NBIOT技术及优化.docx

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NBIOT技术及优化

NB-IOT技术及优化

1.NB-IOT关键技术

NB-IOT属于LPWA技术的一种，它具备强覆盖、低成本、小功耗、大连接这四个关键特点。

1.1强覆盖：

较GSM有20db增益，

1、采用提升IOT终端的发射功率谱密度（PSD，Powerspectraldensity）；

2、通过重复发送，获得时间分集增益，并采用低阶调制方式，提高解调性能，增强覆盖；

3、天线分集增益，对于1T2R来说，比1T1R会有3db的增益。

20db=7db（功率谱密度提升）+12db（重传增益）+0-3db（多天线增益）

1.2低成本：

NB-IOT基于成本考虑，对FDD-LTE的全双工方式进行阉割，仅支持半双工。

带来的好处当然是终端实现简单，影响是终端无法同时收发上下行，无法同时接收公共信息与用户信息。

◢上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行；

◢基站/终端在不同的时间进行信道的发送/接收或者接收/发送；

◢H-FDD与F-FDD的差别在于终端不允许同时进行信号的发送与接收，终端相对全双工FDD终端可以简化，只保留一套收发信机即可，从而节省双工器的成本；

NB-IOT终端工作带宽仅为传统LTE的1个PRB带宽（180K），带宽小使得NB不需要复杂的均衡算法。

带宽变小后，也间接导致原有宽带信道、物理层流程简化。

下面仅粗略讲解，以后单独成系列篇讲解物理层。

下行取消了PCFICH、PHICH后将使得下行数据传输的流程与原LTE形成很大的区别，同样一旦上行取消了PUCCH，那么必然要解决上行控制消息如何反馈的问题，这也将与现网LTE有很大的不同。

❶终端侧RF进行了阉割，主流NB终端支持1根天线（协议规定NRS支持1或者2天线端口）

❷天线模式也就从原来的1T/2R变成了现在的1T/1R，天线本身复杂度，当然也包括天线算法都将有效降低

❸FD全双工阉割为HD半双工，收发器从FDD-LTE的两套减少到只需要一套

❹低采样率，低速率，可以使得缓存Flash/RAM要求小（28kByte）

❺低功耗，意味着RF设计要求低，小PA就能实现

❻直接砍掉IMS协议栈，这也就意味着NB将不支持语音（注意实际上eMTC是可以支持的）

各层均进行优化

❶PHY物理层：

信道重新设计，降低基本信道的运算开销。

比如PHY层取消了PCFICH、PHICH等信道，上行取消了PUCCH和SRS。

❷MAC层：

协议栈优化，减少芯片协议栈处理流程的开销。

◢仅支持单进程HARQ（相比于LTE原有的最多支持8个进程process，NB仅支持单个进程。

）；

◢不支持MAC层上行SR、SRS、CQI上报。

没了CQI，LTE中的AMC（自适应调制编码技术）功能不可用

◢不支持非竞争性随机接入功能；

◢功控没有闭环功控了，只有开环功控（如果采用闭环功控，算法会麻烦得多，调度信令开销也会很大）。

❸RLC层：

不支持RLCUM（这意味着没法支持VoLTE类似的语音）、TM模式（在LTE中走TM的系统消息，在NB中也必须走AM）；

❹PDCP：

PDCP的功能被大面积简化，原LTE中赋予的安全模式、RoHC压缩等功能直接被阉割掉；

❺在RRC层：

没有了mobility管理（NB将不支持切换）；新设计CP、UP方案简化RRC信令开销；增加了PSM、eDRX等功能减少耗电。

1.3小功耗：

PSM技术原理，即在IDLE态下再新增加一个新的状态PSM（idle的子状态），在该状态下，终端射频关闭（进入冬眠状态，而以前的DRX状态是浅睡状态），相当于关机状态（但是核心网侧还保留用户上下文，用户进入空闲态/连接态时无需再附着/PDN建立）。

在PSM状态时，下行不可达，DDN到达MME后，MME通知SGW缓存用户下行数据并延迟触发寻呼；上行有数据/信令需要发送时，触发终端进入连接态。

终端何时进入PSM状态，以及在PSM状态驻留的时长由核心网和终端协商。

如果设备支持PSM（PowerSavingMode），在附着或TAU（TrackingAreaUpdate）过程中，向网络申请一个激活定时器值。

当设备从连接状态转移到空闲后，该定时器开始运行。

当定时器终止，设备进入省电模式。

进入省电模式后设备不再接收寻呼消息，看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中。

UE进入PSM模式后，只有在UE需要发送MO数据，或者周期TAU/RAU定时器超时后需要执行周期TAU/RAU时，才会退出PSM模式，TAU最大周期为310小时。

eDRX（ExtendedDRX）DRX状态被分为空闲态和连接态两种，依次类推eDRX也可以分为空闲态eDRX和连接态的eDRX。

不过在PSM中已经解释，IOT终端大部分呆在空闲态，所以咱们这里主要讲解空闲态eDRX的实现原理。

eDRX作为Rel-13中新增的功能，主要思想即为支持更长周期的寻呼监听，从而达到节电目的。

传统的2.56s的寻呼间隔对IOT终端的电量消耗较大，而在下行数据发送频率小时，通过核心网和终端的协商配合，终端跳过大部分的寻呼监听，从而达到省电的目的。

1.4大连接：

每个小区可达50K连接，这意味着在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。

第一：

NB的话务模型决定。

NB-IoT的基站是基于物联网的模式进行设计的。

它的话务模型是终端很多，但是每个终端发送的包小，发送包对时延的要求不敏感。

基于NB-IoT，基于对业务时延不敏感，可以设计更多的用户接入，保存更多的用户上下文，这样可以让50k左右的终端同时在一个小区，大量终端处于休眠态，但是上下文信息由基站和核心网维持，一旦有数据发送，可以迅速进入激活态。

第二：

上行调度颗粒小，效率高。

2G/3G/4G的调度颗粒较大，NB-IoT因为基于窄带，上行传输有两种带宽3.75KHz和15KHz可供选择，带宽越小，上行调度颗粒小很多，在同样的资源情况下，资源的利用率会更高。

第三：

减小空口信令开销，提升频谱效率。

NB-IoT在做数据传输时所支持的CP方案（实际上NB还支持UP方案，不过目前系统主要支持CP方案）做对比来阐述NB是如何减小空口信令开销的。

CP方案通过在NAS信令传递数据（DoNAS），实现空口信令交互减少，从而降低终端功耗，提升了频谱效率。

2.NB-IOT帧结构

2.1下行物理层结构

根据NB的系统需求，终端的下行射频接收带宽是180KHZ。

由于下行采用15KHZ的子载波间隔，因此NB系统的下行多址方式、帧结构和物理资源单元等设计尽量沿用了原有LTE的设计。

频域上：

NB占据180kHz带宽（1个RB），12个子载波（subcarrier），子载波间隔（subcarrierspacing）为15kHz。

时域上：

NB一个时隙（slot）长度为0.5ms，每个时隙中有7个符号（symbol）。

NB基本调度单位为子帧，每个子帧1ms（2个slot），每个系统帧包含1024个子帧，每个超帧包含1024个系统帧（upto3h）。

这里解释下，不同于LTE，NB中引入了超帧的概念，原因就是eDRX为了进一步省电，扩展了寻呼周期，终端通过少接寻呼消息达到省电的目的。

1个signal封装为1个symbol

7个symbol封装为1个slot

2个slot封装为1个子帧

10个子帧组合为1个无线帧

1024个无线帧组成1个系统帧（LTE到此为止了）

1024个系统帧组成1个超帧，over。

这样计算下来，1024个超帧的总时间=（1024*1024*10）/（3600*1000）=2.9h.

2.2上行物理层结构

频域上：

占据180kHz带宽（1个RB），可支持2种子载波间隔：

◢15kHz：

最大可支持12个子载波：

如果是15KHZ的话，那就真是可以洗洗睡了。

因为帧结构将与LTE保持一致，只是频域调度的颗粒由原来的PRB变成了子载波。

关于这种子帧结构不做细致讲解。

◢3.75kHz：

最大可支持48个子载波：

如果是3.75K的话，首先你得知道设计为3.75K的好处是哪里。

总体看来有两个好处，一是根据在《NB-IOT强覆盖之降龙掌》谈到的，3.75K相比15K将有相当大的功率谱密度PSD增益，这将转化为覆盖能力，二是在仅有的180KHZ的频谱资源里，将调度资源从原来的12个子载波扩展到48个子载波，能带来更灵活的调度。

支持两种模式：

◢SingleTone（1个用户使用1个载波，低速物联网应用，针对15K和3.75K的子载波都适用，特别适合IOT终端的低速应用）

◢Multi-Tone（1个用户使用多个载波，高速物联网应用，仅针对15K子载波间隔。

特别注意，如果终端支持Multi-Tone的话必须给网络上报终端支持的能力）

时域上：

基本时域资源单位都为Slot，对于15kHz子载波间隔，1Slot=0.5ms，对于3.75kHz子载波间隔，1Slot=2ms。

2.3上行资源单元RU

对于NB来说，上行因为有两种不同的子载波间隔形式，其调度也存在非常大的不同。

NB-IoT在上行中根据Subcarrier的数目分别制订了相对应的资源单位RU做为资源分配的基本单位。

基本调度资源单位为RU（ResourceUnit），各种场景下的RU持续时长、子载波有所不同。

时域、频域两个域的资源组合后的调度单位才为RU。

NPUSCHformat

子载波间隔

子载波个数

每RUSlot数

每Slot持续时长（ms）

每RU持续时长（ms）

场景

1（普通数传）

3.75kHz

Single-Tone

15kHz

0.5

Multi-Tone

2（UCI）

3.75kHz

Single-Tone

15kHz

0.5

NPUSCH根据用途被划分为了Format1和Format2.其中Format1主要用来传普通数据.，类似于LTE中的PUSCH信道，而Format2资源主要用来传UCI，类似于LTE中的PUCCH信道（其中一个功能）。

3.75KHzSubcarrierSpacing只支持单频传输，而15KHzSubcarrierSpacing既支持单频又支持多频传输。

对Fomat1而言，3.75KHzSubcarrierSpacing的资源单位的带宽为一个Subcarrier，时间长度是16个Slot，也就是32ms长，而15KHzSubcarrierSpacing单频传输，带宽为1个Subcarrier的资源单位有16个Slot的时间长度，即8ms。

从上可以看出，实际上Format1两种单频传输占用的时频资源的总和是一样的。

对于15KHzSubcarrierSpacing多频传输来说，共计有三种情况，实际上这三种情况最终占用的时频资源的总和也是一样的。

另外，12个Subcarrier的资源单位则有2个Slot的时间长度，即1ms，此资源单位即是LTE系统中的一个Subframe。

对Fomat2而言，仅仅支持单频传输，3.75KHzSubcarrierSpacing的资源单位和15KHzSubcarrierSpacing资源单位占用的时频资源的总和也是一样的。

2.3系统消息

系统信息MIB-NB（NarrowbandMasterInformationBlock）承载于周期640ms之周期性出现的NPBCH（NarrowbandPhysicalBroadcastChannel）中，其余系统信息如SIB1-NB（NarrowbandSystemInformationBlockType1）等则承载于NPDSCH中。

SIB1-NB为周期性出现，其余系统信息则由SIB1-NB中所带的排程信息做排程。

SIB-IOT

NB-IoT共有以下几种SIB-NB:

SIB1-NB：

存取有关之信息与其他系统信息方块排程

SIB2-NB：

无线资源分配信息

SIB3-NB：

CellRe-selection信息

SIB4-NB：

Intra-frequency的邻近Cell相关信息

SIB5-NB：

Inter-frequency的邻近Cell相关信息

SIB14-NB：

存取禁止（AccessBarring）

SIB16-NB：

GPS时间/世界标准时间（CoordinatedUniversalTime,UTC）信息

CellReselection与闲置模式运作

3.NB-IOT网络架构

NB-IoT的引入，给LTE/EPC网络带来了很大的改进要求。

传统的LTE网络的设计，主要是为了适应宽带移动互联网的需求，即为用户提供高带宽、高响应速度的上网体验。

但是，NB却具有显著的区别：

终端数量众多、终端节能要求高（现有LTE信令流程可能导致终端耗能高）、以小包收发为主（会导致网络信令开销远远大于数据载荷传输本身大小）、可能有非格式化的Non-IP数据（无法直接传输）等。

»NB-IoT终端：

通过空口连接到基站。

»eNodeB：

主要承担空口接入处理，小区管理等相关功能，并通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。

这里需要注意，NB-IoT可以独立组网，也可以与EUTRAN融合组网（在讲双工方式的时候谈到过，NB仅能支持FDD哦，所以这里必定跟FDD融合组网）

»IoT核心网：

承担与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。

同理，这里可以NB独立组网，也可以与LTE共用核心网。

»IoT平台：

汇聚从各种接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发至相应的业务应用器进行处理。

»应用服务器：

是IoT数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作。

3.1CP和UP传输方案

为了适配NB-IoT的数据传输特性，协议上引入了CP和UP两种优化传输方案，即controlplaneCIoTEPSoptimization和userplaneCIoTEPSoptimization。

CP方案通过在NAS信令传递数据，UP方案引入RRCSuspend/Resume流程，均能实现空口信令交互减少，从而降低终端功耗。

需要说明的是CP方案又称为DataoverNAS，UP方案又称为DataoverUserPlane。

将以上总体架构图进行细化，如下：

1）SCEF称为服务能力开放平台，为新引入网元。

2）在实际网络部署时，为了减少物理网元的数量，可以将部分核心网网元（如MME、SGW、PGW）合一部署，称为CIoT服务网关节点C-SGN，如虚框中所示。

从这里也可以看出，PGW可以合设，也可以集成到C-SGN中来，图中标示的为PGW单独设置。

3）ControlplaneCIoTEPSoptimization不需要建立数据无线承载DRB，直接通过控制平面高效传送用户数据（IP和non-IP）和SMS。

NB-IoT必须支持CP方案，小数据包通过NAS信令随路传输至MME，然后发往T6a或S11接口。

这里实际上得出在CP传输模式下，有两种传输路径，梳理如下：

»UE—MME—SCEF—CIoTServices；

»UE—MME—SGW/PGW—CIoTServices。

4）userplaneCIoTEPSoptimization，通过新定义的挂起和恢复流程，使得UE不需要发起servicerequest过程就能够从EMM-IDLE状态迁移到EMM-CONNECTED状态，（相应地RRC状态从IDLE转为CONNECTED），从而节省相关空口资源和信令开销。

这里分两层意思：

一是UP方式需要建立数据面承载S1-U和DRB（类似于LTE），小数据报文通过用户面直接进行传输；二是在无数据传输时，UE/eNodeB/MME中该用户的上下文挂起暂存，有数据传输时快速恢复。

3.2CP和UP方案传输路径对比

3.3CP和UP协议栈对比

3.3.1CP方案的控制面协议栈

UE和eNodeB间不需要建立DRB承载，没有用户面处理。

CP方案在UE和eNodeB间不需要启动安全功能，空口数据传输的安全性由NAS层负责。

因此空口协议栈中没有PDCP层，RLC层与RRC层直接交互。

上行数据在上行RRC消息包含的NAS消息中携带，下行数据在下行RRC消息包含的NAS消息中携带。

3.3.2UP方案的控制面协议栈

上下行数据通过DRB承载携带，需要启用空口协议栈中PDCP层提供AS层安全模式。

2.4状态转换

Connected（连接态）：

模块注册入网后处于该状态，可以发送和接收数据，无数据交互超过一段时间后会进入Idle模式，时间可配置。

Idle（空闲态）：

可收发数据，且接收下行数据会进入Connected状态，无数据交互超过一段时会进入PSM模式，时间可配置。

PSM（节能模式）：

此模式下终端关闭收发信号机，不监听无线侧的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。

持续时间由核心网配置（T3412），有上行数据需要传输或TAU周期结束时会进入Connected态。

NB-IoT三种工作状态一般情况的转换过程可以总结如下：

①终端发送数据完毕处于Connected态，启动“不活动计时器”，默认20秒，可配置范围为1s~3600s；

②“不活动计时器”超时，终端进入Idle态，启动及或定时器（Active-Timer【T3324】），超时时间配置范围为2秒~186分钟；

③Active-Timer超时，终端进入PSM状态，TAU周期结束时进入Connected态，TAU周期【T3412】配置范围为54分钟~310小时。

【PS：

TAU周期指的是从Idle开始到PSM模式结束】

1、NB-IoT发送数据时处于激活态，在超过“不活动计数器”配置的超时时间后，会进入Idle空闲态；

2、空闲态引入了eDRX机制，在一个完整的Idle过程中，包含了若干个eDRX周期，eDRX周期可以通过定时器配置，范围为20.48秒~2.92小时，而每个eDRX周期中又包含了若干个DRX寻呼周期；

3、若干个DRX寻呼周期组成一个寻呼时间窗口（PTW），寻呼时间窗口可由定时器设置，范围为2.56s~40.96s，取值大小决定了窗口的大小和寻呼的次数；

4、在ActiveTimer超时后，NB-IoT终端由空闲态进入PSM态，在此状态中，终端不进行寻呼，不接受下行数据，处于休眠状态；

5、TAUTimer从终端进入空闲态时便开始计时，当计时器超时后终端会从PSM状态退出，发起TAU操作，回到激活态（对应图中①）；

6、当终端处于PSM态时，也可以通过主动发送上行数据令终端回到激活态（对应图中②）。

4.信令流程

NB-IoTUE可以支持所有需要的EPS流程，比如：

ATTACH、DETACH、TAU、MODataTransport及MTDataTransport，当然，EPS流程又必须跟无线的RRC流程耦合在一起。

下面主要讲MODataTransport流程，这将是NB中的主要业务形式，它又分为两种形式，一个是CP方案，也就是DataoverNAS，另外一个是UP方案，也就是DataoverUserPlane。

DataoverNAS是用控制面消息传递用户数据的方法。

目的是为了减少UE接入过程中的空口消息交互次数，节省UE传输数据的耗电。

4.1CP传输方案端到端信令流程

DataoverNAS的E2E的MO流程如下（参见3GPPTS23401）。

◢步骤0：

UE已经EPSattached，当前为ECM-Idle状态。

◢步骤1-2：

UE建立RRC连接，在NAS消息中发送已加密和完整性保护的上行数据。

UE在NAS消息中可包含ReleaseAssistanceInformation，指示在上行数据传输之后是否有下行数据传输（比如，UL数据的Ack或响应）。

如果有下行数据，MME在收到DLdata后释放S1连接。

如果没有下行数据，MME将数据传输给SGW后就立即释放连接。

◢步骤3：

MME检查NAS消息的完整性，然后解密数据。

在这一步，MME还会确定使用SGi或SCEF方式传输数据。

◢步骤4：

MME发送ModifyBearerRequest消息提供MME的下行传输地址给SGW，SGW现在可以经过MME传输下行数据给UE。

◢步骤5-6：

如果RATtype有变化，或者消息中携带有UE'sLocation等，SGW会发送ModifyBearerRequestmessage（RATType）给PGW。

该消息也可触发PGWcharging。

◢步骤7：

SGW在响应消息中给MME提供上行传输的SGW地址和TEID。

◢步骤8：

MME将上行数据经SGW发送给PGW。

◢步骤9：

如果在步骤1的ReleaseAssistanceInformation中没有下行数据指示，MME将ULdata发送给PGW后，立即释放连接，执行步骤14。

否则，进行下行数据传输。

如果没接收到数据，则跳过步骤11-13进行释放。

在RRC连接激活期间，UE还可在NAS消息中发送UL数据（图中未显示）。

在任何时候，UE在ULdata中都可携带ReleaseAssistanceInformation。

◢步骤10：

MME接收到DL数据后，会进行加密和完整性保护。

◢步骤11：

如果有DLdata，MME会在NAS消息中下发给eNB。

如果ULdata有ReleaseAssistanceInformation指示有DL数据，MME还会马上发起S1释放。

◢步骤12：

eNB将NASdata下发给UE。

如果马上又收到MME的S1释放，则在NASdata下发完成后进入步骤14释放RRC连接。

◢步骤13：

如果NAS传输有一段时间没活动，eNB则进入步骤14启动S1释放。

◢步骤14：

S1释放流程。

4.2RRC连接建立过程

NB-IoTUU口消息大都重新进行了定义，虽和LTE名称类似，但是简化了消息内容。

NB-IoT引入了一个新的信令承载SRB1bis。

SRB1bis的LCID为3，和SRB1的配置相同，但是没有PDCP实体。

RRC连接建立过程创建SRB1的同时隐式创建SRB1bis。

对于CP来说，只使用SRB1bis，因为SRB1bis没有PDCP层，在RRC连接建立过程中不需要激活安全模式，SRB1bis不启动PDCP层的加密和完整性保护。

UE主动或者收到寻呼后被动发起RRCConnectionRequest-NB。

RRCConnectionRequest-NB消息部分信元解析：

IE/GroupName

Value

Semantics description

ue-Identity-r13

RandomValue或s-TMSI

用户标识

EstablishmentCause_r13

NB-IoT支持四种连接建立原因：

mt-Access、 mo-Signalling、mo-Data和mo-Exception-Data。

◢eNodeB向UE发送RRCConnectionSetup-NB，只建立SRB1bis承载。

eNodeB也可以向UE发送RRCConnectionReject-NB，拒绝UE连接建立请求

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