本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband  Internet of Things Whitepaper。本文僅限于個人學(xué)習(xí)，研究，交流，不得用于其他商業(yè)用途！

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摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經(jīng)指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）。 NB-IoT針對機(jī)器類型流量進(jìn)行了優(yōu)化。 它保持盡可能簡單，以降低設(shè)備成本并最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用于在困難的無線電條件下工作，這是某些機(jī)器類型通信設(shè)備的頻繁操作區(qū)域。 盡管NBIoT是一個獨(dú)立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當(dāng)前LTE規(guī)范的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術(shù)，重點(diǎn)是與LTE的緊密連接。

目 錄

1    簡介
2    物理層
3    小區(qū)訪問
4    數(shù)據(jù)傳輸
5    摘要和展望
6    參考文獻(xiàn)

1    簡介

機(jī)器類型通信（MTC）的一個特征是廣泛的功能。 例如，監(jiān)控攝像機(jī)必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數(shù)據(jù)，而用于車隊(duì)跟蹤的設(shè)備在執(zhí)行大量切換時具有少量數(shù)據(jù)。

另一類設(shè)備既沒有這些功能。 例如，用于抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優(yōu)化的切換。 通常只傳輸少量數(shù)據(jù)，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，這些MTC設(shè)備的數(shù)量可能變得非常大，甚至達(dá)到幾個數(shù)量級。 使用現(xiàn)有的LTE技術(shù)會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過載，因?yàn)楸M管用戶數(shù)據(jù)量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規(guī)范集中在這類設(shè)備上。

這些設(shè)備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運(yùn)行，更換電池可能非常昂貴，因?yàn)樗鼈冎荒苡山?jīng)過培訓(xùn)的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設(shè)備的壽命。 因此，優(yōu)化的功耗對于正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內(nèi)覆蓋范圍，認(rèn)為必要時高達(dá)23 dB。

由于需要大量的設(shè)備，因此必須處于低成本范圍內(nèi)。 作為目標(biāo)，每個模塊的價格范圍應(yīng)小于5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項(xiàng)目。 除了上述功能之外，主要要求是與現(xiàn)有GSM，UMTS和LTE系統(tǒng)以及用于這些技術(shù)的硬件共存。

已經(jīng)從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中后者基于GSM標(biāo)準(zhǔn)。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設(shè)備類別cat-M1的推出，它繼續(xù)在第12版中進(jìn)行的優(yōu)化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標(biāo)準(zhǔn)中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向后兼容。通過指定從現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或其附近使用的時間和頻率資源來實(shí)現(xiàn)共存。

白皮書的結(jié)構(gòu)如下：我們首先概述更具體的要求和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并提供物理層的詳細(xì)信息。在描述了對單元的訪問之后，我們展示了如何通過空中接口傳輸數(shù)據(jù)包。最后，給出了該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的展望。

2    概 述

2.1    要求
根據(jù)前一章提到的一般MTC要求，推導(dǎo)出以下NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)特定要求：
●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口
●對整個系統(tǒng)（包括核心網(wǎng)絡(luò)）的適當(dāng)安全性
●延長電池壽命
●支持IP和非IP數(shù)據(jù)的傳送[2,3]
●支持SMS作為部署選項(xiàng)[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處于連接狀態(tài)的UE缺少切換。 僅支持空閑狀態(tài)下的小區(qū)重選，甚至限制在NB-IoT技術(shù)內(nèi)。 由于沒有與其他無線電技術(shù)的交互，因此也不支持相關(guān)的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用于設(shè)備內(nèi)共存的干擾避免，以及用于監(jiān)控信道質(zhì)量的測量。

大多數(shù)LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運(yùn)營商聚合，雙連接或設(shè)備到設(shè)備服務(wù)。 此外，沒有QoS概念，因?yàn)镹B-IoT不用于延遲敏感數(shù)據(jù)包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務(wù)，例如實(shí)時IMS。 根據(jù)這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應(yīng)用創(chuàng)建一個空中接口，用于小型非延遲敏感數(shù)據(jù)包的空中接口被分開并單獨(dú)優(yōu)化。 支持處理NB-IoT技術(shù)的UE用新的UE類別cat-NB1標(biāo)記。

2.2    網(wǎng)絡(luò)
2.2.1    核心網(wǎng)
為了向應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)，定義了演進(jìn)分組系統(tǒng)（EPS）中的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（CIoT）的兩種優(yōu)化，用戶平面CIoT EPS優(yōu)化和控制平面CIoT EPS優(yōu)化，見圖2-1。 可以使用兩種優(yōu)化，但不限于NB-IoT設(shè)備。

在控制平面CIoT EPS優(yōu)化上，UL數(shù)據(jù)從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那里，它們可以通過服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）傳輸?shù)椒纸M數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)（PGW），或者傳輸?shù)椒��?wù)能力暴露功能（SCEF），然而這只能用于非IP數(shù)據(jù)分組。從這些節(jié)點(diǎn)開始，它們最終被轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器（CIoT服務(wù)）。DL數(shù)據(jù)在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數(shù)據(jù)無線電承載，而是在信令無線電承載上發(fā)送數(shù)據(jù)分組。因此，該解決方案最適合于不頻繁和小數(shù)據(jù)分組的傳輸。

SCEF是專為機(jī)器類型數(shù)據(jù)設(shè)計的新節(jié)點(diǎn)。它用于通過控制平面?zhèn)魉头?/span>IP數(shù)據(jù)，并為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供抽象接口（身份驗(yàn)證和授權(quán)，發(fā)現(xiàn)和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優(yōu)化，數(shù)據(jù)以與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸?shù)綉?yīng)用服務(wù)器。因此，它在構(gòu)建連接時產(chǎn)生一些開銷，但是它有助于發(fā)送一系列數(shù)據(jù)包。此路徑支持IP和非IP數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.2    接入網(wǎng)
在整體接入網(wǎng)架構(gòu)上，LTE沒有區(qū)別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區(qū)別在于攜帶NB-IoT消息和數(shù)據(jù)分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進(jìn)入空閑狀態(tài)后能夠快速恢復(fù)，有關(guān)詳細(xì)信息，請參見第4.5.1節(jié)“RRC連接建立”， 即使是恢復(fù)過程是另一個eNB的情況。

2.3    頻段
對于頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數(shù)頻率都在現(xiàn)有LTE頻段的較低范圍內(nèi)。 這反映出對于機(jī)器類型的通信，在困難的無線電條件下預(yù)期有許多設(shè)備。

3    物理層

3.1    操作模式
NB-IoT技術(shù)占用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應(yīng)于LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：
●獨(dú)立操作。 可能的情況是利用當(dāng)前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側(cè)仍然保留10 kHz的保護(hù)間隔
●保護(hù)頻帶操作，利用LTE載波保護(hù)頻帶內(nèi)未使用

的資源塊
●利用LTE載波內(nèi)的資源塊的帶內(nèi)操作

這些模式在下圖中可視化：

對于獨(dú)立操作，圖中右側(cè)的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當(dāng)然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內(nèi)操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，并非所有頻率（即，LTE載波內(nèi)的資源塊）都被允許用于小區(qū)連接。 它們僅限于以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內(nèi)操作。 當(dāng)為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統(tǒng)使用的資源之間的沖突，例如小區(qū)特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內(nèi)部資源塊反映在表3-1中，因?yàn)檫@些是為LTE中的同步信號分配的。

對于保護(hù)頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護(hù)頻帶中。

 為了應(yīng)對不同的無線電條件，可能有多達(dá)3個覆蓋增強(qiáng)（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應(yīng)于正常覆蓋，CE級別2對應(yīng)于最壞情況，其中覆蓋范圍可能會被認(rèn)為是非常貧窮。它取決于網(wǎng)絡(luò)，定義了多少個CE級別。對于每個CE級，在小區(qū)中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重復(fù)多次。

對于版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，并且UE接收或發(fā)送，但不是同時接收或發(fā)送。另外，在從UL到DL的每個交換機(jī)之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護(hù)子幀（SF），其中UE有時間切換其發(fā)送器和接收器鏈。

3.2    下行鏈路
對于DL，三個物理信道
●NPBCH，窄帶物理廣播信道
  ●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道
●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號
●NRS，窄帶參考信號
●NPSS和NSSS，
定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因?yàn)镹B-IoT沒有MBMS服務(wù)。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩余的信令信息和數(shù)據(jù)通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數(shù)據(jù)傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調(diào)制的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進(jìn)行操作。 對于后一種情況，應(yīng)用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用于NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區(qū)具有指定的物理小區(qū)ID（PCI），即窄帶物理小區(qū)ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節(jié)“同步信號”。

3.2.1    框架和槽結(jié)構(gòu)
在DL中，使用具有正常循環(huán)前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應(yīng)用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式占用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網(wǎng)格[9]：

對于一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網(wǎng)格，這對于帶內(nèi)操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，并在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據(jù)調(diào)制方案的值的復(fù)數(shù)值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結(jié)為子幀和無線電幀：

有1024個循環(huán)重復(fù)的無線電幀，每個持續(xù)10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統(tǒng)幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統(tǒng)幀周期的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)，即，每當(dāng)系統(tǒng)幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數(shù)器，因此超幀周期跨越1024個系統(tǒng)幀周期，對應(yīng)于幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2    窄帶參考信號
窄帶參考信號（NRS）在所有可用于廣播或?qū)Ｓ肈L傳輸?shù)腟F中傳輸，無論數(shù)據(jù)是否實(shí)際傳輸，請參見第3.2.5節(jié)“專用信道”了解更多詳細(xì)信息。

根據(jù)傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創(chuàng)建類似于LTE中的CRS，其中NCellID用于PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率范圍內(nèi)由NCellID mod 6循環(huán)移位。 當(dāng)在兩個AP上發(fā)送NRS時，則在AP0上用于NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設(shè)置為零，反之亦然。

對于帶內(nèi)操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發(fā)送，用于不用于MBSFN的SF。利用NRS的結(jié)構(gòu)，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內(nèi)操作的一個重點(diǎn)是NcellID。它可以與用于嵌入LTE小區(qū)的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數(shù)指示，請參見第3.2.4節(jié)“窄帶物理廣播信道”，它區(qū)分帶內(nèi)操作與同一PCI的真或假。如果該參數(shù)設(shè)置為真，則NCellID和PCI相同，并且UE可以假設(shè)天線端口的數(shù)量與LTE小區(qū)中的相同。然后可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關(guān)聯(lián)，并且CRS端口1與NRS端口1相關(guān)聯(lián)。如果相同PCI被設(shè)置為假，則UE可以不采取任何這些假設(shè)。

3.2.3    同步信號
對于幀和子幀中的第一同步并且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細(xì)化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應(yīng)物區(qū)分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因?yàn)楫?dāng)NB-IoT以帶內(nèi)模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護(hù)時間適用于所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規(guī)定，哪個天線端口用于同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用于NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關(guān)于小區(qū)的信息。它在每個無線電幀的SF5中發(fā)送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進(jìn)制加擾并根據(jù)無線電幀號循環(huán)移位。NCellID是一個額外的輸入?yún)��?shù)，因此可以從序列中導(dǎo)出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數(shù)無線電幀的最后SF中發(fā)送。

對于帶內(nèi)操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節(jié)中描述的NPBCH只能在PRB上進(jìn)行，如表3-1所示。選擇用于接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結(jié)構(gòu)，UE不能將NB同步信號與LTE系統(tǒng)發(fā)送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，并且具有任一技術(shù)的UE被自動路由到正確的頻率范圍。

3.2.4    窄帶物理廣播信道
NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，并且在640ms的時間段內(nèi)發(fā)送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：
●4位表示系統(tǒng)幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩余的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出
●2比特，表示超幀號的兩個LSB
●4位用于SIB1-NB調(diào)度和大小
●5位表示系統(tǒng)信息值標(biāo)簽
●1位，表示是否應(yīng)用了訪問類限制
●7位表示具有模式特定值的操作模式
●11個備用位，用于將來擴(kuò)展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之后，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發(fā)送，并分別在接下來的7個連續(xù)無線電幀的SF0中重復(fù)。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執(zhí)行相同的過程。 繼續(xù)該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用于所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內(nèi)操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸沖突。

NPBCH的SF結(jié)構(gòu)如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設(shè)為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設(shè)是必要的，因?yàn)閁E僅通過讀取MIB-NB來獲得實(shí)際的天線端口信息。 頻率范圍內(nèi)的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 盡管NCellID在帶內(nèi)操作中可能與PCI不同，但是其范圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率范圍內(nèi)的CRS的循環(huán)移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能沖突。

3.2.5    專用頻道
控制和共享信道的原理也適用于NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 并非所有SF都可以用于傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以周期性方式應(yīng)用。 對于SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1    控制信道NPDCCH
NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數(shù)據(jù)，在哪里找到它們以及它們重復(fù)的頻率。 此外，在其中提供UL授權(quán)，示出UE將用于UL中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源。 最后，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統(tǒng)信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設(shè)計如下圖所示：

用于NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍(lán)色顯示的NRS周圍，并且還圍繞CRS（紫色）進(jìn)行帶內(nèi)操作。 參數(shù)lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區(qū)域大�。┲甘綩FDM起始符號。 這種方式可以避免帶內(nèi)操作與LTE控制信道的沖突。 對于保護(hù)頻帶和獨(dú)立操作模式，控制區(qū)域大小默認(rèn)為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：
  ●NPDCCH格式0采用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內(nèi)傳輸。
  ●NPDCCH格式1同時采用NCCE。

 為了使UE以合理的解碼復(fù)雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用于分頁
●Type-2公共搜索空間，用于隨機(jī)訪問
●UE特定的搜索空間
每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重復(fù)若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機(jī)會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網(wǎng)絡(luò)臨時標(biāo)識符（RNTI），一個用于隨機(jī)接入（RA-RNTI），一個用于尋呼（P-RNTI），以及在隨機(jī)接入過程中提供的UE特定標(biāo)識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標(biāo)識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，并且如果找到，則對NPDCCH進(jìn)行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當(dāng)UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區(qū)分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進(jìn)行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進(jìn)行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對于利用RA-RNTI對CRC進(jìn)行加擾的情況，內(nèi)容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應(yīng)所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調(diào)度延遲，即NPDCCH結(jié)束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對于經(jīng)由DCI格式N2的DL傳輸，調(diào)度延遲固定為10SF。

3.2.5.2    業(yè)務(wù)信道NPDSCH
NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結(jié)構(gòu)。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，并圍繞NRS映射，并且對于帶內(nèi)操作，映射為LTE CRS。lNstart由用于帶內(nèi)操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大�。�TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重復(fù)傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進(jìn)行優(yōu)化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續(xù)SF。

對于DL，沒有對傳輸?shù)淖詣哟_認(rèn)，eNB在DCI中指示這一點(diǎn)。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發(fā)送確認(rèn)，參見章節(jié)3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關(guān)的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節(jié)“多載波配置”，這意味著當(dāng)UE處于連接狀態(tài)時可以使用另一個載波。在空閑狀態(tài)中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關(guān)UL載波中發(fā)送前導(dǎo)碼，在那里等待尋呼或開始對移動始發(fā)數(shù)據(jù)或信令的接入。

SIB1-NB傳輸
SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的周期，重復(fù)4,8或16次。傳輸塊大小和重復(fù)次數(shù)在MIB-NB中指示。可以進(jìn)行4,8或16次重復(fù)，并且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重復(fù)次數(shù)和NCellID確定。SF4用于傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由于其他傳輸參數(shù)也是固定的，因此控制信道中沒有相關(guān)的指示。

SIB1-NB內(nèi)容可以僅在每個修改周期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應(yīng)于4個SFN周期，這就是為什么在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發(fā)生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

盡管通過NPDSCH發(fā)送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因?yàn)?/span>UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3    上行鏈路
對于上行鏈路（UL），兩個物理信道
●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道
●NPRACH，窄帶物理隨機(jī)接入信道和
●定義DMRS，解調(diào)參考信號。

物理信道與相關(guān)傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數(shù)據(jù)都通過NPUSCH發(fā)送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發(fā)送。 因此，沒有相當(dāng)于LTE中的PUCCH。

3.3.1    時隙結(jié)構(gòu)
在UL中，應(yīng)用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當(dāng)應(yīng)用15kHz子載波間隔時，UL的資源網(wǎng)格與DL的資源網(wǎng)格相同，請參見圖3-3。 對于3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網(wǎng)格具有修改的結(jié)構(gòu)：

同樣在一個時隙內(nèi)有7個OFDM符號。 根據(jù)OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續(xù)時間是15kHz的持續(xù)時間的四倍，這導(dǎo)致時隙長度為2ms。

3.3.2    物理上行鏈路共享信道
在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用于UL-SCH上的UL傳輸信道數(shù)據(jù)，傳輸塊不大于1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限于DL傳輸?shù)拇_認(rèn)。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決于PUSCH格式和子載波間隔。

對于NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率范圍中的1個子載波和時間范圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對于NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對于3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續(xù)時間并且對于15kHz子載波間隔2ms。
對于NPUSCH格式2，調(diào)制方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調(diào)制取決于所選的RU：
●對于具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK
●對于所有其他RU，應(yīng)用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用于UL-SCH傳輸?shù)脑S可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重復(fù)次數(shù)，用于一個傳輸塊的RU的數(shù)量，以及包括它們在頻率范圍中的位置的子載波的數(shù)量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調(diào)制方案，另外，與RU的數(shù)量一起，提供傳輸塊大小。

最后，通過應(yīng)用逆傅里葉變換并且在循環(huán)前綴（CP）之前預(yù)先創(chuàng)建時間信號。 對于15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對于3.75kHz，它是256個樣本，對應(yīng)于8.3μs。 對于后一種情況，每個時隙結(jié)束時的2304個采樣（75μs）的周期保持為空，這用作保護(hù)間隔。 對于帶內(nèi)操作，該保護(hù)間隔可以用于在LTE系統(tǒng)中發(fā)送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應(yīng)該確認(rèn)傳輸?shù)那闆r下，在相關(guān)DL中總是存在確認(rèn)。

3.3.3    參考信號
在UL中，定義了解調(diào)參考信號（DMRS）。 它與數(shù)據(jù)復(fù)用，因此它僅在包含數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞U中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。
 
根據(jù)NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發(fā)送。 對于NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標(biāo)記的符號。

從該圖中可以看出，用于DMRS傳輸?shù)腟C-FDM符號取決于子載波間隔。 對于圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構(gòu)成。 它們具有與相關(guān)數(shù)據(jù)相同的調(diào)制。 對于NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進(jìn)行擴(kuò)展。

3.3.4    隨機(jī)接入信道
在隨機(jī)接入信道NPRACH中，發(fā)送前導(dǎo)碼。 第47頁第4.4章“隨機(jī)接入過程”中描述的相關(guān)隨機(jī)接入過程可用于向小區(qū)發(fā)信號通知UE駐留在其上并希望獲得接入。

前導(dǎo)碼基于單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環(huán)前綴（CP），后跟5個符號。 以下結(jié)構(gòu)顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續(xù)時間為TSEQ = 1.333 ms，對于格式0，CP為TCP =67μs，對于格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導(dǎo)碼格式在系統(tǒng)信息中廣播。

前導(dǎo)碼由無間隙發(fā)送的4個符號組組成。跳頻應(yīng)用于符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發(fā)送。通過構(gòu)造，該跳躍被限制為連續(xù)的12個子載波集。取決于覆蓋水平，小區(qū)可以指示UE將在每次重復(fù)時使用相同的傳輸功率重復(fù)前導(dǎo)碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，并且周期性地發(fā)生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH周期。它們在一段時間內(nèi)的開始時間在系統(tǒng)信息中提供。重復(fù)次數(shù)和前導(dǎo)碼格式?jīng)Q定了它們的結(jié)束。

在頻率范圍內(nèi)，應(yīng)用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源占用12,24,36或48個子載波的連續(xù)集合，并且位于一組離散的子載波范圍上。取決于小區(qū)配置，資源可以進(jìn)一步劃分為由支持msg3的多音傳輸?shù)?/span>UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重復(fù)至少4次的前導(dǎo)碼的示例。這里，每個藍(lán)色矩形描述一個前導(dǎo)碼符號組，如圖3-14所示，因此前導(dǎo)碼重復(fù)由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導(dǎo)碼傳輸?shù)那闆r提供，則UE選擇用于傳輸?shù)谝磺皩?dǎo)碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決于第一個符號的位置。對于下一次重復(fù)的第一符號組的子載波選擇，應(yīng)用偽隨機(jī)跳頻，其中NCellID和重復(fù)次數(shù)用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決于該結(jié)果。

該跳頻算法的設(shè)計方式是第一子載波的不同選擇導(dǎo)致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導(dǎo)碼。不對NB-IoT進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，即，沒有像LTE中應(yīng)用的前導(dǎo)碼索引那樣的概念。

前導(dǎo)序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決于子載波位置。對載波頻率的調(diào)制和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4    功率控制
3.4.1    上行鏈路
在UL中，發(fā)射功率取決于小區(qū)特定參數(shù)，所選RU和UE測量參數(shù)的組合[11]。 對于最多重復(fù)2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重復(fù)次數(shù)超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區(qū)特定最大發(fā)射功率。利用上述結(jié)構(gòu)，發(fā)射功率可能永遠(yuǎn)不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決于所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數(shù)的組合，這取決于傳輸塊是用于UL-SCH數(shù)據(jù)（j = 1）還是用于RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權(quán)，對于NPUSCH格式1由RRC提供，否則應(yīng)用固定值1。換句話說，該因子表示應(yīng)補(bǔ)償路徑損耗的強(qiáng)度。

3.4.2    下行鏈路
DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對于攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恒定的。

對于NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發(fā)射功率取決于傳輸方案。如果僅應(yīng)用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內(nèi)操作模式并且samePCI值設(shè)置為true，則會出現(xiàn)特殊情況。然后，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進(jìn)行信道估計。

4 小區(qū)訪問

當(dāng)UE接入小區(qū)時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當(dāng)?shù)念l率上搜索小區(qū)，讀取相關(guān)的SIB信息，并開始隨機(jī)接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網(wǎng)絡(luò)注冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態(tài)之后，如果它具有要發(fā)送的移動始發(fā)數(shù)據(jù)，則它可以再次使用隨機(jī)接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1    協(xié)議棧和信令承載
協(xié)議層的一般原則是從LTE協(xié)議開始，將它們降低到最小，并根據(jù)NB-IoT的需要增強(qiáng)它們。這樣，重復(fù)使用經(jīng)過驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)和過程，同時防止來自未使用的LTE特征的開銷。因此，從協(xié)議棧的角度來看，NB-IoT技術(shù)也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎(chǔ)之上。

其一個例子是承載結(jié)構(gòu)。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用于通過CCCH邏輯信道發(fā)送的RRC消息的SRB0，以及用于使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然后不再使用SRB1bis。這也意味著對于控制平面CIoT EPS優(yōu)化，根本不使用SRB1bis，因?yàn)樵诖四Ｊ较聸]有安全激活。

協(xié)議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優(yōu)化的功能：

4.2    系統(tǒng)信息
與LTE類似，系統(tǒng)信息用于廣播對小區(qū)內(nèi)的所有UE有效的信息。 由于廣播系統(tǒng)信息占用資源并導(dǎo)致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現(xiàn)的大小。

因此，定義了一組系統(tǒng)信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用后綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內(nèi)容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內(nèi)操作的情況下，UE也專門使用這些SIB并忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統(tǒng)信息獲取和改變過程僅應(yīng)用于RRC_IDLE狀態(tài)。 期望UE在處于RRC_CONNECTED狀態(tài)時讀取SIB信息。 如果發(fā)生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態(tài)以獲取修改的系統(tǒng)信息。

4.2.1    調(diào)度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進(jìn)行傳輸。剩余SIB信息的調(diào)度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然后在單獨(dú)的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，并且對于所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內(nèi)，SI消息通過2或8個連續(xù)有效DL SF發(fā)送，具體取決于它們的傳輸塊大小，并且可以重復(fù)多次。 調(diào)度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示并且不需要SI-RNTI。

4.2.2    變更通知
如“SIB1-NB傳輸”中已經(jīng)提到的，系統(tǒng)信息可能僅在修改周期的時間邊界處改變并且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點(diǎn)改變。這種例外背后的原因是AB參數(shù)可能需要在更短的時間范圍內(nèi)改變。當(dāng)然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因?yàn)樗鼤�定期更改其�?nèi)容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標(biāo)記的概念。關(guān)聯(lián)字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用于UE從覆蓋范圍外的位置返回到覆蓋范圍以及從更長的DRX周期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標(biāo)簽。如果存在SIB更改，則會修改值標(biāo)記。但是，如果超過24小時超出覆蓋范圍，則UE必須始終讀取系統(tǒng)信息。

4.2.3    總結(jié)SIB采集
UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重復(fù)次數(shù)，并且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最后，借助于從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標(biāo)簽或通過尋呼指示SIB改變。

4.3    小區(qū)選擇和移動性

NB-IoT設(shè)計用于UE和網(wǎng)絡(luò)之間的不頻繁和短消息。假設(shè)UE可以在從一個小區(qū)服務(wù)的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區(qū)改變，則UE首先進(jìn)入RRC_IDLE狀態(tài)并重新選擇其中的另一個小區(qū)。

對于RRC_IDLE狀態(tài)，為頻率內(nèi)和頻率間小區(qū)定義小區(qū)重選[12]。這里，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內(nèi)操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區(qū)，UE首先測量NRS的接收功率和質(zhì)量。然后將這些值與SIB-NB提供的小區(qū)特定閾值進(jìn)行比較。S標(biāo)準(zhǔn)指出如果兩個值都高于這些閾值，則UE認(rèn)為自己處于該小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)。如果UE處于一個小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)，則駐留在其上。

取決于所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區(qū)重選。UE將該功率與重選閾值進(jìn)行比較，該重選閾值對于頻率內(nèi)和頻率間情況可以是不同的。從實(shí)際服務(wù)小區(qū)接收所有必需參數(shù)，不需要從其他小區(qū)讀取SIB-NB。

在滿足S標(biāo)準(zhǔn)的所有小區(qū)中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區(qū)進(jìn)行排名。在該過程中添加滯后以防止過于頻繁的小區(qū)重選，并且還可以針對頻率內(nèi)情況應(yīng)用小區(qū)特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優(yōu)先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區(qū)，即，它可以從其接收正常服務(wù)。

當(dāng)UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區(qū)。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嘗試找到合適小區(qū)的頻率。僅當(dāng)UE在該頻率上沒有找到合適的小區(qū)時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區(qū)。

4.4    隨機(jī)訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數(shù)[13]：

對于NB-IoT，RACH過程始終基于競爭，并從第3.3.4節(jié)“隨機(jī)接入信道”中概述的前導(dǎo)碼的傳輸開始。在來自eNB的相關(guān)響應(yīng)之后，發(fā)送調(diào)度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最后將相關(guān)的爭用解決消息發(fā)送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發(fā)送前導(dǎo)碼時，UE首先根據(jù)傳輸時間計算其RA-RNTI。然后在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機(jī)接入響應(yīng)消息。UE期望在響應(yīng)窗口內(nèi)的該消息，其在最后的前導(dǎo)碼SF之后開始3個SF并且具有在SIB2-NB中給出的CE相關(guān)長度。

如果前導(dǎo)碼傳輸不成功，即沒有接收到相關(guān)聯(lián)的隨機(jī)接入響應(yīng)（RAR）消息，則UE發(fā)送另一個消息。這可以達(dá)到最大數(shù)量，這又取決于CE級別。對于未成功達(dá)到該最大數(shù)量的情況，如果配置了該級別，則UE前進(jìn)到下一個CE級別。如果達(dá)到訪問嘗試的總次數(shù)，則向RRC報告相關(guān)的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經(jīng)是時間對齊的，這對于通過NPUSCH進(jìn)行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權(quán)，包含用于msg3傳輸?shù)乃�有相關(guān)數(shù)據(jù)。

其余過程如同在LTE中那樣完成，即UE發(fā)送標(biāo)識，并且在接收到指示該標(biāo)識的爭用解決時，隨機(jī)接入過程被成功完成。

4.5    連接控制

由于系統(tǒng)不支持切換到不同的技術(shù)，RRC的狀態(tài)模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態(tài)，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉(zhuǎn)換到相關(guān)的UTRA和GSM狀態(tài)，因?yàn)椴恢С智袚Q到這些技術(shù)。 也沒有切換到LTE，因?yàn)長TE被視為不同的RAT。

4.5.1     RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統(tǒng)相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網(wǎng)絡(luò)以及用于什么目的。此建立原因僅限于移動始發(fā)信令，移動始發(fā)數(shù)據(jù)，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因?yàn)樵?/span>NB-IoT中，假設(shè)所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調(diào)業(yè)務(wù)和多載波支持的能力。盡管這些功能通常在自己的過程中發(fā)出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發(fā)出信號，以便eNB可以將其應(yīng)用于此過程中的UL授權(quán)。

在用RRCConnectionSetup消息響應(yīng)時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達(dá)2個數(shù)據(jù)無線電承載（DRB）和協(xié)議的配置。最后，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，并且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優(yōu)化建立連接之后，以與具有僅限于NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對于控制平面CIoT EPS優(yōu)化，不應(yīng)用這些過程。

當(dāng)eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉(zhuǎn)換到RRC_IDLE狀態(tài)并存儲當(dāng)前AS上下文。它可以稍后恢復(fù)具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態(tài)。自動設(shè)置無線承載，并使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內(nèi)容。顯然，這為不頻繁的小數(shù)據(jù)分組的傳輸節(jié)省了相當(dāng)大的信令開銷。

RRC連接恢復(fù)如下圖所示：

當(dāng)UE被配置用于用戶平面CIoT EPS優(yōu)化并且配置有至少一個DRB時，可以僅應(yīng)用恢復(fù)請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應(yīng)該開始傳統(tǒng)的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復(fù)請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，并且不再可能為稍后的連接恢復(fù)該AS上下文。

當(dāng)eNB在MIB-NB中指示接入受制于接入類別限制并且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發(fā)起的信令或數(shù)據(jù)時進(jìn)行接入禁止檢查�；蚧謴�(fù)RRC連接。商業(yè)上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關(guān)聯(lián)的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設(shè)置了與訪問類關(guān)聯(lián)的位，則禁止訪問該單元。然后，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實(shí)際禁止?fàn)顟B(tài)。請注意，對于某些特殊數(shù)據(jù)，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決于SIB14-NB設(shè)置。

如果拒絕連接請求或恢復(fù)請求，例如因?yàn)椴辉儆锌臻e資源，eNB會回復(fù)RRCConnectionReject。然后，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當(dāng)由于太多UE同時啟動網(wǎng)絡(luò)連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用于恢復(fù)過程，則eNB指示是否應(yīng)當(dāng)釋放當(dāng)前UE上下文或者進(jìn)一步保存當(dāng)前UE上下文以用于后續(xù)恢復(fù)請求。

4.5.2     RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發(fā)起，如圖4-7所示。

對于用戶平面CIoT EPS優(yōu)化，eNB可以在此指示與rrcSuspend標(biāo)志的連接的暫停。 在這種情況下，UE存儲AS上下文并且可以如上所述請求RRC連接恢復(fù)，否則AS上下文被刪除并且UE可以僅使用完整的RRC連接建立來獲得另一個RRC連接。

在該過程完成之后，UE進(jìn)入RRC_IDLE狀態(tài)。

4.6        UE能力轉(zhuǎn)移

當(dāng)UE連接到網(wǎng)絡(luò)時，eNB既不知道UE建立在哪個版本上，也不知道其中支持的可選特征中的哪個。 為了獲得此信息，定義了UE Capability Transfer procudure，如圖4-8所示：

UE能力傳輸總是由eNB發(fā)起，因?yàn)閁E不能知道eNB是否已經(jīng)來自網(wǎng)絡(luò)或來自先前會話的該信息。

這些功能包括UE構(gòu)建的版本，UE類別，支持的頻段列表以及建立多個承載的能力。 另外，UE可以指示其是否支持UL中的多載波操作和多音調(diào)傳輸。 此外，可以包含最大數(shù)量的RoHC上下文會話和支持的配置文件。該消息通常比相應(yīng)的LTE消息小得多，因?yàn)槭÷粤?/span>NB-IoT中不支持的所有LTE特征，如進(jìn)一步的接入技術(shù)或載波聚合。

4.7    尋呼

尋呼用于觸發(fā)RRC連接并指示用于處于RRC_IDLE模式的UE的系統(tǒng)信息的改變。

尋呼消息通過NPDSCH發(fā)送，并且可以包含要被尋呼的UE的列表和信息，無論尋呼是用于連接建立還是系統(tǒng)信息已經(jīng)改變。在該列表中找到其ID的每個UE將其被尋呼的前向?qū)愚D(zhuǎn)發(fā)到其上層，并且可以依次接收用于初始化RRC連接的命令。如果系統(tǒng)信息已經(jīng)改變，則UE開始讀取SIB1-NB并且可以從那里獲得信息，必須再次讀取哪些SIB。

處于RRC_IDLE狀態(tài)的UE僅監(jiān)視關(guān)于尋呼的一些SF，無線電幀子集內(nèi)的尋呼時機(jī)（PO），尋呼幀（PF）。如果應(yīng)用覆蓋增強(qiáng)重復(fù)，則PO指的是重復(fù)內(nèi)的第一次傳輸。PF和PO由SIB2-NB中提供的DRX周期和USIM卡提供的IMSI確定。DRX是用于節(jié)省電池壽命的DL控制信道的不連續(xù)接收。支持128,256,512和1024個無線電幀的周期，對應(yīng)于1.28s和10.24s之間的時間間隔。

 由于確定PF和PO的算法也取決于IMSI，不同的UE具有不同的尋呼時機(jī)，其在時間上均勻分布。UE足以監(jiān)視DRX周期內(nèi)的一個尋呼時機(jī)，如果其中存在多個尋呼時機(jī)，則在它們中的每一個中重復(fù)尋呼。

擴(kuò)展DRX（eDRX）的概念也可以應(yīng)用于NB-IoT。這是使用第3.2.1章“幀和時隙結(jié)構(gòu)”中概述的超幀來完成的。如果支持eDRX，則UE不監(jiān)視尋呼消息的時間間隔可能會大大延長，向上差不多3小時。相應(yīng)地，UE必須知道在哪個HFN以及該HFN內(nèi)的哪個時間間隔，尋呼時間窗口（PTW），它必須監(jiān)視尋呼。PTW由啟動和停止SFN定義。在PTW內(nèi)，PF和PO的確定以與未擴(kuò)展DRX相同的方式完成。

5    數(shù)據(jù)傳輸

如第2.2.1章“核心網(wǎng)絡(luò)”中所述，數(shù)據(jù)傳輸有兩種方式，即控制平面CIoT EPS優(yōu)化和用戶平面CIoT EPS優(yōu)化。 MME表示支持每個優(yōu)化。 對于移動始發(fā)數(shù)據(jù)，UE可以在支持的選項(xiàng)中進(jìn)行選擇。 對于移動終止數(shù)據(jù)，MME選擇優(yōu)化并且可以考慮UE優(yōu)先級，其在附連過程中用信號通知網(wǎng)絡(luò)。

5.1    控制平面CIoT EPS優(yōu)化

對于控制平面CIoT EPS優(yōu)化，UE和eNB之間的數(shù)據(jù)交換在RRC級別完成。 在DL中，數(shù)據(jù)分組可以捎帶在RRCConnectionSetup消息中或RRCConnectionSetupComplete消息中的UL中。 如果這還不夠，可以使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer這兩個消息繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸：

所有這些消息中包含一個包含NAS信息的字節(jié)數(shù)組，在這種情況下，它對應(yīng)于NB-IoT數(shù)據(jù)包。 因此，它對eNB是透明的，并且UE的RRC將所接收的DLInformationTransfer的內(nèi)容直接轉(zhuǎn)發(fā)到其上層。 在eNB和MME之間，通過S1-MME接口交換dedicatedInfoNAS。

對于此數(shù)據(jù)傳輸方法，不應(yīng)用AS級別的安全性。 由于也沒有RRC連接重新配置，它可以分別在RRC連接建立或恢復(fù)過程之后或期間立即開始。 當(dāng)然，必須在RRC連接釋放之后終止RRC連接。

5.2    用戶平面CIoT EPS優(yōu)化
在用戶平面CIoT中，EPS優(yōu)化數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)用戶平面上傳輸，即eNB將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到S-GW或從該節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)。 為了保持UE復(fù)雜度低，可以同時僅配置一個或兩個DRB。

必須區(qū)分兩種情況：當(dāng)先前的RRC連接被釋放且指示可能的恢復(fù)操作時，請參見第4.5.2節(jié)“RRC連接釋放”，可以請求連接作為恢復(fù)過程，如圖4-5。 如果此恢復(fù)過程成功，則使用更新的密鑰建立安全性，并且像在先前的連接中那樣設(shè)置無線承載。 如果沒有先前釋放的恢復(fù)指示，或者如果eNB不接受恢復(fù)請求，則必須建立安全性和無線電承載，如下一節(jié)所示。

5.2.1    數(shù)據(jù)連接的建立和配置
建立RRC連接后，如圖4-4或圖4-6所示，第一步是建立AS級安全性。 這是通過初始安全激活過程完成的：

在SecurityModeCommand消息中，eNB向UE提供要應(yīng)用于SRB1和DRB的加密算法，以及用于保護(hù)SRB1的完整性保護(hù)算法。 為LTE定義的所有算法也包括在NB-IoT中。 使用此消息，SRB1bis會自動更改為SRB1，SRB1用于以下控制消息。

激活安全性后，使用RRC連接重新配置過程設(shè)置DRB：

在重新配置消息中，eNB向UE提供無線承載，包括RLC和邏輯信道的配置。 后者包括用于根據(jù)實(shí)際要求平衡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級。 PDCP僅配置為DRB，因?yàn)镾RB僅使用默認(rèn)值。

在所包括的MAC配置中，提供緩沖器狀態(tài)報告（BSR），調(diào)度請求（SR），時間對準(zhǔn)和DRX的配置。 最后，物理配置提供了將數(shù)據(jù)映射到時隙和頻率的必要參數(shù)。

5.2.2    多載波配置

RRCConnectionReconfiguration可以包含UL和DL中的附加載波的設(shè)置，非錨定載波。

當(dāng)在DL中提供非錨定載波時，UE將接收該頻率上的所有數(shù)據(jù)。這排除了僅在錨載波上接收的同步，廣播信息和尋呼�？梢蕴峁┲甘驹试S的DL SF的位圖。非錨定載波可以包含相當(dāng)多的SF用于數(shù)據(jù)，因?yàn)樗�不需要同步和廣播信息。

一旦配置了非錨定載波，UE就在其處于RRC_CONNECTED狀態(tài)時單獨(dú)監(jiān)聽該錨定載波。因此，UE僅需要一個接收器鏈。

 在UL中，同樣的原則適用。如果配置了額外的UL載波，則UE僅將該一個用于數(shù)據(jù)傳輸，在該載波和錨載波中不存在同時傳輸。

對于DL和UL兩者，當(dāng)UE被釋放到RRC_IDLE狀態(tài)時，UE返回到其錨定載波。

調(diào)度示例如圖5-4所示：

UE1配置有錨載波，UE2與DL和UL中的其他載波，以及UE3僅在DL上具有不同的載波。為簡單起見，該圖既不考慮下一節(jié)中解釋的NPDCCH周期，也不考慮DL數(shù)據(jù)不允許的SF。它只能以示意圖的方式解釋。

即使在帶內(nèi)操作中，分配的DL載波也不限于表3-1中所示的值。該限制僅適用于那些發(fā)送NPSS，NSSS和NPBCH的載波，即可用作錨載波的載波。對于提供的DL頻率，允許所有載波。

該結(jié)構(gòu)允許推出NB-IoT寬帶網(wǎng)絡(luò)，盡管每個UE僅具有一個具有窄帶寬可用的發(fā)送器/接收器鏈。同步，DL中廣播和UL中的NPRACH資源的開銷可以限于一個或視圖對的載波，而其他的可以完全用于數(shù)據(jù)傳輸。由于接收和發(fā)送從不同時進(jìn)行并且總是分別限制在一個頻帶，因此UE僅具有一個帶寬為180kHz的發(fā)送器/接收器鏈就足夠了。

5.2.3    接收控制信道
在RRC連接狀態(tài)中，UE僅監(jiān)視UE特定搜索空間（USS）以獲得其UL授權(quán)和DL指派。 重新配置消息包含最大重復(fù)次數(shù)，其范圍從1到2048，以2為2的冪。但是，實(shí)際重復(fù)次數(shù)可能更小，如下表所示：

對于實(shí)際重復(fù)次數(shù)小于其最大次數(shù)的情況，剩余的SF可以用于向另一個UE發(fā)送不同的NPDCCH。 例如，如果最大重復(fù)次數(shù)是4，則所有SF可以包含一個UE的DCI，或者兩個SF可以分別用于兩個UE中的每一個，或者每個SF用于不同的UE。 當(dāng)然，UE必須監(jiān)視所有這些候選者。

重配置消息還包含用于描述NPDCCH周期的參數(shù)。 關(guān)于此期間的開始，USS在開始時或在周期長度的1 / 8,1 / 4或3/8的偏移處開始。

5.2.4    傳輸U(kuò)L數(shù)據(jù)信道
DCI格式N0指示用于在NPUSCH上傳輸?shù)腢L許可，包括所有相關(guān)參數(shù)。 一個傳輸塊可以重復(fù)多次。 重復(fù)的安排取決于一個RU的子載波的數(shù)量，子載波間隔和重復(fù)的數(shù)量。 首先應(yīng)該用圖5-5所示的例子來說明：

對于15kHz子載波間隔的情況，在兩個RU（a）上發(fā)送稱為測試字（TW）的傳輸塊，其中每個RU具有8個時隙（b）上的3個子載波的格式�？偣矐�(yīng)用8次重復(fù)。在圖5-5中，Tn表示第一個RU的第n個時隙，Wm是第二個RU的第m個時隙。

在第一步驟中，發(fā)送兩個時隙T1和T2。該對重復(fù)三次，因此這些插槽有4次傳輸。然后用接下來的兩個插槽完成相同的過程。這一直持續(xù)到槽W7和W8成對傳輸四次。最后，由于現(xiàn)在有4次重復(fù)TW，傳輸序列再次重復(fù)，達(dá)到這種方式8次重復(fù)。

 在一般情況下，對于15kHz的子載波間隔總是進(jìn)行兩個時隙的第一次重復(fù)。在3.75 kHz子載波間隔上，分別為每個插槽完成。如果RU具有多于一個子載波，則第一次重復(fù)的總數(shù)是上限為4的總重復(fù)次數(shù)的一半，或者如果RU僅具有一個子載波，則為1次。在上面的例子中，這意味著如果有32次重復(fù)，序列生成將如圖5-5（c）所示，但總序列將重復(fù)7次。

通常，序列映射到一組連續(xù)的槽。大量重復(fù)會發(fā)生異常。更準(zhǔn)確地說，在256ms的傳輸之后，在NPUSCH傳輸繼續(xù)之前產(chǎn)生40ms的間隙。該間隙是必要的，因?yàn)楫?dāng)UE在NPUSCH上發(fā)送時，它不能同時接收DL信道，并且可能因此失去與eNB的同步。在此間隙期間，再次微調(diào)同步。

5.2.5    接收DL數(shù)據(jù)信道
DCI格式N1指示DL分配，其描述在NPDSCH上在何處以及如何發(fā)送數(shù)據(jù)符號。其原理與UL基本相同，請參見圖5-5中的示例，但數(shù)據(jù)包不會先分組到RU中。如果沒有重復(fù)，則將數(shù)據(jù)分組連續(xù)映射到時隙中并在NPDSCH SF中發(fā)送。

對于存在重復(fù)的情況，映射類似于多音UL。首先將兩個時隙的數(shù)據(jù)映射到一個SF，現(xiàn)在以總重復(fù)次數(shù)重復(fù)，再次上限為4。然后以相同的方式繼續(xù)映射，直到發(fā)送所有SF。最后，重復(fù)整個結(jié)構(gòu)，直到達(dá)到所需的重復(fù)次數(shù)。

當(dāng)DL數(shù)據(jù)包含SIB-NB信息時有一個例外。在這種情況下，如圖5-5（b）中的例子那樣連續(xù)發(fā)送時隙，然后將整個塊重復(fù)適當(dāng)?shù)拇螖?shù)。

傳輸間隙可以由RRC配置用于具有大量重復(fù)的NPDSCH傳輸。RRCConnectionReconfiguration消息可以提供重復(fù)次數(shù)有多大的信息，以便觸發(fā)這種間隙，周期性和它們出現(xiàn)的長度。當(dāng)間隙發(fā)生時，NPDSCH傳輸被推遲到間隙之后的下一個可用SF。這些間隙不適用于攜帶MIB-NB或SIB-NB信息的NPDSCH。

6    總結(jié)和展望

利用版本13中規(guī)定的NB-IoT技術(shù)，3GPP創(chuàng)建了一種新的蜂窩空中接口，完全適應(yīng)典型機(jī)器類型通信的要求。它針對小的和不頻繁的數(shù)據(jù)包進(jìn)行了優(yōu)化，并且避免了為此目的不需要的蜂窩功能。這樣，UE可以以成本有效的方式保持并且僅需要少量的電池電力。

數(shù)據(jù)傳輸保持在180kHz的小頻帶。然而，由于多頻帶結(jié)構(gòu)，可以使用廣譜頻率。信令部分可以減少到一個或僅少數(shù)NB-IoT載波，而其余的可以完全用于數(shù)據(jù)傳輸。這樣，雖然單個UE僅具有相對窄帶的發(fā)送器和接收器，但是相當(dāng)大量的帶寬用于數(shù)據(jù)傳輸。

隨著第14版，NB-IoT的發(fā)展將繼續(xù)[14]。根據(jù)目前的計劃，NB-IoT將擴(kuò)展到包括定位方法，例如所需的多播服務(wù)。用于軟件更新或有關(guān)整個組的消息，移動性和服務(wù)連續(xù)性，以及用于增強(qiáng)NB-IoT技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步技術(shù)細(xì)節(jié)。

7     參考文獻(xiàn)

[1] 3GPP TR 45.820 V13.1.0, November 2015; Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT)

[2] 3GPP TS 23.272 V13.3.0, March 2016; Circuit Switched (CS) fallback in Evolved Packet System (EPS)

[3] 3GPP TS 23.401 V13.6.1, March 2016; General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

[4] 3GPP TS 23.682 V13.5.0, March 2016; Architecture enhancements to facilitate communications with packet data networks and applications

[5] 3GPP TS 36.331 V13.2.0, June 2016; Radio Resource Control (RRC); Protocol specification

[6] 3GPP TS 36.300 V13.4.0, June 2016; Overall description

[7] 3GPP TS 36.101 V13.4.0, June 2016; User Equipment (UE) radio transmission and reception

[8] 3GPP TS 36.201 V13.2.0, June 2016; LTE physical layer; General description

[9] 3GPP TS 36.211 V13.2.0, June 2016; Physical channels and modulation

[10] 3GPP TS 36.212 V13.2.0, June 2016; Multiplexing and channel coding

[11] 3GPP TS 36.213 V13.2.0, June 2016; Physical layer procedures

[12] 3GPP TS 36.304 V13.2.0, June 2016; User Equipment (UE) procedures in idle mode

[13] 3GPP TS 36.321 V13.2.0, June 2016; Medium Access Control (MAC) protocol specification 

[14] 3GPP RP-161324 3GPP Work Item Description Enhancements of NB-IoT