分类目录归档:NB-IoT

NB-IoT下行传输过程

NB-IOT的下行数据传输过程与传统LTE相同,即先由控制信道指示资源调度信息, UE对搜索空间控制信道所承载的调度信息进行检测,如果发现属于自己的调度信息,那么UE将根据该调度信息的指示(包括资源位置,编码调制方式等)接收属于自己的NPDSCH下行数据信息。

下行传输过程-NPDCCH

NPDCCH所使用的CCE频域上大小为6个子载波
•Stand-alone/Guard band模式下,使用所有OFDM符号
•In-Band模式下,SIB1配置的起始OFDM符号(LTE control region size)

•NPDCCH最大聚合等级: 2,AL=2的两个CCE位于相同子帧
•重复传输仅支持AL=2

下行传输过程-NPDCCH-DCI N1

下行传输过程-NPDCCH-DCI N2

下行传输过程-NPDCCH-PDCCH Order

定义三种搜索空间,
• UE-specific search space,USS
• Type1-NPDCCH common search space,CSS for Paging
• Type2-NPDCCH common search space,CSS for RAR

•仅在AL=2时,可以配置重复传输
•在无NPDCCH重复传输的情况下,任何子帧中,3种盲检候选集
•在NPDCCH重复传输的情况下,任何子帧中,4种盲检候选集
•盲检候选集 定义 {AL, #repetition, #blind decodes}

下行传输过程-NPDSCH

下行传输过程-NPDCCH与NPDSCH发送定时

根据NPDCCH和NPDSCH的最小调度单元来分配资源。当UE在第n个subframe 盲检NPDCCH后检测出有效DCI时,则在该DCI指示的第n+m帧处开始接收下行NPDSCH数据。
NPDCCH结束子帧与对应NPDSCH起始子帧之间存在一个定时。NPDCCH DCI指示NPDCCH的结束子帧与NPDSCH的起始子帧之间的时延。这个时延应不小于4ms(>=4ms)。
NPDCCH的结束子帧为n,NPDSCH开始子帧为n+5ms+k 0 (先间隔4ms,然后根据k 0 确定起始子帧位置),k 0 为有效子帧数。

下行传输过程-NPDCCH发送定时

对于同一UE:
•NPDCCH结束子帧与NPDSCH起始子帧之间,不能再次发送NPDCCH
•NPDCCH结束子帧与ACK-NPUSCH起始子帧之间,不能再次发送NPDCCH
•DL GAP期间,不能发送NPDCCH
•PDCCH order的NPDCCH结束子帧与NPRACH起始子帧之间,不能再次发送NPDCCH

下行传输过程-下行传输时序图

下行传输过程-DL GAP

在UE连接态,对于极限覆盖用户会采用重复次数很长的传输,其可能会对其他正常覆盖用户产生干扰。为了减少这种干扰,引入下行Gap机制,即:如果NPDCCH的Rmax大于等于X1,则NPDCCH和NPDSCH需要按照Gap图样传输,当NPDCCH/NPDSCH的传输时间与Gap配置相重合时在Gap期间停止下行发送,直到Gap之后的第一个有效子帧开始继续传输。Gap配置图样如图所示:

•Gap周期(起始位置的周期):2bit,{64, 128, 256, 512},表示绝对子帧数
•Gap Size:2bit,{1/8, 1/4, 3/8, 1/2} * Gap period,表示绝对子帧数,

下行传输过程-有效子帧

NB-IOT系统中的有效/无效子帧都是针对下行子帧来说的。下行无效子帧包括以下子帧:
• 针对系统中的所有UE,NB-IOT系统的PSS/SSS/MIB/SIB1所占用的子帧都是无效子帧
• 针对系统中的所有UE,在SIB1中广播为无效的子帧(如LTE系统的MBSFN子帧)都是无效子帧,不广播则都是有效子帧。SIB1中 以bitmap的形式广播小区中的无效子帧:
–in-band模式下,广播10ms或者40ms内的无效子帧配置
–standalone或者guard-band模式下广播10ms内的无效子帧配置
• 针对满足DL GAP传输的UE,在DL GAP SIZE期间的下行子帧都是无效子帧。
NB-IOT系统中的无效子帧,对于NPDCCH/NPDSCH和寻呼PO来说都是无效子帧。因此对于{PF,PO}:
• 使用现有的PO子帧图样;
• 如果基于{PF,PO}确定的子帧是有效子帧,则该子帧是Paging CSS的起始子帧;
• 如果基于{PF,PO}确定的子帧不是有效子帧,则位于该子帧之后的第一个有效子帧是PagingCSS的起始子帧。

NB-IoT上行同步

上行传输的一个重要特征是不同UE在时频上正交多址接入,即来自同一个小区的不同UE的上行传输之间互不干扰。为了保证上行传输的正交性,避免小区内(intra-cell)干扰,eNodeB要求来自同一子帧但不同频域资源的不同UE的信号到达eNodeB的时间基本上是对齐的。eNodeB只要在循环前缀(Cyclic Prefix)范围内接收到UE所发送的上行数据,就能够正确地解码上行数据,因此上行同步要求来自同一子帧的不同UE的信号到达eNodeB的时间都落在循环前缀范围之内。

NB-IOT的上行同步复用LTE的机制,eNB下发TA控制命令字来保证上行同步。与传统LTE系统相同,NB-IOT系统在随机接入的Msg2中下发TA命令字用于控制上行同
步,在RRC_connection状态通过TA MAC CE来调整上行同步。该机制与传统LTE系统相同。
协议中规定,下行TA MAC CE传输完成到上行NPUSCH应用该TAC命令字的时间间隔至少为12ms。

NB-IoT随机接入流程

  • 在Rel-13版本中,NB-IOT系统不支持切换和载波聚合,也不支持UE上报测量的定位, NB-IOT系统中需要使用随机接入过l程的场景
  • Rel-13版本中,全部采用基于竞争的随机接入方式

NB-IOT的基于竞争的随机接入流程与传统LTE流程一致,包含4步

基于竞争的随机接入Type1-MSG1

Msg1,是UE选择发送preamble码字的NPRACH时频资源,确定发射功率,
向eNB发送preamble码字。
在LTE系统的Msg1过程中,终端需要选择Preamble码字,并选择PRACH时频
物理来发送Preamble码。而在NB-IOT系统中,NPRACH仅通过时频资源进行
区分,不再支持码分。NB-IOT的NPRACH采用3.75K的子载波间隔,为single-
tone模式,并默认跳频。

NPRACH参数:

NPRACH资源选择:

在NB-IOT中,NPRACH配置相应的repetitions。NPRACH的repetitions支持{1, 2, 4, 8,16, 32,64, 128},eNB最多可以配置其中3个Repetition times,用来支持最多3种CELs(CEL编号为0、1、2,CEL0为最近的覆盖等级)。即NPRACH的时频资源是与CEL相关的。不同CEL的RSRP门限通过广播下发,终端根据RSRP门限来确定自己的CEL,从而选择相应的NPRACH资源发起随机接入。
NB-IOT系统的上行支持single-tone和multi-tone两种方式(即单频点和多频点),两种方
式的NPRACH资源不同,因此终端还需根据其是否支持multi-tone选择相应的NPRACH资源来发起随机接入。换言之,PRACH资源的选择结果就能反映该终端是否支持multi-tone。

RAR响应窗口:

. Preamble重复的最后子帧在加3子帧开始
. 随机接入响应窗口单位是PDCCH周期

RAR超时处理:
终端发送Msg1后没有收到自己的RAR响应消息,会再次在该CEL上发起随机接入。在该
CEL上发起的随机接入次数达到一定值后,终端将尝试在高一级CEL上发起随机接入。在
各个CEL上尝试的次数总数有门限控制。也就是说,同一CEL上发起的随机接入次数有以
上限,所有CELs上总的随机接入次数有一上限。
如果没有收到RAR或者该RAR与自己的NPRACH不相符,则重新发起的NPRACH与RAR结束之间的定时间隔应不小于12ms;
CRT超时处理:
如果Msg4的竞争解决失败,那么在该CEL上再次发起随机接入,在该CEL上可以尝试的最大随机接入次数为所有CELs总的随机接入次门限。如果UE位于CEL0,该CEL上的随机接入次数计数用于NPRACH的power ramping计算。

基于竞争的随机接入Type1-MSG2

eNB在收到Msg1后在特定的时间窗内发送RAR(Msg2)。发送窗大小与覆盖相
关,由SIB指示,大小为{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10}*PDCCH搜索空间周期的倍数,但最
大不能超过10.24s。发送窗的起始位置定义如下:
• PRACH结束后不需要插入UL GAP时,PRACH结束子帧与发送窗起始子帧之间应间隔3ms;
• 如果NPRACH传输完成后正好需要插入一个UP GAP,那么应该在UL GAP结束之后开始RAR窗。
NB-IOT的Msg2支持基于NPDCCH调度的RAR传输,NPDCCH由RA-RNTI加扰,在
type2 CSS中下发。在Msg2的调度DCI中指示Msg2的repetitions times。

Msg2的RAR内容包含:TA调整量,Temp C-RNTI,Msg3的UL grant(包括传输
initial Msg3的PUSCH的repetitions times)。
Msg2的RAR对应的RA-RNTI计算为:RA-RNTI=1+floor(SFN/4)(SFN是NPRACH
起始子帧所在的无线帧号)。MAC PDU中的RAPID指示NPRACH频域subcarrier
ID信息。一个Msg2中可以包含多个时间相同而频域不同的NPRACH的RAR相应结果,以提高接入能力。

Msg2的UL GRANT内容包含:
•上行子载波间隔:3.75KHz or 15KHz
•上行频域信息:同DCI N0中的UL grant
•MCS/TBS:TBS=88bit,用3 bit来表示MCS
– 000:pi/2 BPSK for ST and QPSK for MT, N_RU=4
– 001:pi/4 QPSK for ST and QPSK for MT, N_RU=3
– 010:pi/4 QPSK for ST and QPSK for MT, N_RU=1
– Others are reserved
•调度时延:k 0 取值范围为{12, 16, 32, 64}
•Msg3的重复次数:取值范围同DCI N0中的repetition number

基于竞争的随机接入Type1-MSG3

Msg3中携带CCCH信令和DVI/PHR,Msg3承载的PUSCH的扰码由Temp C-RNTI生
成。Msg3中携带CCCH根据场景不同而不同:
•初始接入:RRCConnectionRequest
•RRC重建:RRCConnectionReestablishmentRequest
•RRC恢复:RRCConnectionResumeRequest

Msg3资源:

终端收到Msg2后,在Msg2授权的NPUSCH资源上发送Msg3。Msg2消息传
输结束到Msg3消息传输开始的时间间隔需要>=12ms。NB-IOT的Msg3是可以支
持multi-tone或者single-tone传输的,UE通过选择的NPRACH Resource隐含指示
其是否支持multi-tone。但当NPRACH的重复次数为{32, 64, 128}时,Msg3不支
持multi-tone。
指示Msg3重传的NPDCCH的搜索空间与Msg2对应的NPDCCH的搜索空间相
同,即指示Msg3首次传输资源和Msg3重传资源的NPDCCH的搜索空间相同。
传输initial Msg3的PUSCH的repetitions times在MAC RAR(Msg2)的UL grant中指
示。Msg3重传的repetitions times在对应的NPDCCH DCI中指示。

Msg3内容:

不论是CP模式还是UP模式,Msg3的大小都是88bit。
Msg3会用4bit来上报Data volume(DVI,含义类似BSR),用于后续上行调度的
资源计算。Data volume包括用户数据(含SMS)、通过用户面或者控制面传输
的NAS信令。Msg3中还会用2bit来上报PHR。
Msg3可以包含RRC消息和MAC CE;在NB-IoT中msg3中的DVI/PHR(简称为DPR)
是MAC CE,但没有独立的LCID,msg3中的DPR和CCCH公共一个UL SCH LCID
(00000)。
Msg3重传的PDCCH使用Temp C-RNTI加扰,在Type2 CSS中下发。

基于竞争的随机接入Type1-MSG4

Msg4中包含CCCH信令和竞争解决MAC CE(UE Contention Resolution Identity
MAC Control Element)。Msg4包含的CCCH信令根据场景不同而不同:
•初始接入:RRCConnection
•RRC重建:RRCConnectionReestablishment
•RRC恢复:RRCConnectionResume

Msg4对应的NPDCCH 的搜索空间与Msg2对应的NPDCCH的搜索空间相同,都是
CSS搜索空间,其由Temp C-RNTI加扰。Msg4的调度 DCI中指示Msg4的
repetitions times。
Msg4中携带竞争解决ID(竞争解决ID为Msg3中CCCH SDU的前48 first)。UE在
发送Msg3之后即启动竞争解决定时器。竞争解决定时器大小由SIB指示,大小
为{1, 2, 3, 4, 8, 16, 32, 64}*PDCCH搜索空间周期,但最大不能超过10.24s。
如果竞争解决定时器超时,或者Msg4中的竞争解决ID不是自己的,那么竞争
解决失败。如果竞争解决成功,那么Temp C-RNTI成为C-RNTI。

基于竞争的随机接入Type2

基于竞争的随机接入过程,包括上行数据到达和PDCCH order触发的随机接入:
• 上行数据到达:随机接入过程由UE的MAC层发起。UE有上行业务需求而没有上行资源
时,通过带C-RINTI的随机接入过程来申请上行资源(Rel-13的NB-IOT系统不支持SR上
报)。
• PDCCH order触发:下行数据达到而上行失步时的随机接入过程,由eNB下发的PDCCH order发起。PDCCH order在UE的USS空间中下发。PDCCH order的DCI中指示了UE初始发起随机接入的覆盖等级、UE使用的subcarrier ID.

基于竞争的随机接入Type2-MSG0

Msg0仅针对PDCCH order发起的随机接入过程。eNB下发PDCCH order,可以指
示UE使用的NPRACH subcarrier ID,同时指示UE从PDCCH order指示的覆盖等级
开始发起随机接入。如果PDCCH order指示的subcarrier ID=0,即表示由UE随机
选择NPRACH子载波。

基于竞争的随机接入Type2-MSG1

对于上行数据达到的随机接入过程,UE的处理同Type类型的随机接入。
对于PDCCH order触发的随机接入过程,如果PDCCH order指示的subcarrier ID=0,则UE从
PDCCH order指定的覆盖等级开始,按照Type1的方式选择PRACH资源发送preamble码字;
如果PDCCH order指示的subcarrier ID不为0,则UE从PDCCH order指定的覆盖等级开始,
在所在覆盖等级上根据nprach-SubcarrierOffset + (ra-PreambleIndex modulo nprach-
NumSubcarriers)确定NPRACH的子载波来发送preamble码字,其中,nprach-
SubcarrierOffset为所在覆盖等级的NPRACH资源起始子载波,ra-PreambleIndex为PDCCH
order指示的subcarrier ID,nprach-NumSubcarriers为所在覆盖等级的NPRACH子载波个数。
PDCCH order触发的随机接入过程中,Msg1开始与Msg0结束之间的定时间隔应不小于
8ms。

基于竞争的随机接入Type2-MSG2

Type2类型的随机接入MSG2与Type1类型相同

基于竞争的随机接入Type2-MSG3

UE在Msg3中携带含已经分配的C-RNTI的MAC CE,剩余资源可用于上行数据传输、上报
shortBSR(如果有BSR)。Msg3重传的PDCCH使用Temp C-RNTI加扰,在Type2 CSS中下发。

基于竞争的随机接入Type2-竞争解决

Msg3之后即可用于正常的数据调度。其PDCCH用Msg3中的C-RNTI加扰,在Type2 CSS空间中下发,可调度上行(上行数据到达)或者调度下行(PDCCH order触发)。UE收到C-
RNTI加扰的PDCCH,即认为竞争解决,此后继续使用C-RNTI,丢弃Msg2中分配的Temp C-RNTI。
竞争解决后,转入USS空间下发PDCCH。

NB-IoT小区搜索过程

小区搜索的主要目的:
•与小区取得频率和符号同步(下行同步)
•获取系统帧定时
•确定小区的PCI

UE不仅需要在开机时进行小区搜索,为了支持移动性,UE会不停地搜索邻居小区、取得同步并估计该小区信号的接收质量,从而决定是否进行小区重选(NIoT不支持切换)。
小区搜索过程见协议36.213。

NPSS & NSSS

NPSS占用每一帧的子帧5;NSSS占用偶数帧的子帧9;
In-band 模式下 NB-IoT PSS/SSS根据LTE天线端口数来避开LTE CRS
Stand-alone 和Guard band模式下无需避开LTE CRS

NRS

1.NRS用于物理下行信道解调,RSRP/RSRQ测量。
2.支持1或者2天线端口,映射到Slot的最后两个OFDM符号
3.#0,#4,#9(非NSSS)以及其它需要解调信道(PBCH/SIB1-NBPDSCH/NPDSCH/NPDCCH的子帧

PBCCH

NB-IoT关键技术与特点

拥塞和过载控制
在Rel11采用ACB(Access Class Barring,接入等级限制)与EAB(Extended Access
Barring,扩展型接入限制)相结合的双层控制机制来应对突发海量接入拥塞问题,终端从系统广播信息之中获取接入等级限制信息,并结合自身的接入等级来决定是否发起随机接入,同时网络可以根据当前的拥塞状况拒绝或允许终端接入。

终端简化方案
为了降低设备复杂性和减小设备成本,NB-IoT定义了一系列的简化方案,主要包括:

  1. 简化协议栈、简化RF;
  2. 简化基带处理复杂度,相对于普通LTE,基带复杂度降低10%,射频降低约65%。

PSM省电模式
新增的“节电”状态 。在此模式下,终端仍旧注册在网但信令不可达,从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的 。

如果周期性TAU为10分钟,设备每周上传一次数据,这样,两节5号电池可以用132月(11年)之久。

扩展的不连续接收(DRX)
空闲模式不连续接收周期由秒级扩展到分钟级或高达3小时,连接模式不连续接收周期支持5.12秒和10.24秒;
相对于节电模式,大幅度提升下行可达性。

增强覆盖

高发射功率谱密度
– 载波频宽:200KHz,除去保护带后有效频宽180KHz,相当于LTE系统的1个RB
– 下行子载波间隔15KHz,与现有LTE系统兼容
– 上行支持两种子载波间隔:15KHz和3.75KHz
上行15KHz间隔子载波支持多个捆绑在一起工作,称为Multi-tone,也可以按单个子载波工作,即Single tone;上行3.75KHz间隔子载波不支持多个捆绑,只支持Single tone.

-下行
Stand alone 模式:43dBm/180KHz,功率谱密度比LTE(10MHz频宽)增强17dB;
In band 模式:35dBm/180KHz,功率谱密度比LTE(10MHz频宽)增强9dB。
-上行
23dBm/15KHz Single tone,功率谱密度比LTE增强10.8dB;23dBm/3.75KHz,功率谱密度比LTE增强16.8dB。

支持重传(Repetition)
– 更多重传次数带来HARQ增益,以更低速率换取覆盖增益;
-下行最大重传次数为2048、上行最大重传次数为128。

控制面优化
1.通过NAS消息传送数据包,减少终端、无线和网络信令;
2.两种转发机制:
1) UE—MME—SCEF—CIoT Services ;
2) UE—MME—SGW/PGW —CIoT Services

UE<->PGW用户面协议栈
– IP/Non-IP traffic is encapsulated in SRB/NAS PDU;
– SRB1 for data, no DRB;
– IP header compression is performed in UE/C-SGN(MME);

终端不需要支持IP协议栈,数据无IP头封装,传输效率更高
A PDN Type “Non-IP” is used for Non-IP data, the UE indicates in the Attach procedure that Non-IP
PDN type shall be used. The Non-IP data delivery to SCS/AS is accomplished by one of two mechanisms:
– Delivery using SCEF;
– Delivery using a Point-to-Point (PtP) SGi tunnel.

用户面优化
1 NB IOT 在UP模式,为减少空口信令交互引入了Suspend/Resume流程;
2 eNB保存UE AS上下文信息,UE从RRC连接状态转为Idle状态,终端在Idle(Suspend)状态下,需要传输数据时,可以直接通过Resume流程,直接建立RRC连接,节省空口加密,承载建立等信令消息和流程。