深扒 NB-IoT（3）| NB-IoT 协议栈和物理层（一）

NB-IoT物理信道是比较复杂的一块内容，这一讲带大家了解下协议栈和物理层。

一、无线帧结构

1）时域

上 行

15KHz

1RU（Resource Unit） =8ms

1无线帧 = 10ms = 10子帧

1子帧 = 1ms = 2 时隙

1时隙 = 7符号

3.75KHz

1RU（Resource Unit） =32ms

1无线帧 = 40ms = 10子帧

1子帧 = 4ms= 2 时隙

1时隙 = 7符号

注：上面红色标粗的部分，就是和LTE不同的地方。

下 行

与LTE相同

1超帧 = 1024无线帧

1无线帧 = 10ms = 10子帧

1子帧 = 1ms = 2 时隙

1时隙 = 7符号

0/7符号的CP： 5.2us

1~6/ 8 ~ 13 CP： 4.7us

2）频域

上行

SCFDMA，2种带宽

3.75KHz （功率谱更大，覆盖更好， NPRACH）

15KHz（速率高，时延小，NPUSCH）

2种模式

Single Tone

（1个用户使用1个载波，低速应用）

Multi-Tone

（1个用户使用多个载波，高速应用,只支持15KHz）

下行

OFDMA

占用200KHz带宽（两边各留 10KHz 保护带，实际占用180KHz，在 LTE Inband 部署时占用 180KHz，即一个 RB）

子载波带宽：15KHz

子载波数量：12

二、信道映射

逻辑信道:（逻辑信道是 MAC 子层向上层提供的服务，表示承载的内容是什么 (what)，，按信息内容划分，分为两大类：控制信道和业务信道）

CCCH：Common ControlChannel 公共控制信道

DCCH: Dedicated Control Channel 专用控制信道

DTCH: Dedicated Traffic Channel 专有业务信道

BCCH：BroadcastControl Channel 广播控制信道

PCCH: Paging Control Channel 寻呼控制信道

传输信道（输信道表示承载的内容怎么传, 以什么格式传, 分为两大类: 专用传输信道和公用传输信道）

上行信道:

UL-SCH:    Uplink Shared Channel(s) 上行共享信道

RACH:   Random Access Channel 随机接入信道

下行信道:

BCH:     Broadcast Channel 广播信道

DL-SCH： DownlinkShared Channel(s)

PCH:     Paging Channel 寻呼信道

物理信道：（物理信道则是将属于不同用户、不同功用的传输信道数据流分别按照相应的规则确定其载频、扰码、扩频码、开始结束时间等进行相关的操作，并在最终调制为模拟射频信号发射出去；不同物理信道上的数据流分别属于不同的用户或者是不同的功用）

上行信道:

NPUSCH: Narrowband PhysicalUplink Shared Channel 窄带物理上行共享信道

NPRACH: Narrowband PhysicalRandom Access Channel 窄带物理随机接入信道

DMRS： Demodulation Reference Signa 解调参考信号

下行信道:

NPBCH:  Narrowband Physical Broadcast Channel 窄带物理广播信道

NPDSCH: Narrowband PhysicalDownlink Shared Channel 窄带物理下行共享信道

NPDCCH: Narrowband PhysicalDownlink Control Channel 窄带物理下行控制信道

NRS: Narrowband reference signal 窄带参考信号

NSS: Narrowband synchronization signal 窄带同步信号

NPRS：Narrowband positioning reference signal 窄带定位参考信号

与 LTE 相比，NB-IoT：

上行取消了 PUCCH，

下行取消了 PCFICH，PHICH。

本篇文章先介绍下上行信道。

三、上行物理信道介绍： NPRACH和NPUSCH

NPRACH固定使用3.75KHz载波，NPUSCH在不同的覆盖等级下，使用不同的MCS(速率不同，重复次数）

NPUSCH使用15KHz、3.75KHz或者15KHz与3.75KHz共存方式

NPUSCH Format1 承载上行业务传输，Format2承载下行NPDSCH传输的ACK/NACK反馈消息。

从上图可以看出 PRACH 是有不同的区块，所以这里的 NPRACH 的会有个覆盖等级的概念，为了兼顾覆盖深度和容量性能，将 NB-IoT 小区划分为不同覆盖等级， NB-IoT 支持最大 3 个覆盖等级，相比原制式分别对应 0dB/10dB/20dB 覆盖增强。

问题1,UE如何判断?

1. SIB2 发送覆盖等级与 RSRP 映射关系

RSRP-ThresholdsNPRACH-InfoList-NB-r13:=SEQUENCE (SIZE(1..2)) OF RSRP-Range

2. UE 根据 RSRP 测量结果选择合适的覆盖等级

3. 根据覆盖等级选择合适的 NPRACH 资源

问题2，基站如何判断？

RSRP 与覆盖等级的映射关系通过：MOD RACHCFG 配置。

基站侧通过获取到 preamble 所在的覆盖等级资源位置，从而得知终端所在的覆盖等级，后续在数传过程中，不会再修改覆盖等级，即便终端 RSRP 发生变化。

四、NPRACH信道：

NPRACH 是基于跳频以 Single-Tone 的方式传输的

3.75kHz 子载波带宽，2 种 CP 长度（66.7us and 266.7us）

Preamble 由 4 个符号组组成，每个符号组种包含 1 个 CP 和 5 个符号

Preamble 重复用好增强覆盖，可配置的重复次数集合 {1,2,4,8,16,32,64,128}

跳频图案

第一级跳频的跳频间隔是单个子载波，由此种跳频间隔应用月第 1/2 符号组和 3/4 符号组之间

第二级跳频的跳频间隔是 6 个子载波，此种跳频间隔应用于第 2/3 符号组之间

Preamble 的不同重复之间采用伪随机跳频，跳频范围限制在 12 个子载波之间

不同的覆盖等级的 NPRACH 资源通过系统消息 SIB2 通知 UE

我们可以看下基站的信令：注意红字的部分的详细说明

NPRACH信道资源举例

当覆盖等级0，NPRACH重复次数为2的时域资源

NB-IoT NPRACH 周期/时长和偏置关系图，如下图，

当 CP 长度为 66.7us 时，NPRACH 时长=5.6ms * CellRachCECfg.NPRACHRepetitionCount

  后一级覆盖等级的偏置和前一级覆盖等级的偏置的差不低于 40ms

偏置在取值范围 {8ms，16ms，32ms，64ms，128ms，256ms，512ms，1024ms} 中选取满足条件的最小值

如下图的例子：假设配置三个覆盖等级为 CL0、CL1 和 CL2，对应参数 CellRachCECfg.NPRACHRepetitionCount 分别配置为 2 次、4 次和 32 次，参数RACHCfg.NbCyclicPrefixLength 取值为「66DOT7(66.7us)」，则覆盖等级 CL0、CL1 和 CL2 对应的 NPRACH 时长分别为：5.6 * 2ms、5.6 * 4ms 和 5.6 * 32ms。根据上述约束条件可知 CL0 的偏置为 8ms，因此：CL1 的偏置要求不低于 CL0 的偏置（8ms）+ MAX{40ms，5.6 * 2ms}，即不低于 48ms，从取值范围中选取满足条件的最小值，因此 CL1 的偏置为 64ms。

CL2 的偏置要求不小于 CL1 的偏置（64ms）+MAX{40ms，5.6 * 4ms}，即不低于 104ms，从取值范围中选取满足条件的最小值，因此 CL2 的偏置为 128ms。

NPRACH信道资源：

不同覆盖等级的NPRACH资源之间可以采用TDM、FDM或者FDM+TDM的方式复用，现网现在主要采用TDM；

注意：NPRACH每传输重复次数超过64时，加入40ms的UL gap。

五、NPUSCH信道

NPUSCH Format 有两种格式：Format 1 和 Format 2.

其中 Format 1 承载上行业务，Format 2 承载 ACK/NACK 消息。

Format 1 描述如下：

子载波带宽和调制方式

Single-Tone

Multi-Tone

子载波带宽

（3.75KHZ / 15KHZ）

15KHZ

调制方式

pi/2-BPSK / pi/4-BPSK

QPSK

重复次数，可配置的的重复次数集合 {1,2,4,8,16,32,64,128}

冗余版本，支持 LTE RV0 和 RV1

默认的 NPUSCH 初始重复次数：

CoverageLevel 覆盖等级配置为 0 时：REP_1(重复次数 1)；

CoverageLevel 覆盖等级配置为 1 时：REP_2(重复次数 2)；

CoverageLevel 覆盖等级配置为 2 时：REP_32(重复次数 32)。

NPUSCH Format—Format 2

子载波带宽和调制方式

Single-Tone / 3.75KHZ

Single-Tone / 15KHZ

RU

8ms

2ms

调制方式

pi/2-BPSK

调度子载波位置

38 ~ 45

0~3

重复次数，可配置的的重复次数集合 {1,2,4,8,16,32,64,128}

不支持 Format 1 捎带 ACK/NACK 消息

六、DMRS 信号

NB 上行除了 NPRACH 和 NPUSCH 还有一个DMRS 信号，DemodulationReference Signal，解调参考信号用于 NPUSCH 信道的相关解调

本次物理信道的上行部分就介绍到这里。

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