NB-IOT系统概要介绍

NB-IoT系统概要介绍目录NB-IOT应用场景1NB-IoT

概述2NB-IoT技术简介及与LTE差异分析3NB-IOT应用场景1全球物联网布局已快速展开未来每个物联网联接贡献的年收入将为27.8美元，是移动用户的1/410年内，物联网终端数量将达到移动通信用户的10倍以上。中国物联网也将同步快速发展。国际物联网产业生态布局已全面展开物联网应用呈突破趋势未来十年物联网终端数量预计在百亿量级物联网标准化持续推进各类无线连接技术标准不断演进：

WiFi、ZigBee、Sigfox、V2X、NB-IoT……人与人的通信数量接近饱和传统2\3\4G网络并不满足物联网设备大连接、低功耗、低成本的要求。物联网：拥有巨大的潜力商业蓝海物联需求存在电信行业值得期待的新业务来源数据来自：CAICT单位：亿NB-IoT是发展物联网的一个新契机

当前物联网发展的痛点终端功耗过高无法支持海量终端典型场景网络覆盖不足，如：无线抄表终端成本过高当前物联网碎片化现状技术碎片化：操作系统和网络标准多样局域物联网：Wifi、ZigBee、Bluetooth，……广域物联网：Sigfox，LoRa，MTC/eMTC/NB-IoT，……应用碎片化：需求多样化、垂直行业管理、终端形态与分布差异化产业碎片化：芯片、设备、网络、运营4.5GNB-IoTNB-IoT聚焦于低功耗广覆盖物联网市场，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少、架构优等特点，或许会成为终结碎片化、统一物联网产业的一个契机。全球40亿个运营商2.3亿个小于6%运营商在全球物联网市场占比小，亟待突破！占比典型应用场景智能抄表（水、电、天然气）特点：终端位置固定，上行延时不敏感的小数据包业务类似场景：油井数据采集（秒级上报，最大包约3000bit）、环境检测火灾自动报警特点：终端位置固定，上行延时敏感的小数据包业务类似场景：燃气泄漏报警、电梯故障报警、老人急救定位追踪特点：移动终端的上行小数据量业务+GPS定位类似场景：老人/幼儿实时定位、宠物追踪、物流追踪（<120km/h）NB-IoTNB-IoT

概述2NB-IOT关键需求及性能指标大连接，接入能力增强低功耗、低成本设计覆盖能力增强大低强室外大覆盖，室内穿透能力提升比现有GPRS网络提升20dB支持海量的低吞吐量终端每小区支持用户5万+终端超低功耗低成本5Wh的电池可供终端使用10年

5万用户为小区内部署的终端数，并发用户数较少用户为小数据包且业务不频繁（100bit~3kbit，至多秒级）支持多载波（多频点小区）基于小区列表的寻呼优化上行的时延可放宽到10s以上上行单子载波传输，支持更小的子载波间隔物理信道的重复发送基于覆盖等级的寻呼优化和随机接入NB-IoT的部署方案：Standalone优先GuardBandInBandStandalone基于LTE带外或GSM频段内选取200K作为主载波进行部署。上行功率谱密度比GSM最多提升16.8dB频带资源丰富，覆盖最好第一阶段：900M

FDD部署基于LTE保护带选取200K做主载波进行部署。暂无功率谱密度增益的评估结果频带资源少，覆盖一般基本不考虑基于LTE带内选取200K作为主载波进行部署上行功率谱密度比LTE提升6dB频带资源丰富，覆盖较差商用后期可能考虑部署方案NB-IoT测试需求低功耗测试a)需根据具体的业务类型构建贴近现实的功耗模型；b)终端电池自放电情况测试；c)在不同的环境条件及业务模型下终端整机耗电测试；d)为降低终端耗电所采用的终端休眠机制测试等大容量测试远覆盖测试a)在确定资源配置下支持同时接入的最大用户数目；b）基于给定上行业务模型的上行连接数目/容量极限测试；c)基于给定下行业务模型的下行连接数目/容量极限测试；d)基于给定上下行混合业务模型的连接数目/容量极限测试；a）下行信号强度、覆盖半径等下行覆盖的关键技术指标b)上行覆盖能力也对终端的射频发射功率、OTA、带外干扰等指标进行考察；c)测试在不同信道条件下的系统性能：地铁与地下室环境下（MCL>154dB）性能测试；室内或者楼梯间配电箱内条件下（144dB<MCL<154dB）的性能测试；室外良好环境下（MCL<144dB）的性能测试。NB-IoT简介及与LTE差异分析3NB-IoT网络架构NB-IOT网络主要增加了业务能力开放单元（SCEF）用于控制面优化及非IP传输；MME和SCEF直接新增T6接口、HSS和SCEF之间新增S6t接口；新增第三方能力服务器（SCS）和第三方应用服务器（AS）；SCEF和SCS/AS为非必须单元，可由PGW升级支持非IP传输；NB-IoT协议栈架构-基于SGi的控制面优化UE的IP数据/非IP数据封装在NAS数据包中；MME执行了NAS数据包到GTP-U的转换；无SCEF单元，需要S/P-GW升级；NB-IoT协议栈架构-基于T6的控制面优化UE的IP数据/非IP数据封装在NAS数据包中；MME执行了NAS数据包到Diameter数据包的转换；MME和SCEF之间无UDP数据传输；NB-IoT物理层上下行系统带宽200kHz（前后各10kHz保护间隔）双工方式FDD终端半双工（TypeBGuradTime），基站全双工多址方式上行SC-FDMA；下行OFDMA子载波间隔上行15kHz/3.75kHz;

下行15kHz上行传输支持单通道传输（3.75kHz/15kHz）支持多通道传输（15kHz）天线端口上行单端口下行单端口/双端口SFBC覆盖增强所有物理信道均支持重复发送空口方案下行类似LTE，但是更简化，覆盖增强只靠重复发送；上行除了重复发送外，还引入更小的子载波间隔和单通道传输方式NB-IoT物理层帧结构下行只有15kHz子载波间隔，帧结构与LTE一致上行帧结构与子载波间隔有关：15kHz帧结构与LTE一致，3.75kHz时隙拉长NB-IoT物理层上行NB-IoT的上行物理信道NB-IoT不支持CSI上报，不支持SchedulingRequest上报不支持NPUSCH上业务数据与ACK/NACK复用传输NB-IoT的上行物理信号LTE:基于SRS进行TA调整NB-IoT:基于DMRS进行TA调整LTE:基于SRS进行上行链路自适应NB-IoT:新算法LTE:基于SRS的波束赋型和AoA计算NB-IoT:不支持

DMRSLTESRSDMRSNB-IoTPRACHLTEPUCCHPUSCHNPRACHNB-IoTNPUSCHFormat1NPUSCHFormat2NB-IoTNPRACHLTE

PRACH多子载波传输（中间6个PRB）子载波间隔为1.25kHzPreamble为正交的ZC序列，频域映射无跳频不支持重复发送NB-IoT

NPRACH单子载波传输子载波间隔为3.75kHz使用全1序列，时域映射跳频传输覆盖增强：支持重复发送基站通过SIB2广播配置最多三组重复等级以及每组重复等级的RSRP门限，：终端根据RSRP门限选择合适的重复等级进行随机接入R13NB-IoT只支持竞争的随机接入，过程与LTE相同NB-IoT

NPUSCHformat1用于传输上行业务数据的物理信道仅支持RV0和RV2两种冗余版本帧结构、resourceunit长度、调制方式都与传输方式有关：支持跨resourceunit的TB映射重复发送（cyclicrepetition），最大重复次数128传输方式Multi-tone(MT)Single-tone(ST)3-tone,15k6-tone,15k12-tone,15kST,15kST,3.75kResourceunit4ms2ms1ms8ms32ms调制方式QPSKpi/2-BPSK,pi/4-QPSK帧结构同LTE，时隙长度0.5ms时隙长度2ms基站调度子载波间隔不同的UE在一个上行子帧进行传输时会产生互干扰NB-IoTNPUSCHformat2仅用来进行NPDSCH的ACK/NACK反馈的物理信道与NPUSCHformat1是完全不同的物理信道，不支持两种物理信道的单子帧复用传输重复次数由RRC信令准静态配置NPUSCHformat2NPUSCHformat1（ST）LTEPUCCHformat3传输方式单通道(15kHz/3.75kHz)单通道(15kHz/3.75kHz)1~2PRB(15kHz)调制pi/2-BPSKpi/2-BPSK;pi/4-QPSKQPSK编码方式重复编码咬尾卷积码扩频Resourceunit2msfor15kHz8msfor3.75kHz8msfor15kHz32msfor3.75kHzsubframe(1ms)A/N复用传输无-----有DMRS列数/slot312重复发送支持支持不支持NB-IoT物理层下行协议规定的物理信道没有REG概念不支持NPDSCH与NPDCCH在同子帧上时分复用只支持单端口/双端口SFBC，要求所有下行物理信道使用相同传输模式协议规定的物理信号PBCHLTEPHICHPCFICHNPBCHNB-IoTPDCCHPDSCHNPDCCHNPDSCHCRSLTEPSSNRSNB-IoTSSSURSCSI-RSNPSSNSSSNPBCHNPBCH与LTEPBCH的主要区别：NPBCH的周期拉长为640ms（LTE为40ms）MIBpayloadbit增至34bit（LTE24bit）引入了重复发送的机制通过NB-MIB主要指示：部署模式系统帧号SIB1的调度信息系统信息valuetagNPDSCH与LTEPDSCH相比，NB-IoT下行设计主要考虑降低终端处理的复杂度，以及覆盖增强支持跨子帧的TB映射NPDSCHLTEPDSCH编码方式TBCCTurbo调制方式QPSKBPSK/QPSK/16QAM/64QAM/256QAMHARQ单进程多进程天线端口数1、21、2、4、8传输模式单端口/SFBC，相当于LTETM1、TM2（2端口）TM1~TM9频域资源分配不支持单子帧多用户传输支持单子帧多用户传输重复发送支持，最多2048次不支持NPDCCHNPDCCH与LTEPDCCH的主要区别不定义REG，CCE由时频两维资源定义，只支持聚合等级1和2不支持NPDCCH与NPDSCH的频分复用传输引入重复发送（onlyforAL=2），次数1~2048NPDCCH1NPDCCH2AL=1：单子帧最多调度2个UENPDCCH1

下行单子帧NPDCCHDCIN0（上行调度授权）NPUSCH：调度延时、重复次数、MCS&单次传输RU数、子载波、newdataindicator、冗余版本NPDCCH：重复次数DCIN1（下行调度授权及PDCCHorder触发的随机接入）NPDSCH(forDLgrant)：调度延时、重复次数、MCS&单次传输PRB数、newdataindicator、HARQ-ACK反馈资源（子载波与传输延时）NPDCCH

(forDLgrant)

：重复次数NPRACH(forNPDCCHorder)：重复次数DCIN2（寻呼消息调度&通知系统信息变更）NPDSCH(forpaging)：重复次数、MCS&单次传输PRB数NPDCCH(forpaging)：重复次数Directioninformation：系统信息更新域下行物理信号NRS作用类似于LTECRS在每个NB-IoT下行子帧发送支持Port0~1NPSS用于粗同步，不承载NPCI短ZC序列（11长）子帧5发送，每帧发送NSSS用于精同步和承载NPCI长ZC序列（132长）子帧9发送，隔帧发送L2概述—PDCP层变化PDCPSN大小为7bit或更小数据传输IP数据头压缩及解压缩（ROHC）加密和完整性保护PDCP重建立（fortheUPsolution）PDUs按序递交以及SDUs的去重丢弃定时器NB-IoTPDCP协议层功能LTEPDCP协议层功能PDCPSN大小7bit~15bit数据传输头压缩及解压缩加密和完整性保护按序递交以及去重基于RLCAM模式的PDCP重建立小区切换重传重排序丢弃定时器PDCP状态报告基于RLCAM模式的切换重传重排序PDCP状态报告L2概述—RLC层变化PDUs传输RLCSDUs级联、分段、重组AM模式传输（UM不支持）RLC重分段RLC重建立（fortheUPsolution）按序递交和重复检查NB-IoTRLC协议层功能LTERLC协议层功能PDUs传输RLCSDUs级联、分段、重组AM模式及UM模式数据传输RLC重分段RLC重建立按序递交重复检查重排序重排序UM模式L2概述—MAC层变化PRACH过程逻辑信道与传输信道的映射复用与解复用调度逻辑信道优先级处理连接态DRXBSR上报DLHARQ（oneprocess）ULHARQ（oneprocess）NB-IoTMAC协议层功能LTEMAC协议层功能PRACH过程逻辑信道与传输信道的映射复用和解复用调度逻辑信优先级处理连接态DRXBSR上报（缓冲区状态上报）DLHARQ（multiprocess）ULHARQ（multiprocess）MBMSDSRSPS（半静态调度）MBMSDSRSPS随机接入随机接入过程仅支持基于竞争的随机接入，接入过程继承LTE。提供BSR上报、时间同步、功率调整和PHR上报等功能。MSG1在3.75Khz单子载波上发送全1序列。跳频传输通过NPRACH资源判断UE是否支持multi-toneMSG2在RAR中指定UE使用3.75Khz子载波还是15Khz子载波。指示MSG3是否使用multi-tone传输。MSG3MSG3中携带的DVI（DataVolumeIndication）指示用户数据、NASsignallingdata以及SMS的BSR（仅支持ShortBSR）。上报PHR。指示multi-tone能力multi-PRB能力MSG4配置连接态DRX。指示UE是否在辅载波上做业务。调度—下行GAP引入GAP配置当覆盖路损较大或者覆盖半径较大时，对处于小区边缘或者路损较大的UE的数据传输需要更大的重复次数，即一次数据传输会持续很长时间，在这种情况下需要对该UE配置下行GAP，上行GAP为固定值（X门限，Y间隔），以便给其他处于好点的UE提供调度资源，并给该UE提供下行时频资源同步的机会。GAP配置对于超远覆盖（extremecoverage）的UE，下行方向NB-PDSCH和NB-PDCCH重复传输过程中需要引入GAP，不同覆盖等级配置不同的GAP，在GAP期间传输别的UE的数据，以防一个UE占用资源太长，UE根据CSS的R_NPDCCH_max判断Msg2和Msg4的GAP配置，根据USS的R_NPDCCH_max判断后续传输的GAP配置。需要配置1个门限X1或2个门限X1和X2作为启用GAP配置的条件。R_NPDCCH_max>=X1，启动第1个GAP，X1>R_NPDCCH_max>=X2，启动第1个GAP。GAP在PDSCH-ConfigCommon-NB/DLGap-Config-NB下配置：dlGap-AnchordlGap-AdditionaldlGap-Threshold{n32,n64,n128,n256}dlGap-Periodicity{sf64,sf128,sf256,sf512}dlGap-DurationCoeff{oneFourth,oneEighth,threeEighth,oneHalf}调度—上行GAP引入GAP配置GAP配置

针对NPUSCH信道，标准规定终端完成256ms的数据传输后，要配置40ms的ULGap时间用来进行频率偏移的纠正，剩下的数据顺延后再发送。

针对NPRACH信道，标准规定终端完成64次Preamble重复发送后，要配置40ms的ULGap时间用来进行频率偏移的纠正，剩下的Preamble重复顺延后再发送调度调度影响性因素分析NPDSCH和NPUSCH中的TB占用的时域长度是可变的；NPDCCH与NPDSCH和NPUSCH只能时分复用；UE单双工通信的影响；同步信号、广播信息对资源的影响；NPDSCH/NPUSCH与NPDCCH存在时延，eNB只能调度当前子帧的NPDCCH，同时确定之后一段时间的NPDSCH/NPUSCH；在调度NNPDSCH的同时需要考虑其上行反馈NPUSCHformat2的调度信息。大重复次数对多UE调度的资源分配的影响；数据业务的大重复次数对Paging时机的影响；大重复次数下引入GAP的影响；总体调度过程上下行调度选择时域调度频域调度HL概述—HL变化RRC_IDLE系统消息监听寻呼RRC连接建立终端控制的移动性RRC连接挂起/恢复UE及基站上保持接入层上下文RRC_Connected资源调度接收发送RRC信令收发数据NB-IoTHL层功能LTEHL层功能RRC_IDLE系统消息监听寻呼RRC连接建立终端控制的移动性空闲态DRXRRC_Connected资源调度接收发送RRC信令收发数据网络控制的移动性（切换、测量报告）监听寻呼和系统消息信道质量反馈广覆盖大连接低功耗低成本系统信息优化延长系统信息的有效性；优化小区接入和小区重选信息空闲态优化延长DRX周期长度，扩大寻呼发送窗长接入控制优化优化AS层接入控制，异常报告接入优先信令优化取消SRB2,SRB1可传输承载小数据业务EUTRA优化HL变化内容控制面优化MME支持通过NAS信令进行的数据转发，无需建立DRB用户面优化UU和S1-U的数据转发过程不变，简化UU口和S1-AP的信令交互，EPS优化UE对小区的选择需要同时满足Srxlev>0(RSRP)ANDSqual>0(RSRQ)支持小区同频和异频重选，不区分频点优先级，按RSRP的rank排序同频小区支持配置个性偏移，异频小区不支持配置个性偏移不支持异系统测量支持RLF(无线链路失败)检测连接态移动性管理IDLE态CP模式的SRB1bis(nopdcp)和UP模式SBR1(normalpdcp)使用不同的逻辑通道IDRRC连接建立请求增加UE是否支持multitone和multiPRB的字段RRC连接建立取消紧急呼叫、高优先级接入的cause,增加异常上报RRC连接reject中WaitTime扩大取值范围支持小区reserve和小区Bar支持分PLMN的AC接入控制，不区分MoData和MoSignal接入控制信令增强接入控制&信令增强NB-IoT支持功能为：- Networksharing(upto6PLMNs);- Accesscontrol(perPLMN);- Cellbarringandcellreservation;- Differentiationinaccessofexceptionalreportingandnormalreporting;- Intra-frequencyandinter-frequencycellreselection;- PowerSavingMode;- IdlemodeDRXwithDRXcyclevaluesinthe“normal”rangeandineDRXrange;- In-orderdelivery;- Positioning.NB-IoT不支持的功能为:- Inter-RATcellreselectionorinter-RATmobilityinconnectedmode(NotethatinthisrespectNB-IoTisaseparateRATfromLTE);- PublicwarningfunctionslikeCMAS,ETWSandPWS;- Handoverandmeasurementreporting;- GBR(QoS);- CSG;- Relaying;- Dualconnectivity;- MBMS;-Realtimeservices;- In-devicecoexistence;- RANassistedWLANinterworking;- Prose(includingdirectcommunicationanddirectdiscovery);- MinimizationofDriveTests(MDT);-Limitedservicestateandemergencycallarenotsupported;- CSservicesandCSfallback;- SSACandACB-skip;- NetworkAssistedInterferenceCancelation(NAICS).NB-IoT在E-UTRAN基础上进行了简化，控制面优化——CP模式MME承担了数据转发功。支持IP/NonIP数据传输PDNtoSCEF只支持NonIP数据传输无需DRB,没有S1-U减少信令开销CP模式总体流程CP模式基站相关信令注:TheUEmayalsoindicateinaReleaseAssistanceInformationintheNASPDUwhetherDownlinkdatatransmission(e.g.AcknowledgementorresponsetoUplinkdata)subsequenttotheUplinkDatatransmissionisexpectedornot.用户面优化——UP模式UU口和S1-U数据转发过程没有任何改变增加suspend/resume过程，减少信令UU口和S1-AP口信令一个用户最多支持2个DRB,均为NGBR承载UE-storestheASinformation;eNodeB:-storestheASinformation,-theS1APassociationandthebearercontextforthatUE;-ASContextshouldbetransferredbetweentheeNodeBs;MMEstorestheS1APassociationandthebearercontextforthatUE;跨站的Resume过程ResumeID组成:20bitENBID+20bitENB内UEIDCP和UP模式的关系

UE在Attach过程指示MME自己希望采用数据传输模式，MME做最终的决策。CP模式是UE必须支持的，UP模式可选。一