NB-IoT詳細解讀

其中3.75KHz Subcarrier Spacing只支持單頻傳輸，資源單位的帶寬為一個(gè)Subcarrier，時(shí)間長(cháng)度是16個(gè)Slot，也就是32ms長(cháng)。15KHz Subcarrier Spacing支持單頻傳輸和多頻傳輸，帶寬為1個(gè)Subcarrier的資源單位有16個(gè)Slot的時(shí)間長(cháng)度，即8ms。帶寬為12個(gè)Subcarrier的資源單位則有2個(gè)Slot的時(shí)間長(cháng)度，即1ms，此資源單位即是LTE系統中的一個(gè)Subframe。資源單位的時(shí)間長(cháng)度設計為2的冪次方是為了在排程上可有效的運用資源，較不易產(chǎn)生資源空隙而造成資源浪費。

表1中NPUSCH Format 1的資源單位是用來(lái)傳送上行數據的。NPUSCH Format 2是NB-IoT UE用來(lái)傳送指示NPDSCH有無(wú)成功接收的HARQ-ACK/NACK，所使用的Subcarrier的索引(Index)是在由排程對應的NPDSCH的下行配置(Downlink Assignment)中指示，重復傳送次數則是由無(wú)線(xiàn)資源控制模塊(Radio ResourceControl, RRC)參數配置。

同步訊號

NPSS(Narrowband Primary Synchronization Signal)為提供NB-IoT UE時(shí)間和頻率同步的參考訊號，但NPSS中并不帶有分區(Sector)ID。NSSS(Narrowband Secondary Synchronization Signal)帶有Physical Cell ID。NPSS與NSSS的資源位置避開(kāi)了LTE系統中的控制區域，其資源位置如圖1。

圖1 承載NPSS和NSSS的資源位置

NPSS的周期是10ms，NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在尋找細胞(Cell Search)時(shí)，會(huì )先檢測NPSS，因此NPSS的設計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列，對于最初的訊號檢測和初步的同步復雜度較低且有好的效果。

窄頻參考訊號

NB-IoT下行最多支持兩個(gè)天線(xiàn)端口(Antenna Port)的參考訊號，資源的位置在時(shí)間上與LTE系統的細胞參考訊號(Cell-Specific Reference Signal, CRS)錯開(kāi)，在頻率上則與之相同，因此在In-Band Operation若有檢測到CRS，可與NRS共同使用來(lái)做通道估測，如圖2。

圖2 NRS資源位置

因此，NB-IoT下行僅支持單天線(xiàn)(Single Antenna)和傳送分集(Transmit Diversity)這兩種傳送模式(TransmissionMode)。

系統信息

系統信息MIB-NB(Narrowband Master Information Block)承載于周期640ms之周期性出現的NPBCH(Narrowband Physical BroadcastChannel)中，其余系統信息如SIB1-NB(Narrowband System InformationBlock Type1)等則承載于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。

有效下行子訊框

在NB-IoT中，一般下行數據傳輸會(huì )傳送在NPDSCH中，下行控制訊息則是傳送在NPDCCH中，而若某一Subframe不為有效下行子訊框(Valid Downlink Subframe)，則原先該在此Subframe傳送的NPDSCH或NPDCCH會(huì )順延至下一個(gè)Valid DownlinkSubframe來(lái)傳送。任一Subframe若用來(lái)傳輸NPSS、NSSS、NPBCH、SIB1-NB，則不被視為一個(gè)Valid Downlink Subframe。

在In-Band Operation中，ENB可能因將資源做為其他用途而會(huì )把一個(gè)Subframe設定為非Valid DownlinkSubframe，此信息將會(huì )由承載于SIB1-NB中的一個(gè)Bitmap來(lái)指示。

Narrowband Physical Downlink Control Channel

Narrowband Physical Downlink Control Channel(NPDCCH)有別于LTE系統中的PDCCH，并非每個(gè)Subframe均有NPDCCH，而是周期性的出現。NPDCCH有三種搜索空間(Search Space)，分別用于排程一般數據傳輸、無(wú)線(xiàn)資源控制模塊(Random Access)程序相關(guān)信息傳輸，以及呼叫(Paging)信息傳輸。

各個(gè)Search Space有無(wú)線(xiàn)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對應之Rmax與RRC層配置的一參數之乘積。

RRC層亦可配置一偏移(Offset)以調整一Search Space的開(kāi)始時(shí)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(gè)Subcarrier。

一個(gè)DCI中會(huì )帶有該DCI的重復傳送次數，以及DCI傳送結束后至其所排程之NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時(shí)間，NB-IoT UE即可使用此DCI所在之Search Space的開(kāi)始時(shí)間，來(lái)推算DCI之結束時(shí)間以及排程之數據的開(kāi)始時(shí)間，以進(jìn)行數據之傳送或接收。

Narrowband Physical Downlink Shared Channel

Narrowband Physical Downlink Shared Channel(NPDSCH)是用來(lái)傳送下行數據以及系統信息，NPDSCH所占用的帶寬是一整個(gè)PRB大小。一個(gè)傳輸塊(Transport Block, TB)依據所使用的調變編碼(MCS)，可能需要使用多于一個(gè)Subframe來(lái)傳輸，因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會(huì )包含一個(gè)TB對應的Subframe數目以及重復傳送次數的指示。

Narrowband Physical Uplink Shared Channel

Narrowband Physical Uplink Shared Channel(NPUSCH)是用來(lái)傳送上行數據以及上行控制信息。NPUSCH傳輸可使用單頻或是多頻傳輸，一個(gè)TB依據所使用的MCS，可能需要使用多于一個(gè)資源單位來(lái)傳輸，因此在NPDCCH中接收到的上行允許(Uplink Grant)中除了指示上行數據傳輸所使用的資源單位的Subcarrier的Index，也會(huì )包含一個(gè)TB對應的資源單位數目以及重復傳送次數的指示。

Narrowband Physical Random Access Channel

有別于LTE中Random AccessPreamble使用ZC序列，NB-IoT中的Random Access Preamble是單頻傳輸(3.75KHzSubcarrier Spacing)，且使用的Symbol為一定值。一次的Random AccessPreamble傳送包含四個(gè)Symbol Group，一個(gè)Symbol Group是5個(gè)Symbol加上一CP，如圖3。

圖3 Radom AccessPreamble Symbol Group

每個(gè)Symbol Group之間會(huì )有跳頻(FrequencyHopping)。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的Subcarrier。

協(xié)議層的變更

依據3GPP的規劃，RAN2將NB-IoT在協(xié)議層規畫(huà)了兩種數據傳輸模式。分別是控制平面(Control Plane,CP)解決方案與使用者平面(User Plane, UP)解決方案。其中CP解決方案是必要支持，UP解決方案為額外支持的選項。

.CP解決方案

NB-IoT UE并不與基地臺建立DRB(Data Radio Bearer)而只透過(guò)建立的SRB(Signaling Radio Bearer)來(lái)傳遞少量的數據。

.UP解決方案

基地臺與NB-IoT UE之間新增了一個(gè)名叫Suspend-Resume的程序。其目的在于降低NB-IoT UE在RRC聯(lián)機模式(Connected Mode)與閑置模式(Idle Mode)之間切換時(shí)所需要交換的訊息數量，藉此節省NB-IoT UE的能源消耗(Power Consumption)。實(shí)際的作法如圖4，當基地臺在NB-IoT UE不需要RRC聯(lián)機時(shí)下達指令讓該裝置進(jìn)入Suspend模式，而該Suspend指令中會(huì )夾帶一組Resume ID(如圖4，步驟11)。

不同于以往從RRC聯(lián)機模式至閑置模式的過(guò)程，基地臺與NB-IoT UE間會(huì )盡可能地保留在RRC聯(lián)機模式下所使用的無(wú)線(xiàn)資源分配以及相關(guān)安全性配置。當NB-IoT UE欲進(jìn)行數據傳輸時(shí)，僅需要在Random Access程序中的第三道訊息(RRC ConnectionRequest)夾帶基地臺配給的Resume ID(如圖4，步驟4)，基地臺即可以在透過(guò)此Resume ID來(lái)辨識NB-IoT UE，并且跳過(guò)相關(guān)的配置訊息交換，直接進(jìn)入數據傳輸。

圖4 Suspend-Resume程序

多載波運作模式

系統可以在一個(gè)Cell中同時(shí)間于多個(gè)載波上提供服務(wù)，但單一NB-IoT UE同一時(shí)間僅能在一個(gè)載波上面傳收數據。NB-IoT的載波可以分為兩類(lèi)：提供NPSS、NSSS與承載NPBCH和系統信息的載波稱(chēng)為Anchor Carrier，其余的載波則稱(chēng)為Non-Anchor Carrier。

NB-IoT UE一律需要從Anchor Carrier上面進(jìn)行Random Access，基地臺會(huì )在Random Access的第四道訊息傳遞Non-Anchor Carrier的排程信息以將NB-IoT UE卸除至Non-Anchor Carrier上進(jìn)行后續的數據傳輸，避免Anchor Carrier的無(wú)線(xiàn)資源吃緊。

移動(dòng)性

NB-IoT UE的主要應用場(chǎng)景皆屬于低移動(dòng)性，因此為了兼顧NB-IoT的低復雜度與低成本的需求，在Release 13的規格當中將換手(Handover)程序給移除了。取而代之的是當發(fā)生NB-IoT UE在不同基地臺涵蓋范圍間移動(dòng)時(shí)，會(huì )先進(jìn)行RRC釋放(Release)，再重新與新的基地臺進(jìn)行RRC聯(lián)機。

.系統信息方塊的減少

由于NB-IoT UE所支持的功能經(jīng)過(guò)大量的簡(jiǎn)化，相對應地在既有LTE無(wú)線(xiàn)通信系統中存在的系統信息方塊(SystemInformation Block, SIB)，對于NB-IoT UE來(lái)講并不需要。所以SIB的數量大幅減少至僅剩七個(gè)，且這些NB-IoT UE所需讀取的SIB在基地臺端是獨立傳送(SIB-NB)，并非夾帶在原有系統之SIB中。NB-IoT共有以下幾種SIB-NB。

SIB1-NB：存取有關(guān)之信息與其他系統信息方塊排程

SIB2-NB：無(wú)線(xiàn)資源分配信息

SIB3-NB：Cell Re-selection信息

SIB4-NB：Intra-frequency的鄰近Cell相關(guān)信息

SIB5-NB：Inter-frequency的鄰近Cell相關(guān)信息

SIB14-NB：存取禁止(Access Barring)

SIB16-NB：GPS時(shí)間/世界標準時(shí)間(Coordinated Universal Time, UTC)信息

Cell Reselection與閑置模式運作

對于NB-IoT來(lái)講，Cell Reselection的機制也做了適度的簡(jiǎn)化，如圖5。由于NB-IoT UE并未支持緊急撥號的功能，所以當一NB-IoT UE遇到無(wú)法找到Suitable Cell之情況，該NB-IoT UE不會(huì )暫時(shí)駐扎(Camp)在A(yíng)cceptable Cell，取而代之的是持續搜尋直到找到Suitable Cell為止。根據3GPP TS 36.304規格的定義，所謂的Suitable Cell為可以提供正常服務(wù)的Cell，而Acceptable Cell為僅能提供緊急服務(wù)的Cell。

圖5 NB-IoT CellReselection的程序

邏輯信道與傳送信道之對應

NB-IoT并不支持多媒體廣播多播服務(wù)(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)。所以在邏輯信道至傳送信道的對應上，即移除了所有的多播通道(MCCH, MTCH)。其余的廣播，數據與控制信道皆獲保留。

排程

由于NB-IoT UE是被預期為一種低復雜的裝置，故在硬件的規格等級與反應時(shí)間等能力皆較為低階。所以基地臺針對于NB-IoT UE的數據傳輸會(huì )強制采取跨子訊框(Cross Subframe)的排程方式，以替NB-IoT UE爭取更充足的時(shí)間做DCI的譯碼以及傳送與接收模式之間的轉換。

隨機存取

基地臺會(huì )針對各個(gè)CE Level去配置對應的NPRACH資源。Random Access程序(如圖6)開(kāi)始之前，NB-IoT UE會(huì )藉由量測下行參考訊號來(lái)決定所在的CE Level，并使用該CE Level之NPRACH資源。但是當Random Access程序因Preamble傳輸階段未能成功時(shí)，NB-IoT UE會(huì )在更高一個(gè)CE Level的NPRACH資源重新進(jìn)行Random Access程序，直到嘗試完所有CE Level的NPRACH資源為止。

圖6 NB-IoT Random Access程序

反之，但對于曾經(jīng)進(jìn)入第三道訊息傳輸階段的NB-IoT UE而言，當Random Access程序未能成功時(shí)，則是留在同樣的CE Level的NPRACH資源重新進(jìn)行Random Access程序。此設計的原因是假若一個(gè)NB-IoT UE可以進(jìn)入到第三道訊息傳輸階段，即代表該NB-IoT UE的CE Level選擇洽當，Preamble傳輸已可以讓基地臺順利接收。

另外，NB-IoT的Random Access程序會(huì )在第三道訊息(RRC Connection Request)中進(jìn)行數據數量以及功率余?；貓?Data Volume and Power Headroom Report, DPR)。NB-IoT UE在進(jìn)入RRC聯(lián)機模式之前，藉此通知基地臺自己數據傳輸狀態(tài)，以讓基地臺提前做適度的RRC資源分配。

未來(lái)趨向提高數據速率　減少重發(fā)以降低功耗

3GPP從第十版本的規格即開(kāi)始討論機器型態(tài)通訊，替未來(lái)的行動(dòng)通訊系統挹注進(jìn)許多全新的挑戰。但由于MTC所采用的帶寬是MHz等級，仍無(wú)法真的落實(shí)降低成本的目標。

延伸到Release 13的NB-IoT，即以使用180KHz帶寬的限制去做設計，且為了增加此標準技術(shù)的使用普遍性，制定了三種運行模式。因為帶寬僅有相當于LTE系統中一個(gè)PRB的大小，因此NB-IoT中的物理層通道做了相當大的改變，且為了可與LTE系統一同運作，設計的原則以不影響LTE系統為主。協(xié)議層的程序則是將現有LTE系統中的程序做簡(jiǎn)化，減少所需要交換的訊息量，但也新設計了相關(guān)程序以因應NB-IoT中的重復傳送行為以及CE Level間的變換等。

可以預期下一個(gè)版本的NB-IoT的設計目標會(huì )轉向進(jìn)一步提升數據速率，以因應數據量需求較大的物聯(lián)網(wǎng)使用情境。目前觀(guān)察到的方向為增強Release 13中的多載波(Multi-Carrier)運行模式靈活性，使NB-IoT UE可同時(shí)在多個(gè)Carrier上數據傳收。

另外，NB-IoT利用重復傳送的行為達到延伸涵蓋范圍的目的，卻也帶來(lái)增加能源消耗的缺點(diǎn)。所以在未來(lái)會(huì )設計較為精準的數據重復傳送次數控制程序。例如，若基地臺在NB-IoT UE重復傳送結束前已成功接收數據，可提前通知NB-IoT UE停止剩余的重復傳送次數以節省電力。