本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband  Internet of Things Whitepaper。本文僅限于個人學習，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針對機器類型流量進行了優(yōu)化。 它保持盡可能簡單，以降低設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，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區(qū)域。 盡管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前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，重點是與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

1    簡介

機器類型通信（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)，而用于車隊跟蹤的設備在執(zhí)行大量切換時具有少量數(shù)據(jù)。

另一類設備既沒有這些功能。 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)設備相比，這些MTC設備的數(shù)量可能變得非常大，甚至達到幾個數(shù)量級。 使用現(xiàn)有的LTE技術會導致網(wǎng)絡過載，因為盡管用戶數(shù)據(jù)量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規(guī)范集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經(jīng)過培訓的人員訪問。 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，認為必要時高達23 dB。

由于需要大量的設備，因此必須處于低成本范圍內(nèi)。 作為目標，每個模塊的價格范圍應小于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標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續(xù)在第12版中進行的優(yōu)化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，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)有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現(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)絡架構(gòu)，并提供物理層的詳細信息。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，給出了該技術進一步發(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，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：
●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）的適當安全性
●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[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技術內(nèi)。 由于沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用于設備內(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 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-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，例如實時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優(yōu)化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2    網(wǎng)絡
2.2.1    核心網(wǎng)
為了向應用程序發(fā)送數(shù)據(jù)，定義了演進分組系統(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，它們可以通過服務網(wǎng)關（SGW）傳輸?shù)椒纸M數(shù)據(jù)網(wǎng)絡網(wǎng)關（PGW），或者傳輸?shù)椒�務能力暴露功能�?/span>SCEF），然而這只能用于非IP數(shù)據(jù)分組。從這些節(jié)點開始，它們最終被轉(zhuǎn)發(fā)到應用服務器（CIoT服務）。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是專為機器類型數(shù)據(jù)設計的新節(jié)點。它用于通過控制平面?zhèn)魉头?/span>IP數(shù)據(jù)，并為網(wǎng)絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，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)務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸?shù)綉�用服務器。因此，它在�?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在進入空閑狀態(tài)后能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節(jié)“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個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)。 這反映出對于機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3    物理層

3.1    操作模式
NB-IoT技術占用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應于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：
●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側(cè)仍然保留10 kHz的保護間隔
●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內(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，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對于保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

 為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應于正常覆蓋，CE級別2對應于最壞情況，其中覆蓋范圍可能會被認為是非常貧窮。它取決于網(wǎng)絡，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的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（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，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

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進行操作。 對于后一種情況，應用空頻塊編碼（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)量進行計數(shù)，即，每當系統(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)是否實際傳輸，請參見第3.2.5節(jié)“專用信道”了解更多詳細信息。

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)設置為真，則NCellID和PCI相同，并且UE可以假設天線端口的數(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相關聯(lián)，并且CRS端口1與NRS端口1相關聯(lián)。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不采取任何這些假設。

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接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區(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，因為當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)信息值標簽
●1位，表示是否應用了訪問類限制
●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。 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。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 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的頻率。 此外，在其中提供UL授權，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。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，并且還圍繞CRS（紫色）進行帶內(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。 對于保護頻帶和獨立操作模式，控制區(qū)域大小默認為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，用于隨機訪問
●UE特定的搜索空間
每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重復若干次。 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)絡臨時標識符（RNTI），一個用于隨機接入（RA-RNTI），一個用于尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 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進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當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進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，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。重復傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優(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，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發(fā)送確認，參見章節(jié)3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關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UL載波中發(fā)送前導碼，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4,8或16次。傳輸塊大小和重復次數(shù)在MIB-NB中指示�？梢赃M行4,8或16次重復，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，因為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，窄帶物理隨機接入信道和
●定義DMRS，解調(diào)參考信號。

物理信道與相關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，沒有相當于LTE中的PUCCH。

3.3.1    時隙結(jié)構(gòu)
在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用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。

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，通過應用逆傅里葉變換并且在循環(huán)前綴（CP）之前預先創(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，這用作保護間隔。 對于帶內(nèi)操作，該保護間隔可以用于在LTE系統(tǒng)中發(fā)送探測參考信號。

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

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行擴展。

3.3.4    隨機接入信道
在隨機接入信道NPRACH中，發(fā)送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機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。 要使用的前導碼格式在系統(tǒng)信息中廣播。

前導碼由無間隙發(fā)送的4個符號組組成。跳頻應用于符號組粒度，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將在每次重復時使用相同的傳輸功率重復前導碼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。重復次數(shù)和前導碼格式?jīng)Q定了它們的結(jié)束。

在頻率范圍內(nèi)，應用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顯示了重復至少4次的前導碼的示例。這里，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重復由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸?shù)那闆r提供，則UE選擇用于傳輸?shù)谝磺皩Тa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。對于下一次重復的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重復次數(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。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導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碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在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2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重復次數(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，對于NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

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進行信道估計。

4 小區(qū)訪問

當UE接入小區(qū)時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當?shù)念l率上搜索小區(qū)，讀取相關的SIB信息，并開始隨機接入過程以建立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的需要增強它們。這樣，重復使用經(jīng)過驗證的結(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技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

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，因為在此模式下沒有安全激活。

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。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內(nèi)容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯(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，因此它檢查值標簽。如果存在SIB更改，則會修改值標記。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設計用于UE和網(wǎng)絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區(qū)服務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)特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高于這些閾值，則UE認為自己處于該小區(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。從實際服務小區(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標準的所有小區(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。

當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)“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之后，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，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內(nèi)的該消息，其在最后的前導碼SF之后開始3個SF并且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

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

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進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用于msg3傳輸?shù)乃�有相關數(shù)據(jù)。

其余過程如同在LTE中那樣完成，即UE發(fā)送標識，并且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機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，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)換到相關的UTRA和GSM狀態(tài)，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE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，因為在NB-IoT中，假設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可以將其應用于此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達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，不應用這些過程。

當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)并存儲當前AS上下文。它可以稍后恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態(tài)。自動設置無線承載，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)省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當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，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統(tǒng)的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，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該AS上下文。

當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)時進行接入禁止檢查�；蚧謴�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，存在關聯(lián)的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯(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際禁止狀態(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設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閑資源，eNB會回復RRCConnectionReject。然后，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由于太多UE同時啟動網(wǎng)絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用于恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用于后續(xù)恢復請求。

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，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進入RRC_IDLE狀態(tài)。

4.6        UE能力轉(zhuǎn)移

當UE連接到網(wǎng)絡時，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，因為UE不能知道eNB是否已經(jīng)來自網(wǎng)絡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。該消息通常比相應的LTE消息小得多，因為省略了NB-IoT中不支持的所有LTE特征，如進一步的接入技術或載波聚合。

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)視關于尋呼的一些SF，無線電幀子集內(nèi)的尋呼時機（PO），尋呼幀（PF）。如果應用覆蓋增強重復，則PO指的是重復內(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，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，如果其中存在多個尋呼時機，則在它們中的每一個中重復尋呼。

擴展DRX（eDRX）的概念也可以應用于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”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可以在支持的選項中進行選擇。 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。

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連接建立或恢復過程之后或期間立即開始。 當然，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)點接收數(shù)據(jù)。 為了保持UE復雜度低，可以同時僅配置一個或兩個DRB。

必須區(qū)分兩種情況：當先前的RRC連接被釋放且指示可能的恢復操作時，請參見第4.5.2節(jié)“RRC連接釋放”，可以請求連接作為恢復過程，如圖4-5。 如果此恢復過程成功，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置無線承載。 如果沒有先前釋放的恢復指示，或者如果eNB不接受恢復請求，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提供要應用于SRB1和DRB的加密算法，以及用于保護SRB1的完整性保護算法。 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)實際要求平衡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級。 PDCP僅配置為DRB，因為SRB僅使用默認值。

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中的附加載波的設置，非錨定載波。

當在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。可以提供指示允許的DL SF的位圖。非錨定載波可以包含相當多的SF用于數(shù)據(jù)，因為它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，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授權和DL指派。 重新配置消息包含最大重復次數(shù)，其范圍從1到2048，以2為2的冪。但是，實際重復次數(shù)可能更小，如下表所示：

對于實際重復次數(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UL數(shù)據(jù)信道
DCI格式N0指示用于在NPUSCH上傳輸?shù)腢L許可，包括所有相關參數(shù)。 一個傳輸塊可以重復多次。 重復的安排取決于一個RU的子載波的數(shù)量，子載波間隔和重復的數(shù)量。 首先應該用圖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。總共應用8次重復。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TW，傳輸序列再次重復，達到這種方式8次重復。

 在一般情況下，對于15kHz的子載波間隔總是進行兩個時隙的第一次重復。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，則第一次重復的總數(shù)是上限為4的總重復次數(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，序列生成將如圖5-5（c）所示，但總序列將重復7次。

通常，序列映射到一組連續(xù)的槽。大量重復會發(fā)生異常。更準確地說，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，因為當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，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)在以總重復次數(shù)重復，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，重復整個結(jié)構(gòu)，直到達到所需的重復次數(shù)。

當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，然后將整個塊重復適當?shù)拇螖?shù)。

傳輸間隙可以由RRC配置用于具有大量重復的NPDSCH傳輸。RRCConnectionReconfiguration消息可以提供重復次數(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，3GPP創(chuàng)建了一種新的蜂窩空中接口，完全適應典型機器類型通信的要求。它針對小的和不頻繁的數(shù)據(jù)包進行了優(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將擴展到包括定位方法，例如所需的多播服務。用于軟件更新或有關整個組的消息，移動性和服務連續(xù)性，以及用于增強NB-IoT技術應用領域的進一步技術細節(jié)。

7     參考文獻

[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