1、第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道4.1NB-IoT下行物理信号与物理信道下行物理信号与物理信道4.2窄带物理下行同步信号窄带物理下行同步信号NPSS/NSSS4.3窄带物理参考信号窄带物理参考信号NRS4.4窄带物理下行广播信道窄带物理下行广播信道NPBCH4.5物理控制信道物理控制信道4.6窄带下行共享信道窄带下行共享信道NPDSCH4.7窄带上行随机接入信道窄带上行随机接入信道NPRACH4.8窄带上行共享信道窄带上行共享信道NPUSCH第4章物理信号与物理信道4.1NB-IoT下行物理信号与物理信道下行物理信号与物理信道4.1.1下行物理信号与物理信道下行物理信号与物理信
2、道NB-IoT下行定义两种物理信号与三种物理信道，如表4-1所示。第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道4.1.2下行物理信道映射关系下行物理信道映射关系物理信号与物理信道均是RE资源块(Resource Element)的组合，区别在于有无高层的映射关系：(1)物理信号无需承载来自高层的信息。(2)物理信道需要承载来自高层的信息。第4章物理信号与物理信道下行物理信道的映射关系，如图4-1所示。图4-1NB-IoT下行物理信道与信号的映射关系第4章物理信号与物理信道(1)用于承载寻呼的逻辑信道PCCH，经过MAC层传输信道映射到窄带物理下行共享信道NPDSCH。(2)用于承载系统广播
3、消息的逻辑信道BCCH，分成两部分内容进行映射，用于传送主信息块的MIB，经传输信道BCH映射到窄带物理下行广播信道NPBCH；用于传送除系统主信息以外的其他信息，例如SIB，经传输信道映射到窄带物理下行共享信道NPDSCH。第4章物理信号与物理信道(3)用于承载公共控制信令消息CCCH、专用控制信令消息DCCH和专用业务信道消息DTCH，经传输信道DL-SCH映射到窄带物理下行共享信道NPDSCH。(4)由于窄带物理下行共享信道NPDSCH承载不同信道的信息内容，接收方或发送方若直接传输NPDSCH上的内容，则查找及通知的工作量繁重。通过索引目录的方式来优化查询NPDSCH中的消息内容，衍生
4、出NPDCCH信道。第4章物理信号与物理信道4.2窄带物理下行同步信号窄带物理下行同步信号NPSS/NSSS4.2.1窄带物理下行同步信号作用窄带物理下行同步信号作用对通信系统来说，同步信号是比较重要的，主要用于帮助接收端完成时间和频率同步。对UE来说，开机后第一件事就是进行小区搜索过程。终端的小区搜索过程是通过对同步信号的检测，完成终端与小区在时间和频率上的同步，以获取小区PCI的过程。第4章物理信号与物理信道与LTE类似，NB-IoT的同步信号也包括主同步信号(NPSS)和辅同步信号(NSSS)。其中，主同步信号用于完成时间和频率的同步，辅同步信号用于携带504个小区PCI和80ms的帧定
5、时信息。与LTE不同，NB-IoT在获取小区PCI时，是通过辅同步信号来确定的。而LTE是通过主同步信号和辅同步信号共同来确定小区PCI的。第4章物理信号与物理信道4.2.2窄带物理同步信号时频位置窄带物理同步信号时频位置NB-IoT同步信号分成主同步信号NPSS与辅同步信号NSSS，两者在时频资源上的位置如表4-2所示。第4章物理信号与物理信道1.同步信号在时频资源上的位置同步信号在时频资源上的位置当NB-IoT采用独立部署和保护带部署时，同步信号在时频资源上的位置，如图4-2所示。(1)时域上，NPSS占用5号子帧的最后11个符号，频域上NPSS占010号子载波。(2)时域上，NSSS占用
6、偶数帧9号子帧里最后11个符号，频域上NSSS占011号子载波。第4章物理信号与物理信道图4-2NB-IoT同步信号的时频位置示意图第4章物理信号与物理信道当NB-IoT采用带内部署时，NB-IoT同步信号NPSS/NSSS与LTE的参考信号位置存在重叠区域，重叠区域不影响终端对NB-IoT同步信号的解码，如图4-3所示。第4章物理信号与物理信道图4-3采用带内部署时NB-IoT的同步信号时频资源示意图第4章物理信号与物理信道2.同步信号周期同步信号周期主同步信号NPSS信号周期为10 ms；辅同步信号NSSS信号周期为20 ms。第4章物理信号与物理信道4.3窄带物理参考信号窄带物理参考信号
7、NRS4.3.1窄带物理参考信号作用及特点窄带物理参考信号作用及特点窄带物理参考信号的特点如下：(1)支持单天线端口或两天线端口，映射到时隙的最后两个符号上。(2)支持三种操作模式(Stand-alone/In-band/Guard-Band)。第4章物理信号与物理信道(3)NRS在频域采用与LTE CRS相同的小区专有频率偏移，其偏移幅度为(4)在In-band same PCI情况下(即NB-IoT采用In-band部署模式，NB-IoT小区的PCI与共小区的LTE小区PCI相同)，NB-IoT使用天线端口0和1(与LTE CRS一致)。(5)在In-band same PCI情况下，可以
8、使用LTE CRS作为额外的参考信号用于物理下行信道数据解调和测量。(6)除In-band same PCI以外的其他情况，NB-IoT使用天线端口2000和2001。第4章物理信号与物理信道4.3.2窄带物理参考信号窄带物理参考信号NRS时频位置时频位置1.窄带物理参考信号窄带物理参考信号NRS的时域位置的时域位置窄带物理参考信号NRS的时域位置如图4-4所示，当采用单天线端口或双天线端口时的图均有不同位置。(1)采用单天线端口时，用R0表示1个端口；(2)采用双天线端口时，用R0表示第1个端口，用R1表示第2个端口。第4章物理信号与物理信道图4-4NB-IoT端口及参考信号示意图第4章物理
9、信号与物理信道2.窄带物理参考信号窄带物理参考信号NRS的频域位置的频域位置窄带物理参考信号在频域映射的位置由PCI mod6决定。当PCI mod 6=0时，NRS的频域起始位置从#0子载波开始。(1)单天线端口时，以第5个OFDM符号为时域起始点，如图4-4中的R0。(2)双天线端口时，端口1的NRS用R0表示，以第5个OFDM符号为时域起始点，端口2的NRS用R1表示，以第6个OFDM符号为时域的起始点。第4章物理信号与物理信道同理可以类推，当PCI mod 6=1时，NRS的频域起始位置从#1子载波开始，时域不变，即整个NRS分布往上移一行，如图4-5所示。第4章物理信号与物理信道图4
10、-5PCI mod 6余数与参考信号的位置关系示意图(单天线端口)第4章物理信号与物理信道如果是双天线端口，根据协议规定，在天线端口0处，天线端口1发送R1的RE资源位置必须置位(unused)，即该RE资源不可用(也有的称为DTX)。这样就使得参考信号在双天线端口资源映射时，频域位置由mod6决定变成由mod3决定。例如，小区1采用PCI mod6=0的配置，小区2采用PCI mod6=3的配置，此时由于终端无法区分两个小区的天线端口R0与R1，发生mod3干扰。因此PCI mod 6=0与PCI mod 6=3时，终端无法解调出相关参考信号，如图4-6所示。第4章物理信号与物理信道图4-6
11、PCImod6余数与参考信号的位置关系示意图(双天线端口)第4章物理信号与物理信道4.4窄带物理下行广播信道窄带物理下行广播信道NPBCH4.4.1系统信息广播的作用系统信息广播的作用系统信息广播是移动通信系统中的一个重要功能，是将终端和系统联系起来的纽带。广播主要提供了无线接入网的主要信息，其目的是便于UE建立无线连接并使用网络提供的各项功能。对于无线系统来说，系统消息广播功能是必须实现的。第4章物理信号与物理信道NB-IoT系统消息分成两部分，即MIB和SIBs。(1)MIB是主信息块，传输的是最基本的信息，是UE后续解读SIBs的基础。NPBCH用来承载MIB信息。(2)除MIB携带的消
12、息外，其余系统信息如SIB1-NB等则承载在NPDSCH信道中。第4章物理信号与物理信道4.4.2窄带物理广播信道窄带物理广播信道NPBCH携带内容携带内容NPBCH用来承载MIB-NB消息内容，发送周期是640ms，信道所携带信息的大小是34bits。系统消息分成两部分内容，少量重要内容放在MIB-NB消息中，手机在执行开机附着以及小区选择流程时必须要读取MIB-NB消息；其余系统消息内容(SIBs)通过NPDCCH调度，在NPDSCH信道中承载。消息内容解释详见表4-3。第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道4.4.3窄带物理广播信道窄带物理广播信道NPB
13、CH物理层处理方式物理层处理方式窄带物理广播信道NPBCH位于无线帧的0号子帧，携带系统主消息块MIB-NB，包括系统帧号(SFN)、SIB1-NB的调度信息等。系统消息占用34bit位，广播周期为640ms，重复8次发送，帧结构及发送示意如图4-7所示。第4章物理信号与物理信道图4-7窄带物理广播信道NPDBCH时频资源分布与发送示意图第4章物理信号与物理信道(1)NPBCH经过物理层处理形成1600bit，这1600bit分成8块编码子块，每个编码子块含200bit，每个编码子块的200bit都是相同内容，即重复传输8次，并分布到80ms的时间间隔上。(2)在80ms时间间隔内，NPBCH
14、在每个系统帧的子帧#0传输1次，这80ms内的每次传输时都由特定的序号来区分是第几个子块，即第1个系统帧的子帧#0和第3个系统帧的子帧#0的编号不同，UE在640ms内随机解出NPBCH后，就知道NPBCH的时间周期以及相应频率位置了。第4章物理信号与物理信道(3)每个编码子块(200bit)采用QPSK调制，占用100RE，映射到图中NPBCH RE中。NPBCH重复传输次数固定为64次，每个子帧均可独立解码，通过时间分集增益保证 NPBCH的接收性能。第4章物理信号与物理信道4.5物理控制信道物理控制信道4.5.1窄带物理控制信道窄带物理控制信道NPDCCH窄带物理控制信道NPDCCH用于
15、调度NPDSCH信道中的内容，结合下行信道进行映射(如图4-8所示)。第4章物理信号与物理信道图4-8下行信道映射图第4章物理信号与物理信道4.5.2NPDCCH携带信息携带信息NPDCCH携带信息为下行控制信息(Downlink Control Information，DCI)。DCI不仅用于下行数据的调度(DL Assignment)，也用于上行数据的授权(UL Grant)，还可用于指示寻呼Paging的资源或系统信息的变更。NB-IoT中的DCI格式及功能主要有三种，即DCI format N0、DCI format N1和DCI format N2，如表4-4所示。第4章物理信号与物
16、理信道第4章物理信号与物理信道4.5.3NPDCCH与与PDCCH的区别的区别NB-IoT的物理层下行控制信道为NPDCCH，与LTE系统的PDCCH类似，也用于承载下行控制信息DCI。但是NB-IoT系统采用窄带传输，频域上仅支持1个PRB大小的子帧，所以LTE系统的下行控制信道不再适用，如表4-5所示。第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道NPDCCH的特点包括：(1)NB-IoT频域上占用12个RB资源，时域上占用一个完整子帧。(2)为了提升编码增益，NB-IoT的控制信道NPDCCH采用重复发送的方式。(3)由于采用重复传输，因此NPDCCH不再支持LTE中的REG概念。第4
17、章物理信号与物理信道4.5.4搜索空间搜索空间UE在监听搜索空间时，需要用DCI格式去尝试解码搜索空间中的每一个NPDCCH(即在搜索空间中盲检NPDCCH)，为使盲检NPDCCH的复杂度保持在合理的范围内，NB-IoT中的搜索空间分为三种：Type1公共搜索空间、Type2公共搜索空间和UE特定的搜索空间，这三种搜索空间作用如下：第4章物理信号与物理信道(1)Type 1公共搜索空间(Common Search Space，CSS)：只用于寻呼paging；(2)Type 2公共搜索空间：只用于随机接入，包括msg2(RAR)、msg3的重传和msg4；(3)UE特定的搜索空间(User S
18、earch Space，USS)：只用于某个UE的下行调度或上行传输授权信息。第4章物理信号与物理信道当UE在收到属于自己的DCI后，依据DCI中的内容在NPDSCH数据区域中找到用户数据，搜索空间类型如表4-6所示。第4章物理信号与物理信道4.6窄带下行共享信道窄带下行共享信道NPDSCH4.6.1NB-IoT NPDSCH与与LTE PDSCH的设计差异的设计差异与LTE PDSCH相比，NB-IoT下行NPDSCH的设计主要考虑降低终端处理的复杂度，以及增强覆盖能力，主要体现在以下几个方面：(1)NB-IoT下行NPDSCH支持跨子帧的传输块映射。(2)NB-IoT下行频域资源分配时，不
19、支持单子帧多用户传输。第4章物理信号与物理信道(3)NB-IoT下行NPDSCH支持重复发送，最大重复次数为2048次。(4)NB-IoT下行采用NRS单端口时，使用单端口传输下行数据。(5)NB-IoT下行采用NRS两端口时，下行传输使用两端口发射分集(SFBC)。(6)NPDSCH采用咬尾卷积编码(TBCC)，可降低终端解码复杂度，有助于降低终端成本。第4章物理信号与物理信道4.6.2NPDSCH时频资源位置时频资源位置NPDSCH在频域上所占用的带宽是一个PRB大小，其频域资源映射规则如下：(1)不能占用NPBCH/NPSS/NSSS所在子帧；(2)不能占用NRS所在RE资源。考虑到NB
20、-IoT采取带内部署，其时频资源位置示意图如图4-9所示。第4章物理信号与物理信道图4-9NPDSCH时频资源位置示意图第4章物理信号与物理信道1)In-Band操作模式(1)时域：非SIB1-NB使用的NPDSCH子帧起始位置由参数eutraControlRegionSize-r13 决定，参数值用l表示。SIB-NB使用的NPDSCH子帧编号从l=2或3的位置开始，即图4-9中的图(b)是l=3，图(c)是l=2。(2)频域：占用12个子载波，子载波编号011。第4章物理信号与物理信道2)Stand-alone/Guard-Band操作模式(1)时域：占用14个OFDM符号，符号编号013
21、；(2)频域：占用12个子载波，子载波编号011。SIB1-NB中包含eutraControlRegionSize-r13字段。eutraControlRegionSize-r13取值集合为n1，n2，n3。图4-9中的图(a)是NB-IoT采用独立部署或保护带部署时，NPDSCH可使用的资源是除NRS使用的RE资源外剩下的RE资源。第4章物理信号与物理信道4.6.3NPDSCH时域重复时域重复NB-IoT业务信道通过重复传输方式，可达到提升覆盖的目的。为何通过重复传输能提升覆盖性能？这就好比一句话说一次听不清，再重复多说几次就可以听清。NB-IoT的NPDSCH子帧可以重复发送的次数用NRe
22、p表示：(1)如果NPDSCH携带用户数据，则NRep取值范围1，2，4，1024，2048。(2)如果NPDSCH携带系统消息SIB1-NB，则NRep取值范围4，8，16。第4章物理信号与物理信道NPDSCH重复传输示意图如图4-10所示图4-10NPDSCH重复传输示意图第4章物理信号与物理信道采用这种方式传输的好处是：在周期1内，如果接收方能还原发送信息，则不用等周期2的数据传送结束后，即可获得发送信息内容。如果接收方在周期1内无法还原数据，则可以继续接收周期2的数据，然后通过编码叠加的增益获得发送信息。第4章物理信号与物理信道4.7窄带上行随机接入信道窄带上行随机接入信道NPRACH
23、4.7.1NB-IoT随机接入信令流程随机接入信令流程在R13版本中，NB-IoT仅支持竞争随机接入。基于竞争的随机接入流程如图4-11所示。第4章物理信号与物理信道图4-11竞争随机接入流程图第4章物理信号与物理信道流程解释如下：(1)Msg1：UE发送随机接入请求；(2)Msg2：eNodeB发送随机接入响应；(3)Msg3：UE进行上行调度传输；(4)Msg4：eNodeB进行竞争解决。第4章物理信号与物理信道4.7.2NPRACH格式格式窄带物理随机接入信道上承载的是UE发送的MSG1的随机接入前导(Random Access Preamble)，主要用来承载Preamble码。协议中
24、，NB-IoT设计了两种Preamble format，包括format0和format1，其中format0支持10km覆盖距离，format1支持35km覆盖距离。第4章物理信号与物理信道Preamble发送的最基本单位是4个符号组(Symbol Groups)，Symbol Groups包括一个循环前缀CP(Cyclic Prefix)以及5个符号，且5个符号上发送的信号相同。单时隙内NPRACH的单符号组结构示意图如图4-12所示。图4-12单时隙内NPRACH的单符号组结构示意图第4章物理信号与物理信道根据循环前缀CP长度的不同，单时隙内NPRACH的单符号组结构可分为长CP和短CP
25、两种格式，如图4-13所示。(1)短CP用格式1(format1)来表示，CP所占时间长度是66.7s，前导占用时长1.6ms；(2)长CP用格式2(format2)来表示，CP所占时间长度是266.7s，前导占用时长1.4ms。第4章物理信号与物理信道图4-13NPRACH格式1与格式2区别第4章物理信号与物理信道从频域、时域、序列、信道资源、复用方式和重复传输的角度来看，NPRACH配置与LTE的对比情况如表4-7所示。第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道Preamble发送的最基本单位是四个Symbol Group，每个Symbol Group发送时占用的子载波相同，Symb
26、ol Group之间配置两个跳频间隔。第一/第二Symbol Group之间和第三/第四Symbol Group之间配置第一等级的跳频间隔，FH1=3.75kHz；第二/第三Symbol Group之间配置第二等级的跳频间隔，FH2=22.5kHz，具体如图4-14所示。第4章物理信号与物理信道图4-14NPRACH符号跳频示意图第4章物理信号与物理信道4.7.3NPRACH配置配置在发送随机接入前导前，NB-IoT终端会通过测量下行RSRP信号强度来决定所处的覆盖等级，并使用该覆盖等级所配置的NPRACH资源发起随机接入，涉及的配置参数有起始时间、NPRACH周期、CP长度等，具体详见表4-
27、8。第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道4.8窄带上行共享信道窄带上行共享信道NPUSCH4.8.1NB-IoT NPUSCH与与LTE PUSCH的设计差异的设计差异窄带物理上行共享信道用来传输上行控制信息以及上行数据，与LTE的表示方法不同，NB-IoT中用NPUSCH格式1来传输用户上行数据，用NPUSCH格式2来传输用户上行控制信息，如图4-15所示。第4章物理信号与物理信道图4-15NB-IoT上行物理信道与LTE的区别第4章物理信号与物理信道NPUSCH与PUSCH的差别，如表4-9所示。第4章物理信号与物理信道4.8.2
28、上行资源上行资源RU概念概念NB-IoT在上行数据分配中引入资源单元RU(Resource Unit)的概念，上行数据的分配和HARQ-ACK信息的发送均以RU为单位。RU的构成如表4-10所示。第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道RU资源划分如图4-16所示。图4-16上行资源RU示意图第4章物理信号与物理信道4.8.3NPUSCH格式格式NB-IoT在上行定义了两种格式的NPUSCH信道。(1)NPUSCH format1支持跨RU的资源映射。(2)NPUSCH format2仅用于NPDSCH的ACK/NACK反馈物理信道。NPUSCH format2与NPUSCH form
29、at1均不支持单子帧复用传输，两者是不同的物理信道，如表4-11所示。第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道NPUSCH格式2仅支持Single-Tone传输，采用/2-BPSK调制，采用重复编码，主要承载HARQ的ACK/NACK信息。(1)Single-Tone传输主要使用于低速率、覆盖增强的场景。(2)Multi-Tone传输能提供比Single-Tone传输更快的速率，支持覆盖增强场景。第4章物理信号与物理信道4.8.4NPUSCH配置配置关于NPUSCH配置，表4-12给出部分重要参数示例。第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道第4章物理信
30、号与物理信道4.8.5DM-RS解调参考信号(DM-RS，Demodulation Reference Signals)用于基站解调NPUSCH信道。DM-RS根据NPUSCH格式和子载波间隔在每个时隙内传输1个或3个符号。(1)NPUSCH format1，每个NB-Slot有1个符号用于DM-RS；(2)NPUSCH format2，每个NB-Slot有3个符号用于DM-RS。根据子载波间隔，DM-RS在时域上的符号位置如表4-13所示。第4章物理信号与物理信道第4章物理信号与物理信道(1)对于NPUSCH格式1，当采用3.75kHz子载波间隔时，DM-RS在第4个符号上；当采用15kHz
31、子载波间隔时，DM-RS在第3个符号上。(2)对于NPUSCH格式2，当采用3.75kHz子载波间隔时，DM-RS在第0、1、2符号上；当采用15kHz子载波间隔时，DM-RS在第2、3、4符号上，如图4-17所示。第4章物理信号与物理信道图4-17NB-IoT DM-RS是时域上分布示意图第4章物理信号与物理信道DM-RS的发送功率与所在的NPUSCH信道的功率保持一致。DM-RS采用ZC序列进行区分，可通过序列组跳变(Group Hopping)方式避免小区间上行符号的干扰。序列组跳变不改变DM-RS在子帧中的符号位置，而是改变DM-RS自身的序列。要区分DM-RS，可通过解读系统消息SIB2-NB中的NPUSCH-ConfigCommon-NB信息中的dmrs-config-r13参数获取。
