通常，我們把物聯網設備分為三類：

　　①無需移動性，大數據量（上行），需較寬頻段，比如城市監控攝像頭。

　　②移動性強，需執行頻繁切換，小數據量，比如車隊追蹤管理。

　　③無需移動性，小數據量，對時延不敏感，比如智能抄表。

　　NB-IoT正是為了應對第③種物聯網設備而生。

　　NB-IoT源起于現階段物聯網的以下幾大需求：

　　

　　?覆蓋增強（增強20dB）

　　?支持大規模連接，100K終端/200KHz小區

　　?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。

　　?確保整個系統的安全性，包括核心網。

　　?支持IP和非IP數據傳送。

　　?支持短信（可選部署）。

　　對于現有LTE網絡，并不能完全滿足以上需求。即使是LTE-A，關注的主要是載波聚合、雙連接和D2D等功能，并沒有考慮物聯網。

　　比如，在覆蓋上，以水表為例，所處位置無線環境差，與智能手機相比，高度差導致信號差4dB，同時再蓋上蓋子，額外增加約10dB左右損耗，所以需要增強20dB。

　　在大規模連接上，物聯網設備太多，如果用現有的LTE網絡去連接這些海量設備，會導致網絡過載，即使傳送的數據量小，可信令流量也夠得喝上幾壺。

　　此外，NB-IoT有自己的特點，比如不再有QoS的概念，因為現階段的NB-IoT并不打算傳送時延敏感的數據包，像實時IMS一類的設備，在NB-IoT網絡里不會出現。

　　因此，3GPP另辟蹊徑，在Release 13制定了NB-IoT標準來應對現階段的物聯網需求，在終端支持上也多了一個與NB-IoT對應的終端等級——cat-NB1。

　　盡管NB-IoT和LTE緊密相關，且可集成于現有的LTE系統之上，很多地方是在LTE基礎上專為物聯網而優化設計，但從技術角度看，NB-IoT卻是獨立的新空口技術。

　　今天，我們就來看看這一新空口技術到底有多新？

　　1 網絡

　　1.1 核心網

　　為了將物聯網數據發送給應用，蜂窩物聯網（CIoT）在EPS定義了兩種優化方案：

　　?CIoT EPS用戶面功能優化（User Plane CIoT EPS optimisation）

　　?CIoT EPS控制面功能優化（Control Plane CIoT EPS optimisation）

　　如上圖所示，紅線表示CIoT EPS控制面功能優化方案，藍線表示CIoT EPS用戶面功能優化方案。

　　對于CIoT EPS控制面功能優化，上行數據從eNB（CIoT RAN）傳送至MME，在這里傳輸路徑分為兩個分支：或者通過SGW傳送到PGW再傳送到應用服務器，或者通過SCEF（Service Capa- bility Exposure Function）連接到應用服務器（CIoT Services），后者僅支持非IP數據傳送。下行數據傳送路徑一樣，只是方向相反。

　　這一方案無需建立數據無線承載，數據包直接在信令無線承載上發送。因此，這一方案極適合非頻發的小數據包傳送。

　　SCEF是專門為NB-IoT設計而新引入的，它用于在控制面上傳送非IP數據包，并為鑒權等網絡服務提供了一個抽象的接口。

　　對于CIoT EPS用戶面功能優化，物聯網數據傳送方式和傳統數據流量一樣，在無線承載上發送數據，由SGW傳送到PGW再到應用服務器。因此，這種方案在建立連接時會產生額外開銷，不過，它的優勢是數據包序列傳送更快。

　　這一方案支持IP數據和非IP數據傳送。

　　1.2 接入網

　　NB-IoT的接入網構架與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消息和數據。盡管NB-IoT沒有定義切換，但在兩個eNB之間依然有X2接口，X2接口使能UE在進入空閑狀態后，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幀結構中一個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的保護間隔。

　　

　　2）保護帶部署（Guard band operation）

　　利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊。

　　3）帶內部署（In-band operation）

　　利用LTE載波中間的任何資源塊。

　　CE Level

　　CE Level，即覆蓋增強等級（Coverage Enhancement Level）。從0到2，CE Level共三個等級，分別對應可對抗144dB、154dB、164dB的信號衰減?；九cNB-IoT終端之間會根據其所在的CE Level來選擇相對應的信息重發次數。

　　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不會同時處理接收和發送。

　　半雙工設計意味著只需多一個切換器去改變發送和接收模式，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在發送上行信號時，其前面一個子幀的下行信號中最后一個Symbol不接收，用來作為保護時隙（Guard Period, GP），而在type B下，UE在發送上行信號時，其前面的子幀和后面的子幀都不接收下行信號，使得保護時隙加長，這對于設備的要求降低，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。

　　下圖是NB-IoT傳輸信道和物理信道之間的映射關系。

　　MIB消息在NPBCH中傳輸，其余信令消息和數據在NPDSCH上傳輸，NPDCCH負責控制UE和eNB間的數據傳輸。

　　NB-IoT下行調制方式為QPSK。NB-IoT下行最多支持兩個天線端口（Antenna Port），AP0和AP1。

　　和LTE一樣，NB-IoT也有PCI（Physical Cell ID，物理小區標識），稱為NCellID（Narrowband physical cell ID），一共定義了504個NCellID。

　　幀和時隙結構

　　和LTE循環前綴（Normal CP）物理資源塊一樣，在頻域上由12個子載波（每個子載波寬度為15KHz）組成，在時域上由7個OFDM符號組成0.5ms的時隙，這樣保證了和LTE的相容性，對于帶內部署方式至關重要。

　　每個時隙0.5ms，2個時隙就組成了一個子幀（SF），10個子幀組成一個無線幀（RF）。

　　這就是NB-IoT的幀結構，依然和LTE一樣。

　　NRS（窄帶參考信號）

　　NRS（窄帶參考信號），也稱為導頻信號，主要作用是下行信道質量測量估計，用于UE端的相干檢測和解調。在用于廣播和下行專用信道時，所有下行子幀都要傳輸NRS，無論有無數據傳送。

　　NB-IoT下行最多支持兩個天線端口，NRS只能在一個天線端口或兩個天線端口上傳輸，資源的位置在時間上與LTE的CRS（Cell-Specific Reference Signal，小區特定參考信號）錯開，在頻率上則與之相同，這樣在帶內部署（In-Band Operation）時，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中不攜帶任何小區信息，NSSS帶有PCI。NPSS與NSSS在資源位置上避開了LTE的控制區域，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在小區搜索時，會先檢測NPSS，因此NPSS的設計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列，這降低了初步信號檢測和同步的復雜性。

　　NBPBCH

　　NBPBCH的TTI為640ms，承載MIB-NB（Narrowband Master Information Block），其余系統信息如SIB1-NB等承載于NPDSCH中。SIB1-NB為周期性出現，其余系統信息則由SIB1-NB中所帶的排程信息做排程。

　　和LTE一樣，NB-PBCH端口數通過CRC mask識別，區別是NB-IOT最多只支持2端口。NB-IOT在解調MIB信息過程中確定小區天線端口數。

　　在三種operation mode下，NB-PBCH均不使用前3個OFDM符號。In-band模式下NBPBCH假定存在4個LTE CRS端口，2個NRS端口進行速率匹配。

▲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），包含一個或多個UE上的資源分配和其他的控制信息。UE需要首先解調NPDCCH中的DCI，然后才能夠在相應的資源位置上解調屬于UE自己的NPDSCH（包括廣播消息，尋呼，UE的數據等）。NPDCCH包含了UL grant，以指示UE上行數據傳輸時所使用的資源。

　　NPDCCH子幀設計如下圖所示：

▲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，起始位置統一為0。

　　NPDCCH有別于LTE系統中的PDCCH的是，并非每個Subframe都有NPDCCH，而是周期性出現。NPDCCH有三種搜索空間(Search Space)，分別用于排程一般數據傳輸、Random Access相關信息傳輸，以及尋呼(Paging)信息傳輸。

　　各個Search Space有無線資源控制(RRC)配置相對應的最大重復次數Rmax，其Search Space的出現周期大小即為相應的Rmax與RRC層配置的一參數的乘積。

　　RRC層也可配置一偏移(Offset)以調整Search Space的開始時間。在大部分的搜索空間配置中，所占用的資源大小為一PRB，僅有少數配置為占用6個Subcarrier。

　　一個DCI中會帶有該DCI的重傳次數，以及DCI傳送結束后至其所排程的NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時間，NB-IoT UE即可使用此DCI所在的Search Space的開始時間，來推算DCI的結束時間以及排程的數據的開始時間，以進行數據的傳送或接收。

　　NPDSCH

　　NPDSCH的子幀結構和NPDCCH一樣。

　　NPDSCH是用來傳送下行數據以及系統信息，NPDSCH所占用的帶寬是一整個PRB大小。一個傳輸塊（Transport Block, TB）依據所使用的調制與編碼策略(MCS)，可能需要使用多于一個子幀來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個TB對應的子幀數目以及重傳次數指示。

　　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，窄帶物理隨機接入信道。

　　還有：

　　1）DMRS，上行解調參考信號。

　　NB-IoT上行傳輸信道和物理信道之間的映射關系如下圖：

　　除了NPRACH，所有數據都通過NPUSCH傳輸。

　　時隙結構

　　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個子載波。

　　當采用15KHz子載波間隔時，資源分配和LTE一樣。當采用3.75KHz的子載波間隔時，如下圖所示：

　　15KHz為3.75KHz的整數倍，所以對LTE系統干擾較小。由于下行的幀結構與LTE相同，為了使上行與下行相容，子載波空間為3.75KHz的幀結構中，一個時隙同樣包含7個Symbol，共2ms長，剛好是LTE時隙長度的4倍。

　　此外，NB-IoT系統中的采樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz，子載波間隔為3.75KHz的幀結構中，一個Symbol的時間長度為512Ts(Sampling Duration)，加上循環前綴(Cyclic Prefix, CP)長16Ts，共528Ts。因此，一個時隙包含7個Symbol再加上保護區間(Guard Period)共3840Ts，即2ms長。

　　NPUSCH

　　NPUSCH用來傳送上行數據以及上行控制信息。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上的上行信道數據而設計，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系統中的資源分配的基本單位為子幀，NB-IoT根據子載波和時隙數目來作為資源分配的基本單位，如下表所示：

　　對于NPUSCH format 1，

　　當子載波空間為3.75 kHz時，只支持單頻傳輸，一個RU在頻域上包含1個子載波，在時域上包含16個時隙，所以，一個RU的長度為32ms。

　　當子載波空間為15kHz時，支持單頻傳輸和多頻傳輸，一個RU包含1個子載波和16個時隙，長度為8ms；當一個RU包含12個子載波時，則有2個時隙的時間長度，即1ms，此資源單位剛好是LTE系統中的一個子幀。資源單位的時間長度設計為2的冪次方，是為了更有效的運用資源，避免產生資源空隙而造成資源浪費。

　　對于NPUSCH format 2，

　　RU總是由1個子載波和4個時隙組成，所以，當子載波空間為3.75 kHz時，一個RU時長為8ms；當子載波空間為15kHz時，一個RU時長為2ms。

　　對于NPUSCH format 2，調制方式為BPSK。

　　對于NPUSCH format 1，調制方式分為以下兩種情況：

　　●包含一個子載波的RU，采用BPSK和QPSK。

　　●其它情況下，采用QPSK。

　　由于一個TB可能需要使用多個資源單位來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了指示上行數據傳輸所使用的資源單位的子載波的索引（Index），也會包含一個TB對應的資源單位數目以及重傳次數指示。

　　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)是在由對應的NPDSCH的下行分配(Downlink Assignment)中指示，重傳次數則由RRC參數配置。

　　DMRS

　　根據NPUSCH格式，DMRS每時隙傳輸1個或者3個SC-FDMA符號。

▲NPUSCH format 1。上圖中，對于子載波空間為15 kHz ，一個RU占用了6個子載波。

▲NPUSCH format 2，此格式下，RU通常只占一個子載波。

　　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Symbol Group，一個Symbol Group是5個Symbol加上一CP，如下圖：

▲Radom Access Preamble Symbol Group

　　每個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。

　　基站會根據各個CE Level去配置相應的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 小區接入

　　NB-IoT的小區接入流程和LTE差不多：小區搜索取得頻率和符號同步、獲取SIB信息、啟動隨機接入流程建立RRC連接。當終端返回RRC_IDLE狀態，當需要進行數據發送或收到尋呼時，也會再次啟動隨機接入流程。

　　3.1 協議棧和信令承載

　　總的來說，NB-IoT協議?；贚TE設計，但是根據物聯網的需求，去掉了一些不必要的功能，減少了協議棧處理流程的開銷。因此，從協議棧的角度看，NB-IoT是新的空口協議。