《窄带物联网（NB-IoT）原理与技术》课件第6章

第6章NB-IoT关键技术6.1NB-IoT系统消息调度6.2NB-IoT小区选择与重选6.3NB-IoT随机接入过程6.4NB-IoT寻呼6.5NB-IoT功率控制6.6NB-IoT的HARQ过程6.7NB-IoT覆盖增强技术6.8NB-IoT省电机制

6.1NB-IoT系统消息调度

6.1.1系统消息作用

UE获取小区的系统消息是终端的行为准则，是联系基站与终端的纽带，例如：

(1)确定小区是否可以驻留。

(2)确定小区的参数配置，以便接入小区后能够正常工作。

6.1.2系统消息内容

NB-IoT系统消息内容如表6-1所示。

6.1.3系统消息调度

1. MIB与SIBs的调度关系

MIB与SIBs的调度关系如图6-1所示。图6-1MIB与SIBs的调度关系示意图

2. MIB和SIB1的发送

MIB使用一条独立的RRC消息下发，在逻辑信道BCCH上发送。BCH的传输格式是预定义的，所以UE无须从网络侧获取信息就可以直接在BCH上接收MIB。MIB的调度周期固定为640 ms，一个调度周期内重复8次，每次传输占用8个子帧，在连续8个无线帧的0号子帧发送。MIB消息的调度示意图如图6-2所示。图6-2MIB消息的调度示意图

NB-IoT与LTE的MIB和SIB1-NB调度区别如图6-3所示。图6-3NB-IoT与LTE系统消息调度区别

3.其他SIB消息调度

SIB2～SIB5、SIB14、SIB16使用SI消息下发，调度周期可独立配置。调度周期相同的SIB可以包含在同一SI消息中发送，调度周期不同的SIB不可以在同一SI消息中发送。SIB1携带所有的SI的调度信息以及其他SIB与SI的映射关系，其中SIB2消息位于所有SI消息的第一位。

SI消息只能在调度周期的特定时间段发送，这个特定时间段称为SIwindow。窗口长度对所有SI消息通用，在SIB1中广播。

6.1.4系统消息更新机制

当UE开机选择小区驻留、小区重选或从覆盖盲区返回覆盖区时，UE会主动读取系统消息。系统消息按照一定周期更新，更新周期满足：

其中：modificationPeriodCoeff是修改周期的系数，取值范围为4、8、16、32；defaultPagingCycle是寻呼周期(关于寻呼详见6.4节NB-IoT寻呼的内容)。

当UE正确获取了系统消息后，出于省电以及终端低移动性角度考虑，NB-IoTUE在连接态下不频繁读取系统消息，除以下两种场景：

(1)收到eNodeB寻呼消息指示系统消息变化；

(2)距上次正确接收系统消息超过24小时。

当UE收到寻呼消息指示系统消息变化时，不会立即更新系统消息，而是在系统消息的下一个周期再进行修改，如图6-4所示。图6-4系统消息更改示意图

6.2NB-IoT小区选择与重选

6.2.1小区选择与重选作用小区选择是终端开机时选择一个小区进行附着，以接入网络提供通讯服务。小区重选是在空闲态下的终端，为获取更好的服务质量，需要进行小区重选。

6.2.2NB-IoT小区选择与重选状态

NB-IoT支持空闲态同频、异频小区重选，但是不支持空闲态异系统重选、连接态切换，即NB-IoT的移动性只有重选，无切换。

NB-IoT的小区选择与重选是基于LTE简化而来的，考虑到NB-IoT终端的低成本、低移动性以及承载的小数据包业务特性，NB-IoT系统不支持以下功能：

(1) NB-IoT不支持紧急呼叫(EmergencyCall)。因为NB-IoT不支持语音业务，所以它不支持紧急呼叫。

(2) NB-IoT不支持系统间测量与重选。NB-IoT终端只限于NB-IoT系统内，不支持与异系统互操作，不支持异系统测量与重选。

(3)NB-IoT不支持基于优先级的小区重选策略(Prioritybasedreselection)。考虑到NB-IoT终端的低成本及低移动性，对小区重选功能进行简化，不再支持基于优先级的小区重选功能。

(4)NB-IoT不支持基于小区偏置(Qoffset)的小区重选策略。小区重选中的偏置只针对频率来设置(一个频率可包含多个小区)，不支持基于小区的重选偏置。

(5)NB-IoT不支持基于封闭组(CSG)的小区选择与重选。因为NB-IoT没有CSG相关功能需求，所以它不支持基于CSG的小区选择与重选。

(6)NB-IoT不支持可接受小区(Acceptablecell)和驻留于任何小区(campedonanycellstate)的重选状态。由于NB-IoT不支持紧急呼叫，所以NB-IoT系统中处于空闲态的UE只能处于小区搜索状态(Anycellselection)，以找到合适的驻留小区(Suitablecell)，不存在其他小区选择的状态。

除以上六种情况，NB-IoT空闲态的小区选择和重选过程与LTE一致。NB-IoT系统空闲态下小区选择与重选的状态迁移如图6-5所示。

图6-5空闲态下小区选择与重选的状态迁移图

6.2.3PLMN选择策略

NB-IoT支持多PLMN选择功能，NB-IoT系统中PLMN选择策略与LTE一致，具体如下：

(1)如果信号最强的小区归属于一个或多个PLMN，且小区信号强度(RSRP)大于或等于 -110 dBm，则把此PLMN作为高质量PLMN上报给NAS层(无需携带RSRP值)。

(2)如果找到的PLMN不满足高质量PLMN的条件，但UE能读到包含PLMN的系统消息，则将相关的PLMN以及测量到的小区RSRP值一起上报给NAS层。

6.2.4确定PLMN后小区选择策略

UE确定PLMN后，首先基于UE内部存储的最后一次驻留时的相关信息进行小区选择。一旦UE找到一个合适的小区，则UE进入正常驻留状态，该小区就作为驻留小区。如果基于UE内部存储的相关信息没有找到合适小区或者UE内部没有存储相关的小区驻留信息，则UE执行初始小区选择策略。初始小区选择策略为UE扫描自身支持的频带内的所有NB-IoT载波，从而找到合适的小区。在每个载波上，UE只需要搜索信号最强的小区。一旦UE找到一个合适的小区，则UE进入正常的驻留状态，该小区就作为驻留小区；如果仍然找不到合适的小区，则UE进入任意小区选择状态。

评价是否为合适的小区选择采用S准则(满足UE驻留的基本条件)，S准则的计算公式如式(6-2)所示，公式中的各参数代表的含义详见表6-2。

其中：

6.2.5空闲模式的测量策略

对处于空闲态的UE，采用系统信息(SIB)中服务小区的参数Srxlev、SIntraSearchP和SnonIntraSearchP进行如下测量判决：

(1)如果服务小区满足Srxlev > SIntraSearchP，则UE可不进行频内测量；否则，UE需要进行频内测量。

(2)如果服务小区满足Srxlev > SnonIntraSearchP，则UE可不进行频间测量；否则，UE需要进行频间测量。

6.2.6小区重选策略

小区重选采用R准则，R准则如式(6-5)与式(6-6)所示，其中各参数含义详见表6-3。

当下列条件都满足时，UE重选到该邻区。

(1)在小区重选时间内(同频邻区重选在SIB3中广播，异频邻区重选在SIB5中广播)，邻区的信号质量等级一直高于当前服务小区信号质量等级。

(2) UE在当前服务小区驻留超过1秒。

UE在执行小区重选时，需检查邻区是否设置“接入禁止”，如果小区被禁止，则必须从候选小区清单中排除。

6.3NB-IoT随机接入过程6.3.1随机接入使用场景在R13版本中，NB-IoT不支持PUCCH信道，也不支持连接态切换、定位功能，所以使用随机接入的场景被简化如下：(1) RRC空闲态的初始接入过程；(2) RRC连接重建过程；(3) RRC连接态下接收下行数据过程(上行链路失步)；(4) RRC连接态下发送上行数据过程(上行链路失步或者触发服务请求过程)。．

6.3.2随机接入过程的理解

假设号牌只有64个，为区分普通客户和VIP客户，先把号牌分成两组A和B，并做规定：A组只能分配给普通用户，B组只能分配给VIP客户，银行号牌示意图如图6-6所示。

(1)假设办理业务的普通用户少于60人，则号牌够用，每人分一个号牌。

(2)假设要办理业务的普通用户有61个，那就意味着有两个人要去抢A组中的同一号，此时这两人进行号牌竞争，竞争号牌的过程就是竞争随机接入。图6-6银行号牌示意图

第3个问题：竞争随机接入过程如何处理？

上例中出现两人去竞争同一个号牌，客户都是文明人，银行现场也不允许用武力来抢号牌，那只能用抽签的办法来决定谁能分到号牌，正常处理流程大致如下：

(1)这两个人先同时向银行申请号牌。

(2)银行收到两人的号牌申请后，先告知这两个人去拿纸，拿纸的目的就是方便银行抽签，谁中了就在纸上盖个章，算合法拿到号牌的人。

(3)这两个人收到银行告知后，拿纸，然后给银行抽签。

(4)银行抽签结果公示：用户1分到号牌，用户2没分到，则用户1就拿着盖过公章的纸去办理业务，用户2没分到号牌，只能等下一轮。

6.3.3NB-IoT随机接入流程

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6-7所示。图6-7竞争随机接入流程图

与LTE不同，针对NB-IoT覆盖要求，NB-PRACH资源采用不同覆盖等级进行配置：

(1)对于频域资源，根据180 kHz的窄带配置以及3.75 kHz子载波间隔的要求，频域资源有两种配置方式，一种是划分为4个band，每个band包含12个3.75 kHz的子载波；另一种是划分为3个band，每个band包含16个3.75 kHz的子载波。

(2)对于时域资源，定义了周期nprach-Periodicity、起始子帧位置nprach-StartTime。

不同的随机接入场景，Msg3传输的信令以及携带的信息有所不同：

(1)初始RRC连接建立：携带RRC建立原因、NASUE_ID、MACCE，用于申请上行数据发送资源。

(2)其他情况，至少传送UE的TemporaryC-RNTI。

Msg4(消息4)：eNodeB进行竞争决议

基站在收到Msg3后，在MAC层进行竞争决议，并通过Msg4指示UE是否通过竞争。

UE在冲突检测定时器超时前，一直监听NPDCCH信道，定时器设置时长与随机接入响应窗机理类似，若UE在NPDCCH信道上监听到Msg4中的MACCE包含UEContentionResolutionIdentity指示UE竞争成功，则UE会停止计时器，完成随机接入流程。

如果计时器超时仍未收到Msg4，则UE认为竞争失败，或者收到的Msg4中包含的信息指示竞争失败，UE会重新发起Msg1进行随机接入。

6.4NB-IoT寻呼

6.4.1寻呼概述在通信系统中，寻呼是用来通知空闲态用户系统消息变更以及通知用户有下行数据到达。寻呼消息根据使用场景，可以由MME触发，也可以由eNodeB触发，虽然触发源不同，但在空口的寻呼机制均相同。

6.4.2空口寻呼机制

空闲状态下，UE要收听寻呼以便知道网络是否有数据下发，但是如果UE时时刻刻收听寻呼信息，不仅效率低而且耗电。为了省电，UE以不连续接收方式(DRX)来接收寻呼信息，即在某个时间周期内的特定时间，UE才会去收听寻呼消息，在其余时间均不收听寻呼消息。由于业务不频繁特性，因此NB-IoT系统引入更长的时间周期概念，将时间周期放大。

在NB-IoT中，采用寻呼帧(PagingFrame，PF)和寻呼时刻(PagingOccasion，PO)来划分时间粒度，如图6-8所示。图6-8寻呼周期示意图

PF的帧号和PO的子帧号可通过UE的IMSI、DRX周期以及DRX周期内的PO的个数来计算得出。帧号信息在UE的DRX参数相关的系统消息中传递，当DRX参数变化时，PF和PO的帧号也随之更新。

(1)  PF的帧号SFN计算公式如下：

SFNmodT = (TdivN) × (UEIDmodN) (6-7)

(注：div是除后取整，mod是除后取余数。)

(2) UEID计算公式为

UEID = IMSImod4096 (6-8)

(3) PO的子帧号由表6-4确定。

以上公式中各参数的含义如下：

floor：表示对括号中的数字向下取整。

N：DRX周期内PF的个数，N = min(T，nB)。其中T为DRX周期，DRX越大，UE越省电，在SIB2中广播defaultpagingCycle；nB为DRX周期内PO的个数，取值范围为4T、2T、T、T/2、T/4、T/8、T/16、T/32、T/64、T/128、T/256、T/512、T/1024，nB根据小区寻呼量需求配置，nB越大，小区寻呼能力越大。

Ns：PF上PO的个数，其取值为

6.4.3寻呼处理过程

UE使用空闲模式DRX来降低功耗。在每个DRX周期内，UE只会在自己的PO去读取NPDCCH信息，而不同的UE，可能会有相同的PO。空闲态的UE在每个DRX周期内的PO子帧打开接收机进行监听NPDCCH：

(1)当UE解析出属于自己的寻呼时，UE向MME返回寻呼响应，通过RRCConnectionRequest消息中的建立原因值mt-Access来指示UE响应MME寻呼。

(2)当UE未从NPDCCH解析出P-RNTI或者UE解析出P-RNTI，但发现不是自己的PagingRecord时，UE会立即关闭接收机，进入DRX休眠周期以节省功耗。

6.5NB-IoT功率控制

6.5.1功率控制概述功率控制主要是终端调整发射功率，保持上下行链路的通信质量，克服阴影衰落和快衰落，克服远近效应，降低网络干扰，提高系统质量。目前功率控制有两种方法：功率分配与功率控制。

功率分配：各个信道发射功率要提前配置好，一旦配置好，则发射功率恒定不变，除非配置值进行调整，体现静态变化，一般用于基站下行信号发射。

功率控制：初始发射功率遵循配置规则，因中途某些变化，发现功率不足时，可通过相互反馈不断地修正以及调整发射功率，这个过程就是功率控制，一般用于终端上行发射信号。

6.5.2下行功率分配

NB-IoT下行功率分配采用恒功率分配方式，下行功率可由NRS功率配置得到，用于下行信道估计、数据解调。NRS功率通过EPRE(EnergyPerResourceElement)表征，用于分配确定每个RE上的下行发射能量。如图6-9所示为NB-IoT参考信号NRS时频资源位置示意图。图6-9NB-IoT参考信号NRS时频资源位置示意图

第1步：资源分组。从图6-9可以看到，RE(图6-9中每个小方格就是一个RE)可分为两种：一种是用于传输NRS的RE，一种是用于传非NRS的RE，例如传输NPDCCH、NPDSCH。

第2步：NRS功率可由高层参数nrs-Power指示NRS发射功率，此参数定义为NB-IoT系统带宽内所有携带NRS的RE功率的线性平均值。

第3步：根据发射天线端口，确定非NRS的RE发射功率。

(1)当NRS天线端口为1时，RS所在的RE功率与非RS所在的RE功率比为1，即

即携带NRS的RE功率与非携带NRS的RE功率相等，也可认为功率比为0dB。

(2)当NRS天线端口为2时，RS所在的RE功率与非RS所在的RE功率比为2，即

即携带NRS的RE功率比非携带NRS的RE功率大一倍，也可认为功率比为3 dB。

6.5.3上行功率控制

上行功率控制用于终端发射信号，作用主要有：

(1)降低终端功耗，达到省电目的。

(2)减少系统干扰，终端到达基站的功率在合理范围，既能满足解调要求，又不会抬升底噪。

(3)克服远近效应，使同基站覆盖范围下，远处终端功率不被近处的终端功率所覆盖。

6.5.4功率控制分类

功率控制分类介绍如下：

(1)对基站来说，功控分为内环功控和外环功控两种。

①内环功控是根据当前信噪比与目标信噪比的差异调整发射功率改善信号强度；

②外环功控是根据误块率BLER来调整目标信噪比。

(2)对终端来说，功控分为开环功控和闭环功控两种。

①开环功控不需接收端反馈，发射端根据自身测量得到的信息对发射功率进行控制。

②闭环功控是指发射端根据接收端的反馈信息对发射功率进行控制的过程。

NB-IoT上行不支持CQI反馈，不存在采用外环功控或内环功控修正的必要，仅采用开环功率控制。

6.5.5NB-IoT功率控制思路

NB-IoT功率控制思路，适用于NPRACH、NPUSCH信道的功率调整，如图6-10所示。图6-10NB-IoT功控思路示意图

(1)在覆盖良好的情况下，例如覆盖等级0，此时UE的发射功率未达到最大值Pcmax，可通过初始开环功控确定首次功率值，再根据需要进行功率爬坡调整(PowerRamping)，一直达到功率最大值Pcmax。

(2)在覆盖较差的情况下，例如覆盖等级1和覆盖等级2，由于UE用最大功率Pcmax发射，因此上行信号均无法被基站解调，此时就需要重复传输提升编码增益。这也是NB-IoT采用重复传输的原因。

(2) NPUSCH功控方案，NPUSCH功率控制计算公式如下：

其中：

①Pcmax是UE的最大发射功率，是当前时隙。

②MNPUSCH为子载波数，Single-Tone3.75 kHz时取值1/4，Single-Tone15 kHz时取值1，Multi-Tone时取值为子载波数，取值范围为{3，6，12}。考虑子载波数，相当于是考虑频带的功率补偿，若资源分配越多，发射带宽越大，则需要补偿的功率越大。

③PL是UE估计的下行路径损耗值，通过RSRP和NRS发射功率计算得到，计算公式为PL = NRS发射功率 - RSRP。

④PO_NPUSCH是基站期望的接收功率水平，由基站决定，体现了达到NPUSCH解调性能要求时基站期望的接收功率。

⑤α是路径损耗补偿因子，取值为{0，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1}。

总结：相比LTE，NB-IoT功控思路做了简化，由于考虑重发次数以及不考虑闭环调整量，因此NB-IoT功控无闭环调整量。

6.6NB-IoT的HARQ过程

6.6.1HARQ定义混合自动重传请求(HybridAutomaticRepeat-reQuest，HARQ)是一种将前向纠错编码(FEC)和自动重传请求(ARQ)结合的技术。

为什么采用HARQ技术？

在通信中，数据传输的可靠性是通过重传来实现的。当前一次尝试传输失败时，就要求重传分组数据。在无线传输环境下，由于信道噪声和移动性带来的衰落以及其他用户带来的干扰使得信道传输质量很差，因此应该对数据分组加以保护来抑制各种干扰。这种保护主要是采用前向纠错编码(FEC)，通过添加冗余信息，使得接收端能够纠正一部分错误，从而减少重传的次数。

对于FEC无法纠正的错误，接收端会通过ARQ机制请求发送端重发数据。接收端使用检错码，通常为CRC校验，来检测接收到的数据包是否出错。如果无错，则接收端会发送一个确认响应(ACK)给发送端，发送端收到ACK后，会接着发送下一个数据包。如果出错，则接收端会丢弃该数据包，并发送一个否定响应(NACK)给发送端，发送端收到NACK后，会重发相同的数据，如图6-11所示。图6-11HARQ示意图

然而，过多的前向纠错编码会使传输效率变低。因此，一种混合方案HARQ，即ARQ和FEC相结合的方案被提出了。HARQ是将FEC与ARQ结合起来使用，称为混合自动重传请求，即HybirdARQ。HARQ的基本原理如下：

(1)在接收端使用FEC技术纠正所有错误中能够纠正的那一部分。

(2)通过错误检测判断不能纠正错误的数据包。

(3)丢弃不能纠错的数据包，向发送端请求重新发送相同的数据包。

6.6.2HARQ实现机制

1. HARQ进程是什么

如果UE在接收基站数据的过程中，发现有个数据包有误，则反馈NACK给基站，在接下来的时间里，UE都一直在等待基站重传数据包，等待重传数据包的过程，就是HARQ进程，直到收到基站重传数据包为止，UE才会发送新的数据包。LTE支持8个HARQ进程，NB-IoT仅支持1个HARQ进程。

2.如何发现错包(CRC循环冗余纠错算法)

HARQ通过校验CRC来判断接收到的数据包是否出错，并且校验CRC是在软合并之后进行的。如果CRC校验成功，则接收端会发送肯定的反馈(ACK)；如果CRC校验失败，则接收端会发送否定的反馈(NACK)。

CRC码即循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck)码，是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。

3.错包重传的内容与初传的是否一样

根据重传的比特信息与原始传输信息是否相同，错包重传分为Chase合并(ChaseCombining)和增量冗余(IncrementalRedundancy)。

(1) ChaseCombining中重传的比特信息与原始传输信息相同；

(2) IncrementalRedundancy中重传的比特信息不需要与原始传输信息相同。

4.错包重传采用的频率资源

错包重传采用的频率资源分为两类：自适应(adaptive)和非自适应(non-adaptive)。

(1)自适应HARQ意味着重传使用频率资源可以根据需要调度，不一定采用原数据包发送时采用的频率资源。

(2)非自适应HARQ意味重传使用频率资源必须采用原数据包发送时用的频率资源。

5.错包重传采用的时间资源

错包重传采用的时间资源分为两类：同步(synchronous)和异步(asynchronous)。同步/异步是针对同一数据包的初传和重传而言，而不是仅针对错包的ACK/NACK反馈。

(1)异步重传表示重传可以发生在任一时刻，即任意顺序使用HARQ进程，其中会涉及调度算法的设计问题。

(2)同步重传表示重传只能按固定的时刻来发送。

6.6.3CRC循环冗余纠错算法原理

循环冗余校验(CRC)的基本原理是：在K位信息码后再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位，因此，这种编码也叫(N，K)码。对于一个给定的(N，K)码，可以证明存在一个最高次幂为N - K = R的多项式G(x)。根据G(x)可以生成K位信息的校验码，而G(x)叫做这个CRC码的生成多项式。校验码的具体生成过程：假设要发送的信息用多项式G(x)表示，将G(x)左移R位可表示成C(x) × 2R，这样C(x)的右边就会空出R位，这就是校验码的位置。用C(x) × 2R除以生成多项式G(x)得到的余数就是校验码。

1.校验码生成过程

假设发送信息用信息多项式G(x))表示，生成多项式为G(x)，G(x)的最高次幂是R。

将G(x)左移R位，这样G(x)的右边就会空出R位，空出的R位就是校验码的位置。G(x)左移R位后，可以表示成C(x) × 2R，然后除以生成多项式G(x)，得到的余数就是校验码。在求余数时，只要余数的位数小于或等于R即可。

生成多项式是接收方和发送方的一个约定，也就是一个二进制数，在整个传输过程中，这个数始终保持不变。

在发送方，利用生成多项式对信息多项式做模2除法生成校验码。在接收方利用生成多项式对收到的编码多项式做模2除法检测和确定错误位置。

2.纠错满足条件

纠错算法应满足以下条件：

(1)生成多项式的最高位和最低位必须为1。

(2)当被传送信息(CRC码)发生错误时，左移R位后的信息多项式G(x)被生成多项式整除后应该使余数不为0。

(3)不同位发生错误时，应该使余数不同。

(4)对余数继续做除法运算，应使余数循环。

3. CRC校验码举例

如图6-12所示，用1011模1010000得余数11(余数小于生成多项式的最高次幂，余数是2位，小于最高次幂3)。图6-12CRC取余数过程

(4)编码后的报文(CRC码)，把第(3)步中算出的余数补充到左移的3位中，得到1010011，如图6-13所示。图6-13余数校验过程

(5)纠错方式，发送方和接收方均已知生成多项式及系数，即双方均知道1011。

现发送方发送带CRC编码的报文1010011，如果接收方也收到1010011，接收方用1011去模1010011，则得到的余数是0，证明数据传输无误。

若传输过程中发生差错，例如接收方收到的编码报文为1010010，则再用1011去模1010010的时候，余数不为0，此时即可判断数据传输发生错误，要求发送方重传，如图6-14所示。图6-14CRC校验过程示意图

6.6.4NB-IoT中HARQ的应用

NB-IoT上下行仅有一个HARQ进程。出于成本以及复杂度考虑，NB-IoT只有一个HARQ进程，意味着终端收到基站下发的数据包后，发现错包后向基站反馈NACK信息时，只能等待基站重传，其时延的影响相对LTE来说会比较大。采用1个HARQ进程设计的目的主要是考虑NB-IoT所使用的场景，即在最恶劣的无线环境下，数据包传输严重受影响，在这种情况下，为了确保数据包的准确性，使用低速正确数据流比使用高速误码率高的数据流有意义。通俗来说，正确的数据包总比错误的数据包有用，只要在NB-IoT业务的时延要求范围内，还是可以接收的。

6.6.5NB-IoTHARQ定时关系

协议上考虑NB-IoT终端的成本问题，将下行数据调度传输的最短时间间隔定为4ms，即假设子帧n为NPDCCH传输结束的时间帧，则调度NPDSCH的最快时间是从n+5帧开始的，如图6-15所示。图6-15NB-IoT下行数据传输及上行调度示意图

特别注意：下行子帧n + 5只是NPDCCH调度NPDSCH传输的理论值，由于实际传输中，特别是在覆盖较差的环境下，各种信道都需要多次重复传输以提高编码增益，此时n + 5的子帧，有可能用于非NPDSCH信道的传输，因此要等待这些非NPDSCH信道重复传输结束后，才开始NPDSCH信道的传输，这个等待延后发送NPDSCH的时间过程，用k0来表示，协议中用Idelay表示k0取值的索引，k0根据NPDCCH传输DCI格式取值，取值分别如下：

(1)当NPDCCH采用DCIformatN1格式传输时，k0取值如表6-5所示。

表6-5中各参量的含义：

①索引Idelay取值有8个，分别是0～7，代表8种不同的取值。

② Rmax是NPDCCH的最大重复次数。

(2)当NPDCCH采用DCIformatN1格式传输时，k0 = 0。

(注：NB-IoT的下行NPDSCH传输等待时间k0是由NPDCCH重复次数和NPDCCH所传输的DCI格式进行区分的。)

(1) NSF取值范围是1～10个，用索引ISF来表示，ISF索引与NSF取值对应如表6-6所示。

(2) NRep取值范围是1～2048次，用索引IRep来表示，IRep索引与NRep取值的对应如表6-7所示。

假设一个数据包需要分成4个包，重复传输32次，总共需要128个连续的下行NPDSCH子帧传输，则对应的关系是NSF = 4个、NRep = 32次，N = NSF·NRep = 4 × 32 = 128次，如图6-16所示。图6-16NB-IoT数据传输示意图

6.6.6NB-IoT下行HARQ定时关系

如图6-17所示，若UE接收的NPDSCH传输结束于NB-IoT下行子帧n，则UE会在n + k0子帧上开始，在N个连续的NB-IoT上行时隙上使用NPUSCHformat2发送对下行数据包传输对错状态的反馈(ACK/NACK)。图6-17NB-IoT数据调度示意图

其中：

(1)参量表示用于携带下行HARQ反馈的RU资源的重复次数(注：上行资源是通过RU来分配的)。

(2)参量表示一个RU资源占用的时隙数。

(3)参量k0表示等待延后发送ACK/NACK的时间。

一个RU在时域上的长度为，RU资源图如图6-18所示。图6-18上行资源RU划分示意图

HARQ反馈延时k0以及采用的频率资源是按ACK/NACK的资源区域(ACK/NACKresourcefield)来划分的，ACK/NACK的资源区域的编号及划分协议均已规定，由于NB-IoT上行子载波频率有3.75kHz与15kHz，因此ACK/NACK的资源区域也有两种不同的对应关系，详见表6-9。

6.6.7NB-IoT上行HARQ定时关系

基站收到UE反馈的ACK/NACK信息，就要根据UE反馈信息进行重传或者新数据传输。

(1)如果基站收到UE反馈NACK，则进行重传。

(2)如果基站收到UE反馈ACK，则进行新数据传输。

如图6-19所示，根据上下行数据传输最小间隔3 ms的要求，在第n子帧基站收到UE通过NPUSCHformat2发送反馈的ACK/NACK，则会在n + 4子帧通过NPDCCH发送下行数据调度信息，此时UE要监听NPDCCH，通过检查NPDCCH中的DCIformatN0携带的NDI字段是否反转来决定是重传还是新传。如果是新传数据，则UE会清空上行HARQ缓存中的数据。如果是重传数据，则UE会根据重传数据与缓存数据进行数据还原。图6-19上行数据HARQ的示意图

6.7NB-IoT覆盖增强技术

众所周知，NB-IoT比GSM有20 dB的覆盖增益，那么NB-IoT是如何提升覆盖性能呢？NB-IoT的覆盖增强主要通过功率谱密度提升、重复发送两种方式实现。功率谱密度提升主要源于自身窄带优势，而重传技术在网络容量允许的前提下，通过多次收发实现覆盖增益。

6.7.1功率谱密度增益概述

功率谱密度增益是什么？

在物理学中，信号通常用波的形式表示，例如电磁波、随机振动或者声波。当波的功率谱密度乘以一个适当的系数后，将得到每单位频率波携带的功率，这被称为信号的功率谱密度(PowerSpectralDensity，PSD)，单位是W/Hz。其计算方法如下：

对于3.75 kHz的子载波间隔，子载波不支持捆绑，只支持Single-Tone。对于15 kHz的子载波间隔，NB-IoT与LTE相同，上行15 kHz支持子载波捆绑，称为Multi-Tone；也可以按单个子载波进行工作，称为Single-Tone，如图6-20所示。图6-20NB-IoT中Single-Tone与Multi-Tone示意图

6.7.2下行功率谱密度增益

6.7.3上行功率谱密度增益

上行方向，NB-IoT支持15 kHz和3.75 kHz的载波带宽，LTE的上行单RB带宽为180 kHz，由于上行的发射功率取决于终端(手机)的发射功率，因此目前手机的发射功率是23 dBm(200 mW)。图6-21NB-IoT功率谱密度提升原理

6.7.4重传技术

为什么使用重传技术呢？在无线环境中，由于存在慢衰落和快衰落的影响，因此导致信道的变化很复杂，这时如果不采用重传技术，则由于无线环境的影响，接收端收到的信号会无法还原出发送端的信息，如图6-22所示。图6-22重复传输编码增益示意图

使用重传技术后，提高了信息的准确度，但却降低了无线信道的承载容量，比如重传两次，则无线信道可承载的容量降低一半，重传四次，相应的容量是不使用重传的1/4。对于NB-IoT来说，由于业务数据量小，重传使信道容量有一定程度的减少，对业务影响较小，但带来的覆盖性能却得到巨大的提升，因此NB-IoT多采用重传技术。根据协议规定，NB-IoT的下行控制信道NPDCCH的最大重传次数为2048，上行随机接入的最大重传次数为128。协议原表分别见表6-10和表6-11。

表6-10NB-IoT下行重传次数取值范围

表6-11NB-IoT上行重传次数取值范围

最大重传次数对应信令配置如图6-23和图6-24所示。图6-23NB-IoT中下行控制信道NPDCCH重复次数图6-24NB-IoT中上行接入重复次数

因为重传可带来合并增益，所以间接扩大了系统的覆盖范围。重传增益计算公式如下：

重传增益 = 10 lg(重复次数) (6-33)

如图6-25所示，下行重传8次、上行重传16次可带来(9～12)dB的增益。图6-25重传增益量化示意图

6.7.5下行重传

NB-IoT下行信道包括NPBCH、NPDCCH、NPDSCH信道，为使不同信道达到最大路损(MCL)解调门限及误码率(BLER)解调门限，需配置不同的重传次数，以满足信道的解调门限。

1. NPBCH解调门限

NPBCH采用两发1收(2T1R)配置模式下通过仿真得到的解调门限如表6-12所示。

(1)根据仿真结果，在Stand-alone模式下MCL值达到144 dB、154 dB、164 dB需要的重复次数分别为1、2、16。

(2)在In-band/Guard-band模式下MCL值达到144 dB、154 dB需要的重复次数分别为1、8，不能满足164 dB的要求。

2. NPDCCH解调门限

NPDCCH信息最大为39 bit，我们在48 bit信息量前提下进行仿真，解调门限如表6-13所示。从表6-13仿真结果可以看到，重复32次可满足在Stand-alone模式下MCL值为164 dB的覆盖要求，由于在Guard-band/In-band模式下的发射功率比Stand-alone模式低8 dB，因此重传需达到192、230次，才能满足MCL值为164 dB。

3. NPDSCH解调门限

对NPDSCH信道来说，重复次数还与传输块(TBS)大小有关，如表6-14仿真结果所示，当TBS = 680 bit时，为达到MCL值为164 dB的条件，在Stand-alone模式下需重传32次。

6.7.6上行重传

1. NPRACH重复

NPRACH重复次数为{1，2，4，8，16，32，64，128}，仿真结果表明，重复次数达到32次时，可满足MCL值为164 dB的覆盖要求，如表6-15所示。

2. NPUSCH重复

NPUSCH采用QPSK调制，重复的仿真结果如表6-16所示，发送接收天线模式为1T2R。RU(资源单元)的取值范围为{1，2，3，4，5，6，8，10}，重复次数取值范围为{1，2，4，8，16，32，64，128}，表中部分取值与标准定义不完全匹配。上行速率为单子帧瞬时速率，未考虑调度时延、HARQ反馈等开销。

6.8NB-IoT省电机制

NB-IoT终端采用PSM和eDRX两种技术实现低功耗。(1)节能模式(PowerSavingMode，PSM)的终端功耗仅15 μW。在PSM模式下，终端仍旧注册在网，但下行信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深