NB-上行物理層技術(shù).docx

相比 LTE 的上行物理信道，NB-IoT 的上行物理信道可謂簡化了很多，因此一些流程機(jī)制也改變很多。由于不需

要在上行信道中傳輸 CSI 或者 SR，因此在上行信道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也不需要專門保留上行控制共享信道。NB-IoT 上

行信道包含兩種物理信道，一個(gè)是窄帶物理上行共享信道（NPUSCH），另外一個(gè)是窄帶物理隨機(jī)接入信道

（NPRACH），控制信息可以通過 NPUSCH 復(fù)用傳輸，這意味著 NPUSCH 不僅承載上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時(shí)也肩

負(fù)了類似 LTE 中 PUCCH 承載一些上行反饋信息的功能。另外，由于沒有了上行資源調(diào)度的概念，同時(shí)為了簡化

幀結(jié)構(gòu)，作為全頻段信道估計(jì)用的 Sounding Reference Signal(SRS)也被省略掉了，上行物理信號只保留了窄

帶解調(diào)參考信號，這樣不僅簡化了物理層流程，同時(shí)也將有限的帶寬資源盡可能預(yù)留給了數(shù)據(jù)傳輸。

NPUSCH（Narrowband Physical uplink shared channel）

上行傳輸有兩種模式，一種是 single-tone,另一種是 multi-tone。對于 single-tone 傳輸模式，可以有兩種子載

波間隔 3.75kHz 和 15kHz，資源塊在這里并沒有定義，這意味著并不以資源塊作為基本調(diào)度單位。如果子載波

間隔是 15kHz,那么上行包含連續(xù) 12 個(gè)子載波，如果子載波間隔是 3.75kHz，那么上行包含連續(xù) 48 個(gè)子載波。

我們知道，對于通過 OFDM 調(diào)制的數(shù)據(jù)信道，如果在同樣的帶寬下，子載波間隔越小，相干帶寬越大，那么數(shù)

據(jù)傳輸抗多徑干擾的效果越好，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男�率更高，�?dāng)然，考慮到通過 IFFT 的計(jì)算效率，子載波也不能設(shè)置

的無限小。同時(shí)，也要考慮與周圍 LTE 大網(wǎng)的頻帶兼容性，選取更小的子載波也需要考慮與 15kHz 的兼容性。

當(dāng)上行采取 single tone 3.75kHz模式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，物理層幀結(jié)構(gòu)最小單位為基本時(shí)長 2ms 時(shí)隙，該時(shí)隙與 FDD

LTE 子幀保持對齊。每個(gè)時(shí)隙包含 7 個(gè) OFDM 符號，每個(gè)符號包含 8448 個(gè) Ts(時(shí)域采樣)，其中這 8448 個(gè) Ts

含有 256Ts個(gè)循環(huán)校驗(yàn)前綴（這意味著 IFFT 的計(jì)算點(diǎn)數(shù)是 8448-256=8192 個(gè)，恰好是 2048（15kHz）的 4

倍），剩下的時(shí)域長度（2304Ts）作為保護(hù)帶寬。single-tone 和 multi-tone 的 15kHz 模式與 FDD LTE 的幀

結(jié)構(gòu)是保持一致的，最小單位是時(shí)長為 0.5ms 的時(shí)隙。而區(qū)別在于 NB-IoT 沒有調(diào)度資源塊，single-tone 以 12

個(gè)連續(xù)子載波進(jìn)行傳輸，multi-tone 可以分別按照3,6,12 個(gè)連續(xù)子載波分組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 。

相比 LTE 中以 PRB 對進(jìn)行基本資源調(diào)度單位，NB-IoT 的上行共享物理信道 NPUSCH 的資源單位是以靈活的時(shí)

頻資源組合進(jìn)行調(diào)度的，調(diào)度的基本單位稱作資源單位（Resource Unit）。NPUSCH 有兩種傳輸格式，兩種傳

輸格式對應(yīng)的資源單位不同，傳輸?shù)膬?nèi)容也不一樣。NPUSCH 格式 1 用來承載上行共享傳輸信道 UL-SCH，傳

輸用戶數(shù)據(jù)或者信令，UL-SCH 傳輸塊可以通過一個(gè)或者幾個(gè)物理資源單位進(jìn)行調(diào)度發(fā)送。所占資源單位包含

single-tone 和 multi-tone 兩種格式。其中

single-tone 3.75kHz 32ms, 15kHz8ms;

multi-tone 15kHz 3 子載波 4ms,6 子載波 2ms,12 子載波 1ms。

NPUSCH 格式 2 用來承載上行控制信息（物理層），例如 ACK/NAK 應(yīng)答。根據(jù) 3.75kHz 8ms 或者 15kHz 2ms

分別進(jìn)行調(diào)度發(fā)送的。

NPUSCH 信道基本調(diào)度資源單位（Resource Unit）

NB-IoT 沒有特定的上行控制信道，控制信息也復(fù)用在上行共享信道（NPUSCH）中發(fā)送。所謂的控制信息指的

是與 NPDSCH對應(yīng)的 ACK/NAK 的消息，并不像 LTE 大網(wǎng)那樣還需要傳輸表征信道條件的 CSI 以及申請調(diào)度資

源的 SR（Scheduling Request）。

NB-IoT 上行物理信道進(jìn)行了簡化

NPUSCH 目前只支持天線單端口，NPUSCH 可以包含一個(gè)或者多個(gè) RU。這個(gè)分配的 RU 資源單位數(shù)量由

NPDDCH 承載的針對NPUSCH 的 DCI 格式 N0（format N0）來指明。這個(gè) DCI 格式 N0 包含分配給 RU 的連

續(xù)子載波數(shù)量 n sc , 分配的 RU 數(shù)量 N RU ，重復(fù)發(fā)送的次數(shù) N Rep 。UE 通過解讀 DCI 格式 N0 獲取相關(guān) NPUSCH

上行傳輸?shù)臅r(shí)間起點(diǎn)以及所占用的視頻資源，上行共享信道子載波間隔與解碼隨機(jī)接入 grant 指示 Msg3 發(fā)送采

用的子載波間隔保持一致。另外 NPUSCH 上行具體的對應(yīng)取值在協(xié)議中有明確的定義（見 36.213R13

16.5.1.1&16.5.1.2）。在子載波上映射的 NPUSCH 符號應(yīng)該與上行參考信號錯(cuò)開。在映射了 N slots 個(gè)時(shí)隙后，為

了提升上行軟覆蓋，保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，這 N slots 個(gè)時(shí)隙需要被重復(fù) 次。具體的計(jì)算公式如下（36.211 R13

10.1.3.6）

我們進(jìn)行一點(diǎn)簡單的計(jì)算。

對于NPUSCH 格式 1 中子載波間隔 3.75kHz,RU 頻域子載波數(shù)為 1 的情況，查表計(jì)算得出每個(gè)傳輸?shù)臅r(shí)隙不需要重復(fù)。

這樣NPUSCH 的待發(fā)符號會(huì)映射滿一個(gè) RU（1 個(gè)子載波，8 個(gè)時(shí)隙，持續(xù) 32ms），之后再重復(fù)

次；

對于NPUSCH 格式 2 中子載波間隔 15kHz,RU 頻域子載波數(shù)為 1 的情況，查表計(jì)算出每 2 個(gè)時(shí)隙需要被重復(fù)發(fā)送，而

RU 內(nèi)部重復(fù)次數(shù) 為 1，其實(shí)意味著和前一種情況一致了。NPUSCH 的待發(fā)信號映射滿一個(gè) RU（1 個(gè)

子載波，4 個(gè)時(shí)隙，持續(xù) 2ms），之后再重復(fù) 次；

對于NPUSCH 格式 1 中子載波間隔 15kHz，RU 頻域子載波數(shù)為 6 的情況，查表計(jì)算出每 2 個(gè)時(shí)隙需要被重復(fù)發(fā)送，

假設(shè)通過解碼 DCI 獲得 的值為 4，那么經(jīng)計(jì)算 為 2，那么實(shí)際情況是在該 RU 持續(xù)的 4

個(gè)時(shí)隙內(nèi)，NPUSCH 符號先映射滿 2 個(gè)時(shí)隙，然后 RU 內(nèi)部一重復(fù)，這種映射方式直到 NPUSCH 符號被完全發(fā)送完，

之后NPUSCH 重復(fù) 3 次，也就是說每映射 2 個(gè)時(shí)隙的 NPUSCH 符號，實(shí)際總共需要 16 個(gè)時(shí)隙重傳來保障上行數(shù)據(jù)接

受的可靠性。

通過這些例子的簡單計(jì)算，我們可以摸清 NPUSCH 映射傳輸?shù)囊恍┮?guī)律，NPUSCH 采取“內(nèi)部切片重傳”與“外

部整體重傳”的機(jī)制保證上行信道數(shù)據(jù)的可靠性。對于格式 2 承載的一些控制信息，由于數(shù)據(jù)量較小，就沒有采

取內(nèi)部分割切片的方式，而是數(shù)據(jù) NPUSCH 承載的控制信息傳完以后再重復(fù)傳輸保證質(zhì)量。NPUSCH 在傳輸過

程中需要與 NPRACH 錯(cuò)開，NPRACH 優(yōu)先程度較高，如果與 NPRACH 時(shí)隙重疊，NPUSCH 需要延遲一定的

時(shí)隙傳輸（36.211 R13 10.1.3.6）。在傳輸完 NPUSCH 或者 NPUSCH 與 NPRACH 交疊需要延遲 256ms 傳輸，

需要在傳輸完 NPUSCH 或者 NPRACH 之后加一個(gè) 40ms 的保護(hù)間隔，而被延遲的 NPUSCH 與 40ms 保護(hù)間隔

交疊的數(shù)據(jù)部分則認(rèn)為是保護(hù)帶的一部分了，換言之，這部分上傳數(shù)據(jù)被廢棄掉了。在 NPUSCH 的上行信道配

置中還同時(shí)考慮了與 LTE 上行參考信號 SRS 的兼容問題，這里通過 SIB2-NB 里面的

NPUSCH-ConfigCommon-NB 信息塊中的 npusch-AllSymbols 和 srs-SubframeConfig 參數(shù)共同控制，如果

npusch-AllSymbols 設(shè)置為 false,那么 SRS 對應(yīng)的位置記作 NPUSCH 的符號映射，但是并不傳輸，如

果 npusch-AllSymbols 設(shè)置為 true,那么所有的 NPUSCH 符號都被傳輸。對于需要兼容 SRS 進(jìn)行匹配

的 NPUSCH，意味著一定程度上的信息損失，這也是與 LTE 采取帶內(nèi)模式組網(wǎng)時(shí)需要考慮的。

NB-IoT 上行共享信道具有功控機(jī)制，通過“半動(dòng)態(tài)”調(diào)整上行發(fā)射功率使得信息能夠成功在基站側(cè)被解碼。之

所以說上行功控的機(jī)制屬于“半動(dòng)態(tài)”調(diào)整（這里與 LTE 功控機(jī)制比較類似），是由于在功控過程中，目標(biāo)期望

功率在小區(qū)級是不變的，UE 通過接入小區(qū)或者切換至新小區(qū)通過重配消息獲取，功控中進(jìn)行調(diào)整的部分只是路

損補(bǔ)償。UE 需要檢測 NPDCCH 中的 UL grant以確定上行的傳輸內(nèi)容（NPUSCH 格式 1,2 或者M(jìn)sg3），不同

內(nèi)容路損的補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整系數(shù)有所不同，同時(shí)上行期望功率的計(jì)算也有差異，具體計(jì)算公式可以參見 36.213 R13

16.2.1.1.1。上行功控以時(shí)隙作為基本調(diào)度單位，值得注意的是在如果 NPUSCH 的 RU 重傳次數(shù)大于 2，那么意

味著此時(shí) NB-IoT 進(jìn)行深度覆蓋受限環(huán)境，上行信道不進(jìn)行功控，采取最大功率發(fā)射 ，

該值不超過 UE 的實(shí)際最大發(fā)射功率能力，對于 class3UE 最大發(fā)射功率能力是 23dBm,class5UE 最大發(fā)射功率

能力 20dBm。

DMRS(Demodulation reference signal)

不同格式的 RU 對應(yīng)產(chǎn)生不同的解調(diào)參考信號。主要按照 （一個(gè) RU 包含的子載波數(shù)量）和

兩類來計(jì)算。另外 NPUSCH 兩種格式的解調(diào)參考信號也不一樣，格式 1 每個(gè) NPUSCH 傳輸時(shí)隙包

含一個(gè)解調(diào)參考信號，而格式 2 每個(gè)傳輸時(shí)隙則包含 3 個(gè)解調(diào)參考信號，這種設(shè)計(jì)可能源于承載控制信息的

NPUSCH 的 RU 中空閑位置較多，而且分配給控制信息的 RU 時(shí)域資源相對較少，因此每個(gè)傳輸時(shí)隙通過稍多的

解調(diào)參考信號予以進(jìn)行上行控制信息的解調(diào)保障。對于包含不同子載波的 RU 而言（當(dāng)然我們也可以按照

single-tone,multi-tone 分類）需要保證每個(gè)子載波至少一個(gè) DMRS 參考信號以確定信道質(zhì)量，同時(shí) DMRS 的

功率與所在 NPUSCH 信道的功率保持一致。對于 multi-tone 中如何生成參考信號，既可以通過解讀系統(tǒng)消息

SIB2-NB 中的 NPUSCH-ConfigCommon-NB 信息塊中的參數(shù)（可選）獲取，也可以根據(jù)小區(qū) ID 通過既定公

式計(jì)算獲取（36.211 R13 36.211）。解調(diào)參考信號可以通過序列組跳變（Group hopping）的方式避免不同小

區(qū)間上行符號的干擾。序列組跳變并不改變 DMRS 參考信號在不同子幀的位置，而是通過編碼方式的變化改變

DMRS 參考信號本身。對于 的 RU，RU 內(nèi)部的每個(gè)時(shí)隙中的序列組跳變是一樣的，而對于

的 RU，RU內(nèi)部每個(gè)偶數(shù)時(shí)隙的序列組的計(jì)算方式就要重新變化一次。DMRS 映射到物理資源的

原則是確保 RU 內(nèi)每個(gè)時(shí)隙的每個(gè)子載波至少一個(gè)參考信號，這個(gè)也很好理解，通俗的說就說保證每個(gè)時(shí)隙上的

子載波能夠被正確解調(diào)，同時(shí)又不由于過多的分配 DMRS 導(dǎo)致資源消耗夠多，物理層設(shè)計(jì)的時(shí)候也進(jìn)行了相應(yīng)

的權(quán)衡。當(dāng)然在物理資源映射分配上格式 1 與格式 2 的 DMRS 還是有些差異。格式 1 在每個(gè)時(shí)隙每個(gè)子載波上

只分配 1 個(gè) DMRS 參考信號，格式 2 在每個(gè)時(shí)隙每個(gè)子載波上分配 3 個(gè) DMRS 參考信號。

NB-IoT 上行 SC-FDMA 基帶信號對于單子載波 RU 模式需要區(qū)分 BPSK，QPSK 模式,即基于不同的調(diào)制方式和

不同的時(shí)隙位置進(jìn)行相位偏置，這一點(diǎn)與 LTE 是不同的，LTE 上行的 SC-FDMA 主要是由于考慮到終端上行的

PAPR問題采取在 IFFT 前加 DFT 變換，同時(shí)分配給用戶頻域資源中不同子載波功率是一致的，這樣 PAPR 問題

得到了有效的緩解。而對于 NB-IoT 而言，對于 single-tone的這種單子載波傳輸?shù)姆绞剑�功率譜密度更高，對

帶外旁瓣泄露更加敏感，另外相比 multi-tone 傳輸方式，單 DFT 抽頭抑制 PAPR 效果相對較弱，因此通過基于

不同調(diào)制方式數(shù)據(jù)的相位偏置可以進(jìn)行相應(yīng)的削峰處理，同時(shí)又不會(huì)像簡單 clipping 技術(shù)一樣使得頻域旁瓣產(chǎn)生

泄漏，產(chǎn)生帶外干擾。

NPRACH(Narrowband physical random access channel)

窄帶隨機(jī)接入信道顧名思義就是傳輸隨機(jī)接入請求的。隨機(jī)接入過程是 UE 從空閑態(tài)獲取專用信道資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫B

接態(tài)的重要方法手段。在 NB-IoT 中沒有了同步狀態(tài)下的 SR 流程對于調(diào)度資源的申請，NB-IoT 主要靠隨機(jī)接入

流程申請調(diào)度資源。隨機(jī)接入使用的 3.75kHz 子載波間隔，同時(shí)采取在單子載波跳頻符號組的方式發(fā)送不同循環(huán)

前綴的 preamble。隨機(jī)接入符號組如圖所示，它由 5 個(gè)相同的 OFDM 符號與循環(huán)前綴拼接而成。隨機(jī)接入前

導(dǎo)序列只在前面加循環(huán)前綴，而不是在每個(gè) OFDM 符號前都加（如 NB-IoT 的 NPUSCH 上行共享信道），主要

原因是由于其并不是多載波調(diào)制，因此不用通過 CP 保持子載波之間的正交性，節(jié)省下 CP 的資源可以承載更多

的前導(dǎo)碼信息，基站側(cè)通過檢測最強(qiáng)徑的方式確認(rèn)隨機(jī)接入前導(dǎo)碼。隨機(jī)接入前導(dǎo)碼包含兩種格式，兩種格式的

循環(huán)前綴不一樣。

隨機(jī)接入符號組

前導(dǎo)碼參數(shù)配置

一個(gè)前導(dǎo)碼（preamble）包含了 4 個(gè)符號組，同時(shí)被連續(xù)傳輸 。通過一些列的時(shí)頻資源參數(shù)配

置，隨機(jī)接入前導(dǎo)碼占據(jù)預(yù)先分配的時(shí)頻資源進(jìn)行傳輸。UE 通過解讀 SIB2-NB 消息獲取這些預(yù)配置參數(shù)。

如何通過這些配置參數(shù)確定前導(dǎo)碼的起始位置？為了避免枯燥的參數(shù)解讀與描述，我們通過簡單的計(jì)算來說明。

起始

假設(shè) nprach-Periodicity =1280ms,那么發(fā)起隨機(jī)接入的無線幀號應(yīng)該是 0,128,256....(128 的整數(shù)倍)，當(dāng)然隨

著這個(gè)取值越大，隨機(jī)接入延遲越大，但是這對于物聯(lián)網(wǎng) NB-IoT 來說并不太敏感，基于抄水表的物聯(lián)網(wǎng)

終端更需要保證的是數(shù)據(jù)傳遞準(zhǔn)確性，對于延遲可以進(jìn)行一定的容忍。 nprach-StartTime 決定了具體的起始

時(shí)刻，假設(shè) nprach-StartTime =8，那么前導(dǎo)碼可以在上述無線幀的第 4 號時(shí)隙上發(fā)送（8ms/2ms=4）。這

兩組參數(shù)搭配取值也有一定的潛規(guī)則，如果 nprach-Periodicity 取值過小， nprach-StartTime 取值過大，建議

可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

重復(fù)

一個(gè)前導(dǎo)碼占用 4 個(gè)符號組， 假設(shè) numRepetitionsPerPreambleAttempt =128（最大值），意味前導(dǎo)碼需要被重

復(fù)傳遞 128 次，這樣傳輸前導(dǎo)碼實(shí)際占用時(shí)間為 4*128*（ T CP + T SEQ ） T S (時(shí)間單位) ，而協(xié)議規(guī)定，每傳輸 4*64

（ T CP + T SEQ ） T S ，需要加入 40*30720 T S 間隔（36.211 R13 10.1.6.1），假設(shè)采取前導(dǎo)碼格式 0 進(jìn)行傳輸，

那么傳輸前導(dǎo)碼實(shí)際占用時(shí)間為 796.8ms，相比 LTE 的隨機(jī)接入，這是一個(gè)相當(dāng)大的時(shí)間長度，物聯(lián)網(wǎng)終

端隨機(jī)接入需要保證用戶的上行同步請求被正確解碼，而對于接入時(shí)延來講依然不那么敏感。

頻域位置

分配給 preamble 的頻域資源不能超過頻域最大子載波數(shù)，即

nprach-SubcarrierOffset + nprach-NumSubcarriers <= 48,超過 48 意味著參數(shù)配置無效。這兩個(gè)參數(shù)，決定了每個(gè)

符號（ 注：我們這里并沒有用 OFDM 符號這個(gè)詞，由于隨機(jī)接入前導(dǎo)碼并沒有采取 OFDM 調(diào)制技術(shù)，只是占用了 ODFM

符號的位置而已 ）中 NPRACH 的起始位置，NPRACH 采取在不同的符號的不同單子載波跳頻，但是有一個(gè)限制

條件，就是在起始位置以上的 12 個(gè)子載波內(nèi)進(jìn)行跳頻，具體的跳頻位置計(jì)算比較復(fù)雜，可參見（36.311 R13

10.1.6.1）

nprach-NumCBRA-StartSubcarriers 和 nprach-SubcarrierMSG3-RangeStart 這兩個(gè)參數(shù)決定了隨機(jī)過程競爭階段

的起始子幀位置，如果 nprach-SubcarrierMSG3-RangeStart 取值為 1/3 或者 2/3，那么指示UE 網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持

multi-tone方式的 msg3 傳輸。

基帶導(dǎo)頻信號生成

基帶導(dǎo)頻信號的生成和每個(gè)符號組跳頻的偏置相關(guān)，是個(gè)復(fù)信號，具體計(jì)算公式參見 36.311 R13 10.1.6.2。

隨機(jī)接入過程

UE 在發(fā)起非同步隨機(jī)接入之前，需要通過高層獲取 NPRACH 的信道參數(shù)配置。在物理層的角度看來，隨機(jī)接入

過程包含發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼和接收隨機(jī)接入響應(yīng)兩個(gè)流程。其余的消息，比如競爭解決及響應(yīng)（msg3，ms4），

認(rèn)為在共享信道傳輸，因此不認(rèn)為是物理層的隨機(jī)接入過程。

過程 1:發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼（發(fā)送 Msg1）

隨機(jī)接入信道為每個(gè)連續(xù)的前導(dǎo)碼符號占用一個(gè)子載波。層 1 的隨機(jī)過程是由高層的接入請求觸發(fā)的，隨機(jī)接入

的發(fā)射目標(biāo)功率（隨機(jī)信道受高層控制有功率抬升機(jī)制），對應(yīng)的 RA-RNTI 和 NPRACH 資源分配也是由高層決

定的。

過程 2：接收隨機(jī)接入響應(yīng)獲取 uplink grant（解碼 Msg2,RAR）

UE 通過 RA-RNTI 解碼下行 NPDCCH 獲取被對應(yīng) RA-RNTI 加擾的 DCI，通過 DCI 獲取對應(yīng) DL-SCH 資源傳輸

塊，將資源塊傳遞高層，高層解析資源塊，并向物理層指明 N r -bit 的上行授權(quán)（uplink grant）。Nr=15，

這 15bit 包含了如下的相關(guān)信息（從左至右）

通過解讀 NPDCCH 中 DCI 獲得隨機(jī)接入響應(yīng)資源預(yù)留，規(guī)定了 Msg3 發(fā)送占用的資源以及調(diào)制方式

為了更直觀的說明物理層隨機(jī)接入過程，我們用流程圖的方式進(jìn)行了整理