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。

 

NB IOT技术特点

海量连接
NB-IoT一个小区能够支持5万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功
耗和优化的网络架构;
深度覆盖
NB-IoT比LTE提升20dB增益,相当于发射功率提升了100倍,即覆盖能力提升了100倍,
就算在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也能覆盖到;
超低功耗
NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用,因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小,NB-IoT终端
模块的待机时间可长达10年;
低成本
低速率低功耗低带宽带来的是低成本优势,模块成本有望降至5美元之内。

NB-IoT多载波操作

支持In-band+In-band/In-band+Guard band/Stand alone+Stand alone载波组合;不支持Standalone+In-band,Stand alone+Guard band载波组合。NPSS/NSSS/NPBCH/SIB-NB只在Anchor carrier发送,No-anchor carrier仅在连接状态会被配置,空闲状态下UE会返回到Anchor carrier;NB-IOT UE可以在Anchor carrier和No-anchor carrier上传输,但不支持同时在Anchor carrier和No-anchor carrier收发数据。

  • In-band::带内部署
  • Guard band:保护带部署
  • Stand alone:独立部署
nb-iot多载波操作

nb-iot多载波操作

LTE小区搜索过程

本文介绍小区搜索过程。主要涉及PSS/SSS,以及UE通过PSS/SSS能够得到哪些有用的信息。

UE要接入LTE网络,必须经过小区搜索、获取小区系统信息、随机接入等过程。

小区搜索的主要目的:1)与小区取得频率和符号同步;2)获取系统帧timing,即下行帧的起始位置;3)确定小区的PCI(Physical-layer Cell Identity)。

UE不仅需要在开机时进行小区搜索,为了支持移动性(mobility),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,从而决定是否进行切换(handover,当UE处于RRC_CONNECTED态)或小区重选(cell re-selection,当UE处于RRC_IDLE态)。

LTE一共定义了504个不同的PCI(对应协议36.211中的LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure),取值范围0 ~ 503),且每个PCI对应一个特定的下行参考信号序列。所有PCI的集合被分成168个组(对应协议36.211中的LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure),取值范围0 ~ 167),每组包含3个小区ID(对应协议36.211中的LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure),取值范围0 ~ 2)。即有

LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)

      为了支持小区搜索,LTE定义了2个下行同步信号:PSSPrimary  Synchronization Signal,主同步信号)和SSSSecondary  Synchronization  Signal,辅同步信号)。

     对于TDDFDD而言,这2类同步信号的结构是完全一样的,但在帧中时域位置有所不同。

·      对于FDD而言,PSS在子帧05的第一个slot的最后一个symbol中发送;SSSPSS在同一子帧同一slot发送,但SSS位于倒数第二个symbol中,比PSS提前一个symbol

·      对于TDD而言,PSS在子帧16(即DwPTS)的第三个symbol中发送;而SSS在子帧05的最后一个symbol中发送,比PSS提前3symbol

LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)

1FDDTDD中,PSS/SSS的时域位置

      UE开机时并不知道系统带宽的大小,但它知道自己支持的频带和带宽(见36.101)。为了使UE能够尽快检测到系统的频率和符号同步信息,无论系统带宽大小,PSSSSS都位于中心的72个子载波上(即中心的6RB上,不包含DC。实际只使用了频率中心DC周围的62个子载波,两边各留了5个子载波用作保护波段)。UE会在其支持的LTE频率的中心频点附近去尝试接收PSSSSS

     关于PSS/SSS在时频上的位置,详见36.2116.11.1.2节和6.11.2.2节。公式比较简单,这里就不做介绍了。

     PSS使用长度为63Zadoff-Chu序列(中间有DC子载波,所以实际上传输的长度为62),加上边界额外预留的用作保护频段的5个子载波,形成了占据中心72个子载波(不包含DC)的PSS

LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)

2PSS的结构

      PSS3个取值,对应三种不同的Zadoff-Chu序列,每种序列对应一个LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)。某个小区的PSS对应的序列由该小区的PCI决定,即LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure) % 3。从36.2116.11.1.1可以看出,不同的LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)对应不同的Root index u,进而决定了不同Zadoff-Chu序列(见图3)。

LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)

3LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)Root index u的对应关系(36.211Table 6.11.1.1-1 

     UE为了接收PSS,会使用36.211Table 6.11.1.1-1指定的Root index u来尝试解码PSS,直到其中某个Root index u成功解出PSS为止。这样,UE就知道了该小区的LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)。又由于PSS在时域上的位置是固定的(见图1),因此UE又可以得到该小区的5 ms timing(一个系统帧内有两个PSS,且这两个PSS的相同的,因此UE不知道解出的PSS是第一个还是第二个,所以只能得到5 ms timing)。

     综上所述,通过PSSUE可以得到如下信息

 ·        LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)

 ·        5 ms timing

     PSS类似,SSS也使用长度为63Zadoff-Chu序列(中间有DC子载波,所以实际上传输的长度为62),加上边界额外预留的用作保护频段的5个子载波,形成了占据中心72个子载波(不包含DC)的SSS。且从图1可以看出,无论是FDD还是TDDSSS都在子帧05上传输。

     LTE中,SSS的设计有其特别之处:

·     2SSSLTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)位于子帧0LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)位于子帧5)的值来源于168个可选值的集合,对应168个不同LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)(见36.211Table 6.11.2.1-1LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure) LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure) / 3

·    LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)的取值范围与LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)是不同的,因此允许UE只接收一个SSS就检测出系统帧10 mstiming(即子帧0所在的位置)。这样做的原因在于,小区搜索过程中,UE会搜索多个小区,搜索的时间窗可能不足以让UE检测超过一个SSS

    

     SSS的结构如图4LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)是由2个长度为31 m-sequence XY交织而成的,每个都可以取31个不同的值(实际上是同一m-sequence31种不同的偏移,对应36.211Table 6.11.2.1-1LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure))。在同一个小区中,LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)使用相同的2m-sequence,不同的是,在LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)中,这2sequenceXY)在频域上交换了一下位置,从而保证了LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)属于不同的集合。(36.2116.11.2.1中计算 d(2n)d(2n+1)的那个公式,可以很好地说明LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)的不同。对于LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)而言,偶数位偏移LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)位,奇数位偏移LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)位;对于LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)而言,偶数位偏移LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)位,奇数位偏移LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)位。而从Table 6.11.2.1-1可以看出,(LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure))组成一个取值,且LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)一定小于LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure),因此,LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)的取值范围必定不同

LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)

4SSS的结构

 

     下面介绍UE是如何解码SSS的。

     步骤一UE知道PSS后,就知道了SSS可能的位置。为什么说是可能呢?

     首先,UE在检测到SSS之前,还不知道该小区是工作在FDD还是TDD模式下。如果UE同时支持FDDTDD,则会在2个可能的位置上(见图1)去尝试解码SSS。如果在PSS的前一个symbol上检测到SSS,则小区工作在FDD模式下;如果在PSS的前3symbol上检测到SSS,则小区工作在TDD模式下。如果UE只支持FDDTDD,则只会在相应的位置上去检测SSS,如果检测不到,则认为不能接入该小区。(通过检测SSSUE知道小区是工作在FDD模式还是TDD模式下)

     其次,SSS的确切位置还和CPCyclic Prefix)的长度有关(如图5、图6所示)。在此阶段,UE还不知道小区的CP配置(Normal CP还是Extended CP),因此会在这两个可能的位置去盲检SSS。(通过检测SSSUE知道小区的CP配置)

LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)

5FDD模式下,PSS/SSS的帧和slot在时域上的结构

 

LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)

6TDD模式下,PSS/SSS的帧和slot在时域上的结构

 

     步骤二UE会在SSS可能出现的位置(如果UE同时支持FDDTDD,则至多有4个位置),根据36.2116.11.2.1节里的公式、Table 6.11.2.1-1中可能出现的168种取值、以及XY交织的顺序(以便确定是LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)还是LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)其实都能体现在公式里)等,盲检SSS

     如果成功解码出SSS(当然也知道了该SSSLTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)还是LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)),就确定了168种取值之一(Table 6.11.2.1-1中的LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)),也就确定了LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)。确定了SSSLTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)还是LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure),也就确定了该SSS是位于子帧0还是子帧5,进而也就确定了该系统帧中子帧0所在的位置,即10 ms timing

     综上所述,通过SSSUE可以得到如下信息

·     LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure),加上检测PSS时得到的LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure),也就得到了小区的PCI

·     由于cell-specific RS及其时频位置与PCI是一一对应的,因此也就知道了该小区的下行cell-specific RS及其时频位置;

·     10 ms timing,即系统帧中子帧0所在的位置(此时还不知道系统帧号,需要进一步解码PBCH);

·     小区是工作在FDD还是TDD模式下;

·     CP配置:是Normal CP还是Extended CP

     在多天线传输的情况下,同一子帧内,PSSSSS总是在相同的天线端口上发射,而在不同的子帧上,则可以利用多天线增益,在不同的天线端口上发射。

     如果是初始同步(此时UE还没有驻留或连接到一个LTE小区),在检测完同步信号之后,UE会解码PBCH,以获取最重要的系统信息。

     如果是识别邻居小区,UE并不需要解码PBCH,而只需要基于最新检测到的小区参考信号来测量下行信号质量水平,以决定是进行小区重选(UE处于RRC_IDLE态)还是handoverUE处于RRC_CONNECTED态。此时UE会通过RSRP将这些测量结果上报给服务小区,决定是否进行handover)。

LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)

7:小区搜索过程的每一阶段所获取到的信息

 

      36.211Table 6.12-1定义了下行子帧中的每个slot的每个symbol使用的CP长度。可以看出,对于Normal CPExtended CP而言,每个slot中每个symbol对应的CP长度是固定的,因此在LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)的情况下,相对于PSS,只有两个可能的位置存在SSS,一个对应Normal CP,一个对应Extended CP

      LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)是针对MBSFN-based multicast/broadcast transmission而提出的,这里可以不做考虑,详细说明可参见[2]9.1节。

LTE:小区搜索过程(cell <wbr>search <wbr>procedure)

 

【参考资料】

[1]       TS 36.2116.11         Synchronization signals

[2]      4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband》的14.1

[3]      LTE – The UMTS Long Term Evolution, 2nd Edition》的第7

[4]      LTE中的小区搜索过程

[5]      LTE小区搜索过程学习总结

[6]    3GPP TDocs :《R1-060516——— TDD模式下,初始同步过程中的小区搜索过程