通常，我們把物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分為三類：
①無需移動性，大數(shù)據(jù)量（上行），需較寬頻段，比如城市監(jiān)控?cái)z像頭。
②移動性強(qiáng)，需執(zhí)行頻繁切換，小數(shù)據(jù)量，比如車隊(duì)追蹤管理。
③無需移動性，小數(shù)據(jù)量，對時(shí)延不敏感，比如智能抄表。
NB-IoT正是為了應(yīng)對第③種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而生。
NB-IoT源起于現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的以下幾大需求：
?覆蓋增強(qiáng)（增強(qiáng)20dB）
?支持大規(guī)模連接，100K終端/200KHz小區(qū)
?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(gè)系統(tǒng)的安全性，包括核心網(wǎng)。
?支持IP和非IP數(shù)據(jù)傳送。
?支持短信（可選部署）。
對于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)，并不能完全滿足以上需求。即使是LTE-A，關(guān)注的主要是載波聚合、雙連接和D2D等功能，并沒有考慮物聯(lián)網(wǎng)。
比如，在覆蓋上，以水表為例，所處位置無線環(huán)境差，與智能手機(jī)相比，高度差導(dǎo)致信號差4dB，同時(shí)再蓋上蓋子，額外增加約10dB左右損耗，所以需要增強(qiáng)20dB。
在大規(guī)模連接上，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備太多，如果用現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)去連接這些海量設(shè)備，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過載，即使傳送的數(shù)據(jù)量小，可信令流量也夠得喝上幾壺。
此外，NB-IoT有自己的特點(diǎn)，比如不再有QoS的概念，因?yàn)楝F(xiàn)階段的NB-IoT并不打算傳送時(shí)延敏感的數(shù)據(jù)包，像實(shí)時(shí)IMS一類的設(shè)備，在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)里不會出現(xiàn)。
因此，3GPP另辟蹊徑，在Release 13制定了NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)來應(yīng)對現(xiàn)階段的物聯(lián)網(wǎng)需求，在終端支持上也多了一個(gè)與NB-IoT對應(yīng)的終端等級——cat-NB1。
盡管NB-IoT和LTE緊密相關(guān)，且可集成于現(xiàn)有的LTE系統(tǒng)之上，很多地方是在LTE基礎(chǔ)上專為物聯(lián)網(wǎng)而優(yōu)化設(shè)計(jì)，但從技術(shù)角度看，NB-IoT卻是獨(dú)立的新空口技術(shù)。
今天，我們就來看看這一新空口技術(shù)到底有多新？
1 網(wǎng)絡(luò)
1.1 核心網(wǎng)
為了將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（CIoT）在EPS定義了兩種優(yōu)化方案：
?CIoT EPS用戶面功能優(yōu)化（User Plane CIoT EPS optimisation）
?CIoT EPS控制面功能優(yōu)化（Control Plane CIoT EPS optimisation）
如上圖所示，紅線表示CIoT EPS控制面功能優(yōu)化方案，藍(lán)線表示CIoT EPS用戶面功能優(yōu)化方案。
對于CIoT EPS控制面功能優(yōu)化，上行數(shù)據(jù)從eNB（CIoT RAN）傳送至MME，在這里傳輸路徑分為兩個(gè)分支：或者通過SGW傳送到PGW再傳送到應(yīng)用服務(wù)器，或者通過SCEF（Service Capa- bility Exposure Function）連接到應(yīng)用服務(wù)器（CIoT Services），后者僅支持非IP數(shù)據(jù)傳送。下行數(shù)據(jù)傳送路徑一樣，只是方向相反。
這一方案無需建立數(shù)據(jù)無線承載，數(shù)據(jù)包直接在信令無線承載上發(fā)送。因此，這一方案極適合非頻發(fā)的小數(shù)據(jù)包傳送。
SCEF是專門為NB-IoT設(shè)計(jì)而新引入的，它用于在控制面上傳送非IP數(shù)據(jù)包，并為鑒權(quán)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供了一個(gè)抽象的接口。
對于CIoT EPS用戶面功能優(yōu)化，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送方式和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)流量一樣，在無線承載上發(fā)送數(shù)據(jù)，由SGW傳送到PGW再到應(yīng)用服務(wù)器。因此，這種方案在建立連接時(shí)會產(chǎn)生額外開銷，不過，它的優(yōu)勢是數(shù)據(jù)包序列傳送更快。
這一方案支持IP數(shù)據(jù)和非IP數(shù)據(jù)傳送。
1.2 接入網(wǎng)
NB-IoT的接入網(wǎng)構(gòu)架與LTE一樣。
eNB通過S1接口連接到MME/S-GW，只是接口上傳送的是NB-IoT消息和數(shù)據(jù)。盡管NB-IoT沒有定義切換，但在兩個(gè)eNB之間依然有X2接口，X2接口使能UE在進(jìn)入空閑狀態(tài)后，快速啟動resume流程，接入到其它eNB（resume流程將在本文后面詳述）。
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(gè)頻段。
2 物理層
2.1 工作模式
部署方式（Operation Modes）
NB-IoT占用180KHz帶寬，這與在LTE幀結(jié)構(gòu)中一個(gè)資源塊的帶寬是一樣的。所以，以下三種部署方式成為可能：
1）獨(dú)立部署（Stand alone operation）
適合用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200KHz，這剛好為NB-IoT 180KHz帶寬辟出空間，且兩邊還有10KHz的保護(hù)間隔。
2）保護(hù)帶部署（Guard band operation）
利用LTE邊緣保護(hù)頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊。
3）帶內(nèi)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(qiáng)等級（Coverage Enhancement Level）。從0到2，CE Level共三個(gè)等級，分別對應(yīng)可對抗144dB、154dB、164dB的信號衰減?；九cNB-IoT終端之間會根據(jù)其所在的CE Level來選擇相對應(yīng)的信息重發(fā)次數(shù)。
雙工模式
Release 13 NB-IoT僅支持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(shí)處理接收和發(fā)送。
半雙工設(shè)計(jì)意味著只需多一個(gè)切換器去改變發(fā)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兩種類型，其中type B為Cat.0所用。在type A下，UE在發(fā)送上行信號時(shí)，其前面一個(gè)子幀的下行信號中最后一個(gè)Symbol不接收，用來作為保護(hù)時(shí)隙（Guard Period, GP），而在type B下，UE在發(fā)送上行信號時(shí)，其前面的子幀和后面的子幀都不接收下行信號，使得保護(hù)時(shí)隙加長，這對于設(shè)備的要求降低，且提高了信號的可靠性。
2.2 下行鏈路
對于下行鏈路，NB-IoT定義了三種物理信道：
1）NPBCH，窄帶物理廣播信道。
2）NPDCCH，窄帶物理下行控制信道。
3）NPDSCH，窄帶物理下行共享信道。
還定義了兩種物理信號：
1）NRS，窄帶參考信號。
2）NPSS和NSSS，主同步信號和輔同步信號。
相比LTE，NB-IoT的下行物理信道較少，且去掉了PMCH（Physical Multicast channel，物理多播信道），原因是NB-IoT不提供多媒體廣播/組播服務(wù)。
下圖是NB-IoT傳輸信道和物理信道之間的映射關(guān)系。
MIB消息在NPBCH中傳輸，其余信令消息和數(shù)據(jù)在NPDSCH上傳輸，NPDCCH負(fù)責(zé)控制UE和eNB間的數(shù)據(jù)傳輸。
NB-IoT下行調(diào)制方式為QPSK。NB-IoT下行最多支持兩個(gè)天線端口（Antenna Port），AP0和AP1。
和LTE一樣，NB-IoT也有PCI（Physical Cell ID，物理小區(qū)標(biāo)識），稱為NCellID（Narrowband physical cell ID），一共定義了504個(gè)NCellID。
幀和時(shí)隙結(jié)構(gòu)
和LTE循環(huán)前綴（Normal CP）物理資源塊一樣，在頻域上由12個(gè)子載波（每個(gè)子載波寬度為15KHz）組成，在時(shí)域上由7個(gè)OFDM符號組成0.5ms的時(shí)隙，這樣保證了和LTE的相容性，對于帶內(nèi)部署方式至關(guān)重要。
每個(gè)時(shí)隙0.5ms，2個(gè)時(shí)隙就組成了一個(gè)子幀（SF），10個(gè)子幀組成一個(gè)無線幀（RF）。
這就是NB-IoT的幀結(jié)構(gòu)，依然和LTE一樣。
NRS（窄帶參考信號）
NRS（窄帶參考信號），也稱為導(dǎo)頻信號，主要作用是下行信道質(zhì)量測量估計(jì)，用于UE端的相干檢測和解調(diào)。在用于廣播和下行專用信道時(shí)，所有下行子幀都要傳輸NRS，無論有無數(shù)據(jù)傳送。
NB-IoT下行最多支持兩個(gè)天線端口，NRS只能在一個(gè)天線端口或兩個(gè)天線端口上傳輸，資源的位置在時(shí)間上與LTE的CRS（Cell-Specific Reference Signal，小區(qū)特定參考信號）錯(cuò)開，在頻率上則與之相同，這樣在帶內(nèi)部署（In-Band Operation）時(shí)，若檢測到CRS，可與NRS共同使用來做信道估測。
▲NRS資源位置
同步信號
NPSS為NB-IoT UE時(shí)間和頻率同步提供參考信號，與LTE不同的是，NPSS中不攜帶任何小區(qū)信息，NSSS帶有PCI。NPSS與NSSS在資源位置上避開了LTE的控制區(qū)域，其位置圖如下：
▲NPSS和NSSS資源位置
NPSS的周期是10ms，NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在小區(qū)搜索時(shí)，會先檢測NPSS，因此NPSS的設(shè)計(jì)為短的ZC(Zadoff-Chu)序列，這降低了初步信號檢測和同步的復(fù)雜性。
NBPBCH
NBPBCH的TTI為640ms，承載MIB-NB（Narrowband Master Information Block），其余系統(tǒng)信息如SIB1-NB等承載于NPDSCH中。SIB1-NB為周期性出現(xiàn)，其余系統(tǒng)信息則由SIB1-NB中所帶的排程信息做排程。
和LTE一樣，NB-PBCH端口數(shù)通過CRC mask識別，區(qū)別是NB-IOT最多只支持2端口。NB-IOT在解調(diào)MIB信息過程中確定小區(qū)天線端口數(shù)。
在三種operation mode下，NB-PBCH均不使用前3個(gè)OFDM符號。In-band模式下NBPBCH假定存在4個(gè)LTE CRS端口，2個(gè)NRS端口進(jìn)行速率匹配。
▲NPBCH映射到子幀
▲黃色小格表明NPBCH資源占用位置，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(gè)或多個(gè)UE上的資源分配和其他的控制信息。UE需要首先解調(diào)NPDCCH中的DCI，然后才能夠在相應(yīng)的資源位置上解調(diào)屬于UE自己的NPDSCH（包括廣播消息，尋呼，UE的數(shù)據(jù)等）。NPDCCH包含了UL grant，以指示UE上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所使用的資源。
NPDCCH子幀設(shè)計(jì)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(lán)色代表NRS。上圖表示在LTE單天線端口和NB-IoT2天線端口下in-band模式的映射
NPDCCH的符號起始位置：對于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；對于stand-alone和Guard band，起始位置統(tǒng)一為0。
NPDCCH有別于LTE系統(tǒng)中的PDCCH的是，并非每個(gè)Subframe都有NPDCCH，而是周期性出現(xiàn)。NPDCCH有三種搜索空間(Search Space)，分別用于排程一般數(shù)據(jù)傳輸、Random Access相關(guān)信息傳輸，以及尋呼(Paging)信息傳輸。
各個(gè)Search Space有無線資源控制(RRC)配置相對應(yīng)的最大重復(fù)次數(shù)Rmax，其Search Space的出現(xiàn)周期大小即為相應(yīng)的Rmax與RRC層配置的一參數(shù)的乘積。
RRC層也可配置一偏移(Offset)以調(diào)整Search Space的開始時(shí)間。在大部分的搜索空間配置中，所占用的資源大小為一PRB，僅有少數(shù)配置為占用6個(gè)Subcarrier。
一個(gè)DCI中會帶有該DCI的重傳次數(shù)，以及DCI傳送結(jié)束后至其所排程的NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時(shí)間，NB-IoT UE即可使用此DCI所在的Search Space的開始時(shí)間，來推算DCI的結(jié)束時(shí)間以及排程的數(shù)據(jù)的開始時(shí)間，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送或接收。
NPDSCH
NPDSCH的子幀結(jié)構(gòu)和NPDCCH一樣。
NPDSCH是用來傳送下行數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)信息，NPDSCH所占用的帶寬是一整個(gè)PRB大小。一個(gè)傳輸塊（Transport Block, TB）依據(jù)所使用的調(diào)制與編碼策略(MCS)，可能需要使用多于一個(gè)子幀來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個(gè)TB對應(yīng)的子幀數(shù)目以及重傳次數(shù)指示。
2.3 上行鏈路
對于上行鏈路，NB-IoT定義了兩種物理信道：
1）NPUSCH，窄帶物理上行共享信道。
2）NPRACH，窄帶物理隨機(jī)接入信道。
還有：
1）DMRS，上行解調(diào)參考信號。
NB-IoT上行傳輸信道和物理信道之間的映射關(guān)系如下圖：
除了NPRACH，所有數(shù)據(jù)都通過NPUSCH傳輸。
時(shí)隙結(jié)構(gòu)
NB-IoT上行使用SC-FDMA，考慮到NB-IoT終端的低成本需求，在上行要支持單頻(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(gè)子載波。
當(dāng)采用15KHz子載波間隔時(shí)，資源分配和LTE一樣。當(dāng)采用3.75KHz的子載波間隔時(shí)，如下圖所示：
15KHz為3.75KHz的整數(shù)倍，所以對LTE系統(tǒng)干擾較小。由于下行的幀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，一個(gè)時(shí)隙同樣包含7個(gè)Symbol，共2ms長，剛好是LTE時(shí)隙長度的4倍。
此外，NB-IoT系統(tǒng)中的采樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz，子載波間隔為3.75KHz的幀結(jié)構(gòu)中，一個(gè)Symbol的時(shí)間長度為512Ts(Sampling Duration)，加上循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)長16Ts，共528Ts。因此，一個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)Symbol再加上保護(hù)區(qū)間(Guard Period)共3840Ts，即2ms長。
NPUSCH
NPUSCH用來傳送上行數(shù)據(jù)以及上行控制信息。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上的上行信道數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，其資源塊不大于1000 bits；NPUSCH format 2傳送上行控制信息（UCI）。
映射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。
有別于LTE系統(tǒng)中的資源分配的基本單位為子幀，NB-IoT根據(jù)子載波和時(shí)隙數(shù)目來作為資源分配的基本單位，如下表所示：
對于NPUSCH format 1，
當(dāng)子載波空間為3.75 kHz時(shí)，只支持單頻傳輸，一個(gè)RU在頻域上包含1個(gè)子載波，在時(shí)域上包含16個(gè)時(shí)隙，所以，一個(gè)RU的長度為32ms。
當(dāng)子載波空間為15kHz時(shí)，支持單頻傳輸和多頻傳輸，一個(gè)RU包含1個(gè)子載波和16個(gè)時(shí)隙，長度為8ms；當(dāng)一個(gè)RU包含12個(gè)子載波時(shí)，則有2個(gè)時(shí)隙的時(shí)間長度，即1ms，此資源單位剛好是LTE系統(tǒng)中的一個(gè)子幀。資源單位的時(shí)間長度設(shè)計(jì)為2的冪次方，是為了更有效的運(yùn)用資源，避免產(chǎn)生資源空隙而造成資源浪費(fèi)。
對于NPUSCH format 2，
RU總是由1個(gè)子載波和4個(gè)時(shí)隙組成，所以，當(dāng)子載波空間為3.75 kHz時(shí)，一個(gè)RU時(shí)長為8ms；當(dāng)子載波空間為15kHz時(shí)，一個(gè)RU時(shí)長為2ms。
對于NPUSCH format 2，調(diào)制方式為BPSK。
對于NPUSCH format 1，調(diào)制方式分為以下兩種情況：
●包含一個(gè)子載波的RU，采用BPSK和QPSK。
●其它情況下，采用QPSK。
由于一個(gè)TB可能需要使用多個(gè)資源單位來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了指示上行數(shù)據(jù)傳輸所使用的資源單位的子載波的索引（Index），也會包含一個(gè)TB對應(yīng)的資源單位數(shù)目以及重傳次數(shù)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(yīng)的NPDSCH的下行分配(Downlink Assignment)中指示，重傳次數(shù)則由RRC參數(shù)配置。
DMRS
根據(jù)NPUSCH格式，DMRS每時(shí)隙傳輸1個(gè)或者3個(gè)SC-FDMA符號。
▲NPUSCH format 1。上圖中，對于子載波空間為15 kHz ，一個(gè)RU占用了6個(gè)子載波。
▲NPUSCH format 2，此格式下，RU通常只占一個(gè)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(gè)Symbol Group，一個(gè)Symbol Group是5個(gè)Symbol加上一CP，如下圖：
▲Radom Access Preamble Symbol Group
每個(gè)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(jù)各個(gè)CE Level去配置相應(yīng)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，并使用該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(qū)接入
NB-IoT的小區(qū)接入流程和LTE差不多：小區(qū)搜索取得頻率和符號同步、獲取SIB信息、啟動隨機(jī)接入流程建立RRC連接。當(dāng)終端返回RRC_IDLE狀態(tài)，當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或收到尋呼時(shí)，也會再次啟動隨機(jī)接入流程。
3.1 協(xié)議棧和信令承載
總的來說，NB-IoT協(xié)議?；贚TE設(shè)計(jì)，但是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的需求，去掉了一些不必要的功能，減少了協(xié)議棧處理流程的開銷。因此，從協(xié)議棧的角度看，NB-IoT是新的空口協(xié)議。
