACK/NACK反饋消息。

從上圖可以看出 PRACH 是有不同的區塊，所以這里的 NPRACH 的會有個覆蓋等級的概念，為了兼顧覆蓋深度和容量性能，將 NB-IoT 小區劃分為不同覆蓋等級， NB-IoT 支持最大 3 個覆蓋等級，相比原制式分別對應 0dB/10dB/20dB 覆蓋增強。

問題1,UE如何判斷?

1. SIB2 發送覆蓋等級與 RSRP 映射關系

RSRP-ThresholdsNPRACH-InfoList-NB-r13:=SEQUENCE (SIZE(1..2)) OF RSRP-Range

2. UE 根據 RSRP 測量結果選擇合適的覆蓋等級

3. 根據覆蓋等級選擇合適的 NPRACH 資源

問題2，基站如何判斷？

RSRP 與覆蓋等級的映射關系通過：MOD RACHCFG 配置。

基站側通過獲取到 preamble 所在的覆蓋等級資源位置，從而得知終端所在的覆蓋等級，后續在數傳過程中，不會再修改覆蓋等級，即便終端 RSRP 發生變化。

四、NPRACH信道：

NPRACH 是基于跳頻以 Single-Tone 的方式傳輸的

3.75kHz 子載波帶寬，2 種 CP 長度（66.7us and 266.7us）

Preamble 由 4 個符號組組成，每個符號組種包含 1 個 CP 和 5 個符號

Preamble 重復用好增強覆蓋，可配置的重復次數集合 {1,2,4,8,16,32,64,128}

跳頻圖案

第一級跳頻的跳頻間隔是單個子載波，由此種跳頻間隔應用月第 1/2 符號組和 3/4 符號組之間

第二級跳頻的跳頻間隔是 6 個子載波，此種跳頻間隔應用于第 2/3 符號組之間

Preamble 的不同重復之間采用偽隨機跳頻，跳頻范圍限制在 12 個子載波之間

不同的覆蓋等級的 NPRACH 資源通過系統消息 SIB2 通知 UE

我們可以看下基站的信令：注意紅字的部分的詳細說明

NPRACH信道資源舉例

當覆蓋等級0，NPRACH重復次數為2的時域資源

NB-IoT NPRACH 周期/時長和偏置關系圖，如下圖，

?當 CP 長度為 66.7us 時，NPRACH 時長=5.6ms * CellRachCECfg.NPRACHRepetitionCount

?? 后一級覆蓋等級的偏置和前一級覆蓋等級的偏置的差不低于 40ms

偏置在取值范圍 {8ms，16ms，32ms，64ms，128ms，256ms，512ms，1024ms} 中選取滿足條件的最小值

如下圖的例子：假設配置三個覆蓋等級為 CL0、CL1 和 CL2，對應參數 CellRachCECfg.NPRACHRepetitionCount 分別配置為 2 次、4 次和 32 次，參數RACHCfg.NbCyclicPrefixLength 取值為「66DOT7(66.7us)」，則覆蓋等級 CL0、CL1 和 CL2 對應的 NPRACH 時長分別為：5.6 * 2ms、5.6 * 4ms 和 5.6 * 32ms。根據上述約束條件可知 CL0 的偏置為 8ms，因此：CL1 的偏置要求不低于 CL0 的偏置（8ms）+ MAX{40ms，5.6 * 2ms}，即不低于 48ms，從取值范圍中選取滿足條件的最小值，因此 CL1 的偏置為 64ms。

CL2 的偏置要求不小于 CL1 的偏置（64ms）+MAX{40ms，5.6 * 4ms}，即不低于 104ms，從取值范圍中選取滿足條件的最小值，因此 CL2 的偏置為 128ms。

NPRACH信道資源：

不同覆蓋等級的NPRACH資源之間可以采用TDM、FDM或者FDM+TDM的方式復用，現網現在主要采用TDM；

注意：NPRACH每傳輸重復次數超過64時，加入40ms的UL gap。

五、NPUSCH信道

NPUSCH Format 有兩種格式：Format 1 和 Format 2.

其中 Format 1 承載上行業務，Format 2 承載 ACK/NACK 消息。

Format 1 描述如下：

子載波帶寬和調制方式

Single-Tone

Multi-Tone

子載波帶寬

（3.75KHZ / 15KHZ）

15KHZ

調制方式

pi/2-BPSK / pi/4-BPSK

QPSK

重復次數，可配置的的重復次數集合 {1,2,4,8,16,32,64,128}

冗余版本，支持 LTE RV0 和 RV1

默認的 NPUSCH 初始重復次數：

CoverageLevel 覆蓋等級配置為 0 時：REP_1(重復次數 1)；

CoverageLevel 覆蓋等級配置為 1 時：REP_2(重復次數 2)；

CoverageLevel 覆蓋等級配置為 2 時：REP_32(重復次數 32)。

NPUSCH Format—Format 2

子載波帶寬和調制方式

Single-Tone / 3.75KHZ

Single-Tone / 15KHZ

RU

8ms

2ms

調制方式

pi/2-BPSK

調度子載波位置

38 ~ 45

0~3

重復次數，可配置的的重復次數集合 {1,2,4,8,16,32,64,128}

不支持 Format 1 捎帶 ACK/NACK 消息

六、DMRS 信號

NB 上行除了 NPRACH 和 NPUSCH 還有一個DMRS 信號，DemodulationReference Signal，解調參考信號用于 NPUSCH 信道的相關解調

本次物理信道的上行部分就介紹到這里。

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