本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband Internet of Things Whitepaper。本文僅限於個人學習，研究，交流，不得用於其他商業用途！

摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯網（NBIoT）。 NB-IoT針對機器類型流量進行了優化。 它保持儘可能簡單，以降低設備成本並最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用於在困難的無線電條件下工作，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區域。 儘管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前LTE規範的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術，重點是與LTE的緊密連接。

目 錄

1 簡介

2 物理層

3 小區訪問

4 數據傳輸

5 摘要和展望

6 參考文獻

1 簡介

機器類型通信（MTC）的一個特徵是廣泛的功能。 例如，監控攝像機必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數據，而用於車隊跟蹤的設備在執行大量切換時具有少量數據。

另一類設備既沒有這些功能。 例如，用於抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優化的切換。 通常只傳輸少量數據，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統設備相比，這些MTC設備的數量可能變得非常大，甚至達到幾個數量級。 使用現有的LTE技術會導致網絡過載，因為儘管用戶數據量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規範集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經過培訓的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設備的壽命。 因此，優化的功耗對於正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內覆蓋範圍，認為必要時高達23 dB。

由於需要大量的設備，因此必須處於低成本範圍內。 作為目標，每個模塊的價格範圍應小於5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項目。 除了上述功能之外，主要要求是與現有GSM，UMTS和LTE系統以及用於這些技術的硬件共存。

已經從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中後者基於GSM標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續在第12版中進行的優化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向後兼容。通過指定從現有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現共存。

白皮書的結構如下：我們首先概述更具體的要求和網絡架構，並提供物理層的詳細信息。在描述了對單元的訪問之後，我們展示瞭如何通過空中接口傳輸數據包。最後，給出了該技術進一步發展的展望。

2 概 述

2.1 要求

根據前一章提到的一般MTC要求，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：

●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口

●對整個系統（包括核心網絡）的適當安全性

●延長電池壽命

●支持IP和非IP數據的傳送[2,3]

●支持SMS作為部署選項[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處於連接狀態的UE缺少切換。 僅支持空閒狀態下的小區重選，甚至限制在NB-IoT技術內。 由於沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用於設備內共存的干擾避免，以及用於監控信道質量的測量。

大多數LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-IoT不用於延遲敏感數據包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務，例如實時IMS。 根據這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應用創建一個空中接口，用於小型非延遲敏感數據包的空中接口被分開並單獨優化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2 網絡

2.2.1 核心網

為了嚮應用程序發送數據，定義了演進分組系統（EPS）中的蜂窩物聯網（CIoT）的兩種優化，用戶平面CIoT EPS優化和控制平面CIoT EPS優化，見圖2-1。 可以使用兩種優化，但不限於NB-IoT設備。

在控制平面CIoT EPS優化上，UL數據從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那裡，它們可以通過服務網關（SGW）傳輸到分組數據網絡網關（PGW），或者傳輸到服務能力暴露功能（SCEF），然而這隻能用於非IP數據分組。從這些節點開始，它們最終被轉發到應用服務器（CIoT服務）。DL數據在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數據無線電承載，而是在信令無線電承載上發送數據分組。因此，該解決方案最適合於不頻繁和小數據分組的傳輸。

SCEF是專為機器類型數據設計的新節點。它用於通過控制平面傳送非IP數據，併為網絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，發現和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優化，數據以與傳統數據業務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸到應用服務器。因此，它在構建連接時產生一些開銷，但是它有助於發送一系列數據包。此路徑支持IP和非IP數據傳輸。

2.2.2 接入網

在整體接入網架構上，LTE沒有區別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區別在於攜帶NB-IoT消息和數據分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進入空閒狀態後能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個eNB的情況。

2.3 頻段

對於頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數頻率都在現有LTE頻段的較低範圍內。 這反映出對於機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3 物理層

3.1 操作模式

NB-IoT技術佔用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應於LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：

●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側仍然保留10 kHz的保護間隔

●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內未使用的資源塊

●利用LTE載波內的資源塊的帶內操作

這些模式在下圖中可視化：

對於獨立操作，圖中右側的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，並非所有頻率（即，LTE載波內的資源塊）都被允許用於小區連接。 它們僅限於以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內操作。 當為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統使用的資源之間的衝突，例如小區特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內部資源塊反映在表3-1中，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對於保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應於正常覆蓋，CE級別2對應於最壞情況，其中覆蓋範圍可能會被認為是非常貧窮。它取決於網絡，定義了多少個CE級別。對於每個CE級，在小區中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重複多次。

對於版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，並且UE接收或發送，但不是同時接收或發送。另外，在從UL到DL的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（SF），其中UE有時間切換其發送器和接收器鏈。

3.2 下行鏈路

對於DL，三個物理信道

●NPBCH，窄帶物理廣播信道

●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道

●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號

●NRS，窄帶參考信號

●NPSS和NSSS，

定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩餘的信令信息和數據通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數據傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調製的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進行操作。 對於後一種情況，應用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區具有指定的物理小區ID（PCI），即窄帶物理小區ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節“同步信號”。

3.2.1 框架和槽結構

在DL中，使用具有正常循環前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式佔用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網格[9]：

對於一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網格，這對於帶內操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，並在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據調製方案的值的複數值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結為子幀和無線電幀：

有1024個循環重複的無線電幀，每個持續10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統幀週期的數量進行計數，即，每當系統幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數器，因此超幀週期跨越1024個系統幀週期，對應於幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2 窄帶參考信號

窄帶參考信號（NRS）在所有可用於廣播或專用DL傳輸的SF中傳輸，無論數據是否實際傳輸，請參見第3.2.5節“專用信道”瞭解更多詳細信息。

根據傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創建類似於LTE中的CRS，其中NCellID用於PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率範圍內由NCellID mod 6循環移位。 當在兩個AP上發送NRS時，則在AP0上用於NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設置為零，反之亦然。

對於帶內操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發送，用於不用於MBSFN的SF。利用NRS的結構，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內操作的一個重點是NcellID。它可以與用於嵌入LTE小區的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數指示，請參見第3.2.4節“窄帶物理廣播信道”，它區分帶內操作與同一PCI的真或假。如果該參數設置為真，則NCellID和PCI相同，並且UE可以假設天線端口的數量與LTE小區中的相同。然後可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關聯，並且CRS端口1與NRS端口1相關聯。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不採取任何這些假設。

3.2.3 同步信號

對於幀和子幀中的第一同步並且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結構如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因為當NB-IoT以帶內模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護時間適用於所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規定，哪個天線端口用於同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用於NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關於小區的信息。它在每個無線電幀的SF5中發送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進制加擾並根據無線電幀號循環移位。NCellID是一個額外的輸入參數，因此可以從序列中導出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數無線電幀的最後SF中發送。

對於帶內操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節中描述的NPBCH只能在PRB上進行，如表3-1所示。選擇用於接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結構，UE不能將NB同步信號與LTE系統發送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，並且具有任一技術的UE被自動路由到正確的頻率範圍。

3.2.4 窄帶物理廣播信道

NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，並且在640ms的時間段內發送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：

●4位表示系統幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩餘的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出

●2比特，表示超幀號的兩個LSB

●4位用於SIB1-NB調度和大小

●5位表示系統信息值標籤

●1位，表示是否應用了訪問類限制

●7位表示具有模式特定值的操作模式

●11個備用位，用於將來擴展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之後，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發送，並分別在接下來的7個連續無線電幀的SF0中重複。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執行相同的過程。 繼續該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用於所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸衝突。

NPBCH的SF結構如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 頻率範圍內的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 儘管NCellID在帶內操作中可能與PCI不同，但是其範圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率範圍內的CRS的循環移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能衝突。

3.2.5 專用頻道

控制和共享信道的原理也適用於NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 並非所有SF都可以用於傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以週期性方式應用。 對於SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1 控制信道NPDCCH

NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數據，在哪裡找到它們以及它們重複的頻率。 此外，在其中提供UL授權，示出UE將用於UL中的數據傳輸的資源。 最後，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設計如下圖所示：

用於NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，並且還圍繞CRS（紫色）進行帶內操作。 參數lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區域大小）指示OFDM起始符號。 這種方式可以避免帶內操作與LTE控制信道的衝突。 對於保護頻帶和獨立操作模式，控制區域大小默認為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：

●NPDCCH格式0採用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內傳輸。

●NPDCCH格式1同時採用NCCE。

為了使UE以合理的解碼複雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用於分頁

●Type-2公共搜索空間，用於隨機訪問

●UE特定的搜索空間

每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重複若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI），一個用於隨機接入（RA-RNTI），一個用於尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，並且如果找到，則對NPDCCH進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對於利用RA-RNTI對CRC進行加擾的情況，內容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調度延遲，即NPDCCH結束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對於經由DCI格式N2的DL傳輸，調度延遲固定為10SF。

3.2.5.2 業務信道NPDSCH

NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結構。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，並圍繞NRS映射，並且對於帶內操作，映射為LTE CRS。lNstart由用於帶內操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大小（TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重複傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續SF。

對於DL，沒有對傳輸的自動確認，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發送確認，參見章節3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節“多載波配置”，這意味著當UE處於連接狀態時可以使用另一個載波。在空閒狀態中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關UL載波中發送前導碼，在那裡等待尋呼或開始對移動始發數據或信令的接入。

SIB1-NB傳輸

SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的週期，重複4,8或16次。傳輸塊大小和重複次數在MIB-NB中指示。可以進行4,8或16次重複，並且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重複次數和NCellID確定。SF4用於傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由於其他傳輸參數也是固定的，因此控制信道中沒有相關的指示。

SIB1-NB內容可以僅在每個修改週期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應於4個SFN週期，這就是為什麼在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

儘管通過NPDSCH發送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因為UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3 上行鏈路

對於上行鏈路（UL），兩個物理信道

●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道

●NPRACH，窄帶物理隨機接入信道和

●定義DMRS，解調參考信號。

物理信道與相關傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數據都通過NPUSCH發送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發送。 因此，沒有相當於LTE中的PUCCH。

3.3.1 時隙結構

在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用15kHz子載波間隔時，UL的資源網格與DL的資源網格相同，請參見圖3-3。 對於3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網格具有修改的結構：

同樣在一個時隙內有7個OFDM符號。 根據OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續時間是15kHz的持續時間的四倍，這導致時隙長度為2ms。

3.3.2 物理上行鏈路共享信道

在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用於UL-SCH上的UL傳輸信道數據，傳輸塊不大於1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限於DL傳輸的確認。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決於PUSCH格式和子載波間隔。

對於NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率範圍中的1個子載波和時間範圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對於NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對於3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續時間並且對於15kHz子載波間隔2ms。

對於NPUSCH格式2，調製方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調製取決於所選的RU：

●對於具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK

●對於所有其他RU，應用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用於UL-SCH傳輸的許可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重複次數，用於一個傳輸塊的RU的數量，以及包括它們在頻率範圍中的位置的子載波的數量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調製方案，另外，與RU的數量一起，提供傳輸塊大小。

最後，通過應用逆傅里葉變換並且在循環前綴（CP）之前預先創建時間信號。 對於15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對於3.75kHz，它是256個樣本，對應於8.3μs。 對於後一種情況，每個時隙結束時的2304個採樣（75μs）的週期保持為空，這用作保護間隔。 對於帶內操作，該保護間隔可以用於在LTE系統中發送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應該確認傳輸的情況下，在相關DL中總是存在確認。

3.3.3 參考信號

在UL中，定義瞭解調參考信號（DMRS）。 它與數據複用，因此它僅在包含數據傳輸的RU中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。

根據NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發送。 對於NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標記的符號。

從該圖中可以看出，用於DMRS傳輸的SC-FDM符號取決於子載波間隔。 對於圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構成。 它們具有與相關數據相同的調製。 對於NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進行擴展。

3.3.4 隨機接入信道

在隨機接入信道NPRACH中，發送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機接入過程可用於向小區發信號通知UE駐留在其上並希望獲得接入。

前導碼基於單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環前綴（CP），後跟5個符號。 以下結構顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續時間為TSEQ = 1.333 ms，對於格式0，CP為TCP =67μs，對於格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導碼格式在系統信息中廣播。

前導碼由無間隙發送的4個符號組組成。跳頻應用於符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發送。通過構造，該跳躍被限制為連續的12個子載波集。取決於覆蓋水平，小區可以指示UE將在每次重複時使用相同的傳輸功率重複前導碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，並且週期性地發生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH週期。它們在一段時間內的開始時間在系統信息中提供。重複次數和前導碼格式決定了它們的結束。

在頻率範圍內，應用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源佔用12,24,36或48個子載波的連續集合，並且位於一組離散的子載波範圍上。取決於小區配置，資源可以進一步劃分為由支持msg3的多音傳輸的UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重複至少4次的前導碼的示例。這裡，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重複由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸的情況提供，則UE選擇用於傳輸第一前導碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決於第一個符號的位置。對於下一次重複的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重複次數用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決於該結果。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決於子載波位置。對載波頻率的調製和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4 功率控制

3.4.1 上行鏈路

在UL中，發射功率取決於小區特定參數，所選RU和UE測量參數的組合[11]。 對於最多重複2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重複次數超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區特定最大發射功率。利用上述結構，發射功率可能永遠不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決於所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數的組合，這取決於傳輸塊是用於UL-SCH數據（j = 1）還是用於RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權，對於NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

3.4.2 下行鏈路

DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對於攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恆定的。

對於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發射功率取決於傳輸方案。如果僅應用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內操作模式並且samePCI值設置為true，則會出現特殊情況。然後，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進行信道估計。

4 小區訪問

當UE接入小區時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當的頻率上搜索小區，讀取相關的SIB信息，並開始隨機接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網絡註冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態之後，如果它具有要發送的移動始發數據，則它可以再次使用隨機接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1 協議棧和信令承載

協議層的一般原則是從LTE協議開始，將它們降低到最小，並根據NB-IoT的需要增強它們。這樣，重複使用經過驗證的結構和過程，同時防止來自未使用的LTE特徵的開銷。因此，從協議棧的角度來看，NB-IoT技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

其一個例子是承載結構。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用於通過CCCH邏輯信道發送的RRC消息的SRB0，以及用於使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然後不再使用SRB1bis。這也意味著對於控制平面CIoT EPS優化，根本不使用SRB1bis，因為在此模式下沒有安全激活。

協議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優化的功能：

4.2 系統信息

與LTE類似，系統信息用於廣播對小區內的所有UE有效的信息。 由於廣播系統信息佔用資源並導致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現的大小。

因此，定義了一組系統信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用後綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內操作的情況下，UE也專門使用這些SIB並忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統信息獲取和改變過程僅應用於RRC_IDLE狀態。 期望UE在處於RRC_CONNECTED狀態時讀取SIB信息。 如果發生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態以獲取修改的系統信息。

4.2.1 調度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進行傳輸。剩餘SIB信息的調度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然後在單獨的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，並且對於所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內，SI消息通過2或8個連續有效DL SF發送，具體取決於它們的傳輸塊大小，並且可以重複多次。 調度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示並且不需要SI-RNTI。

4.2.2 變更通知

如“SIB1-NB傳輸”中已經提到的，系統信息可能僅在修改週期的時間邊界處改變並且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點改變。這種例外背後的原因是AB參數可能需要在更短的時間範圍內改變。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用於UE從覆蓋範圍外的位置返回到覆蓋範圍以及從更長的DRX週期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標籤。如果存在SIB更改，則會修改值標記。但是，如果超過24小時超出覆蓋範圍，則UE必須始終讀取系統信息。

4.2.3 總結SIB採集

UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重複次數，並且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最後，藉助於從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標籤或通過尋呼指示SIB改變。

4.3 小區選擇和移動性

NB-IoT設計用於UE和網絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區服務的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區改變，則UE首先進入RRC_IDLE狀態並重新選擇其中的另一個小區。

對於RRC_IDLE狀態，為頻率內和頻率間小區定義小區重選[12]。這裡，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區，UE首先測量NRS的接收功率和質量。然後將這些值與SIB-NB提供的小區特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高於這些閾值，則UE認為自己處於該小區的覆蓋範圍內。如果UE處於一個小區的覆蓋範圍內，則駐留在其上。

取決於所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區重選。UE將該功率與重選閾值進行比較，該重選閾值對於頻率內和頻率間情況可以是不同的。從實際服務小區接收所有必需參數，不需要從其他小區讀取SIB-NB。

在滿足S標準的所有小區中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區進行排名。在該過程中添加滯後以防止過於頻繁的小區重選，並且還可以針對頻率內情況應用小區特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區，即，它可以從其接收正常服務。

當UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嚐試找到合適小區的頻率。僅當UE在該頻率上沒有找到合適的小區時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區。

4.4 隨機訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數[13]：

對於NB-IoT，RACH過程始終基於競爭，並從第3.3.4節“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之後，發送調度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最後將相關的爭用解決消息發送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發送前導碼時，UE首先根據傳輸時間計算其RA-RNTI。然後在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內的該消息，其在最後的前導碼SF之後開始3個SF並且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

如果前導碼傳輸不成功，即沒有接收到相關聯的隨機接入響應（RAR）消息，則UE發送另一個消息。這可以達到最大數量，這又取決於CE級別。對於未成功達到該最大數量的情況，如果配置了該級別，則UE前進到下一個CE級別。如果達到訪問嘗試的總次數，則向RRC報告相關的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經是時間對齊的，這對於通過NPUSCH進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用於msg3傳輸的所有相關數據。

其餘過程如同在LTE中那樣完成，即UE發送標識，並且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機接入過程被成功完成。

4.5 連接控制

由於系統不支持切換到不同的技術，RRC的狀態模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉換到相關的UTRA和GSM狀態，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE被視為不同的RAT。

4.5.1 RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網絡以及用於什麼目的。此建立原因僅限於移動始發信令，移動始發數據，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因為在NB-IoT中，假設所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調業務和多載波支持的能力。儘管這些功能通常在自己的過程中發出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發出信號，以便eNB可以將其應用於此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達2個數據無線電承載（DRB）和協議的配置。最後，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，並且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優化建立連接之後，以與具有僅限於NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對於控制平面CIoT EPS優化，不應用這些過程。

當eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉換到RRC_IDLE狀態並存儲當前AS上下文。它可以稍後恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態。自動設置無線承載，並使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內容。顯然，這為不頻繁的小數據分組的傳輸節省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當UE被配置用於用戶平面CIoT EPS優化並且配置有至少一個DRB時，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，並且不再可能為稍後的連接恢復該AS上下文。

當eNB在MIB-NB中指示接入受制於接入類別限制並且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發起的信令或數據時進行接入禁止檢查。或恢復RRC連接。商業上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關聯的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯的位，則禁止訪問該單元。然後，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實際禁止狀態。請注意，對於某些特殊數據，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決於SIB14-NB設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閒資源，eNB會回覆RRCConnectionReject。然後，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由於太多UE同時啟動網絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用於恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用於後續恢復請求。

4.5.2 RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發起，如圖4-7所示。

"

本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband Internet of Things Whitepaper。本文僅限於個人學習，研究，交流，不得用於其他商業用途！

摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯網（NBIoT）。 NB-IoT針對機器類型流量進行了優化。 它保持儘可能簡單，以降低設備成本並最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用於在困難的無線電條件下工作，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區域。 儘管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前LTE規範的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術，重點是與LTE的緊密連接。

目 錄

1 簡介

2 物理層

3 小區訪問

4 數據傳輸

5 摘要和展望

6 參考文獻

1 簡介

機器類型通信（MTC）的一個特徵是廣泛的功能。 例如，監控攝像機必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數據，而用於車隊跟蹤的設備在執行大量切換時具有少量數據。

另一類設備既沒有這些功能。 例如，用於抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優化的切換。 通常只傳輸少量數據，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統設備相比，這些MTC設備的數量可能變得非常大，甚至達到幾個數量級。 使用現有的LTE技術會導致網絡過載，因為儘管用戶數據量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規範集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經過培訓的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設備的壽命。 因此，優化的功耗對於正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內覆蓋範圍，認為必要時高達23 dB。

由於需要大量的設備，因此必須處於低成本範圍內。 作為目標，每個模塊的價格範圍應小於5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項目。 除了上述功能之外，主要要求是與現有GSM，UMTS和LTE系統以及用於這些技術的硬件共存。

已經從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中後者基於GSM標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續在第12版中進行的優化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向後兼容。通過指定從現有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現共存。

白皮書的結構如下：我們首先概述更具體的要求和網絡架構，並提供物理層的詳細信息。在描述了對單元的訪問之後，我們展示瞭如何通過空中接口傳輸數據包。最後，給出了該技術進一步發展的展望。

2 概 述

2.1 要求

根據前一章提到的一般MTC要求，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：

●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口

●對整個系統（包括核心網絡）的適當安全性

●延長電池壽命

●支持IP和非IP數據的傳送[2,3]

●支持SMS作為部署選項[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處於連接狀態的UE缺少切換。 僅支持空閒狀態下的小區重選，甚至限制在NB-IoT技術內。 由於沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用於設備內共存的干擾避免，以及用於監控信道質量的測量。

大多數LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-IoT不用於延遲敏感數據包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務，例如實時IMS。 根據這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應用創建一個空中接口，用於小型非延遲敏感數據包的空中接口被分開並單獨優化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2 網絡

2.2.1 核心網

為了嚮應用程序發送數據，定義了演進分組系統（EPS）中的蜂窩物聯網（CIoT）的兩種優化，用戶平面CIoT EPS優化和控制平面CIoT EPS優化，見圖2-1。 可以使用兩種優化，但不限於NB-IoT設備。

在控制平面CIoT EPS優化上，UL數據從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那裡，它們可以通過服務網關（SGW）傳輸到分組數據網絡網關（PGW），或者傳輸到服務能力暴露功能（SCEF），然而這隻能用於非IP數據分組。從這些節點開始，它們最終被轉發到應用服務器（CIoT服務）。DL數據在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數據無線電承載，而是在信令無線電承載上發送數據分組。因此，該解決方案最適合於不頻繁和小數據分組的傳輸。

SCEF是專為機器類型數據設計的新節點。它用於通過控制平面傳送非IP數據，併為網絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，發現和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優化，數據以與傳統數據業務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸到應用服務器。因此，它在構建連接時產生一些開銷，但是它有助於發送一系列數據包。此路徑支持IP和非IP數據傳輸。

2.2.2 接入網

在整體接入網架構上，LTE沒有區別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區別在於攜帶NB-IoT消息和數據分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進入空閒狀態後能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個eNB的情況。

2.3 頻段

對於頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數頻率都在現有LTE頻段的較低範圍內。 這反映出對於機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3 物理層

3.1 操作模式

NB-IoT技術佔用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應於LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：

●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側仍然保留10 kHz的保護間隔

●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內未使用的資源塊

●利用LTE載波內的資源塊的帶內操作

這些模式在下圖中可視化：

對於獨立操作，圖中右側的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，並非所有頻率（即，LTE載波內的資源塊）都被允許用於小區連接。 它們僅限於以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內操作。 當為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統使用的資源之間的衝突，例如小區特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內部資源塊反映在表3-1中，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對於保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應於正常覆蓋，CE級別2對應於最壞情況，其中覆蓋範圍可能會被認為是非常貧窮。它取決於網絡，定義了多少個CE級別。對於每個CE級，在小區中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重複多次。

對於版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，並且UE接收或發送，但不是同時接收或發送。另外，在從UL到DL的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（SF），其中UE有時間切換其發送器和接收器鏈。

3.2 下行鏈路

對於DL，三個物理信道

●NPBCH，窄帶物理廣播信道

●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道

●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號

●NRS，窄帶參考信號

●NPSS和NSSS，

定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩餘的信令信息和數據通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數據傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調製的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進行操作。 對於後一種情況，應用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區具有指定的物理小區ID（PCI），即窄帶物理小區ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節“同步信號”。

3.2.1 框架和槽結構

在DL中，使用具有正常循環前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式佔用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網格[9]：

對於一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網格，這對於帶內操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，並在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據調製方案的值的複數值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結為子幀和無線電幀：

有1024個循環重複的無線電幀，每個持續10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統幀週期的數量進行計數，即，每當系統幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數器，因此超幀週期跨越1024個系統幀週期，對應於幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2 窄帶參考信號

窄帶參考信號（NRS）在所有可用於廣播或專用DL傳輸的SF中傳輸，無論數據是否實際傳輸，請參見第3.2.5節“專用信道”瞭解更多詳細信息。

根據傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創建類似於LTE中的CRS，其中NCellID用於PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率範圍內由NCellID mod 6循環移位。 當在兩個AP上發送NRS時，則在AP0上用於NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設置為零，反之亦然。

對於帶內操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發送，用於不用於MBSFN的SF。利用NRS的結構，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內操作的一個重點是NcellID。它可以與用於嵌入LTE小區的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數指示，請參見第3.2.4節“窄帶物理廣播信道”，它區分帶內操作與同一PCI的真或假。如果該參數設置為真，則NCellID和PCI相同，並且UE可以假設天線端口的數量與LTE小區中的相同。然後可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關聯，並且CRS端口1與NRS端口1相關聯。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不採取任何這些假設。

3.2.3 同步信號

對於幀和子幀中的第一同步並且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結構如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因為當NB-IoT以帶內模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護時間適用於所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規定，哪個天線端口用於同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用於NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關於小區的信息。它在每個無線電幀的SF5中發送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進制加擾並根據無線電幀號循環移位。NCellID是一個額外的輸入參數，因此可以從序列中導出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數無線電幀的最後SF中發送。

對於帶內操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節中描述的NPBCH只能在PRB上進行，如表3-1所示。選擇用於接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結構，UE不能將NB同步信號與LTE系統發送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，並且具有任一技術的UE被自動路由到正確的頻率範圍。

3.2.4 窄帶物理廣播信道

NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，並且在640ms的時間段內發送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：

●4位表示系統幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩餘的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出

●2比特，表示超幀號的兩個LSB

●4位用於SIB1-NB調度和大小

●5位表示系統信息值標籤

●1位，表示是否應用了訪問類限制

●7位表示具有模式特定值的操作模式

●11個備用位，用於將來擴展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之後，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發送，並分別在接下來的7個連續無線電幀的SF0中重複。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執行相同的過程。 繼續該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用於所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸衝突。

NPBCH的SF結構如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 頻率範圍內的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 儘管NCellID在帶內操作中可能與PCI不同，但是其範圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率範圍內的CRS的循環移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能衝突。

3.2.5 專用頻道

控制和共享信道的原理也適用於NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 並非所有SF都可以用於傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以週期性方式應用。 對於SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1 控制信道NPDCCH

NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數據，在哪裡找到它們以及它們重複的頻率。 此外，在其中提供UL授權，示出UE將用於UL中的數據傳輸的資源。 最後，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設計如下圖所示：

用於NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，並且還圍繞CRS（紫色）進行帶內操作。 參數lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區域大小）指示OFDM起始符號。 這種方式可以避免帶內操作與LTE控制信道的衝突。 對於保護頻帶和獨立操作模式，控制區域大小默認為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：

●NPDCCH格式0採用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內傳輸。

●NPDCCH格式1同時採用NCCE。

為了使UE以合理的解碼複雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用於分頁

●Type-2公共搜索空間，用於隨機訪問

●UE特定的搜索空間

每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重複若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI），一個用於隨機接入（RA-RNTI），一個用於尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，並且如果找到，則對NPDCCH進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對於利用RA-RNTI對CRC進行加擾的情況，內容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調度延遲，即NPDCCH結束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對於經由DCI格式N2的DL傳輸，調度延遲固定為10SF。

3.2.5.2 業務信道NPDSCH

NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結構。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，並圍繞NRS映射，並且對於帶內操作，映射為LTE CRS。lNstart由用於帶內操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大小（TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重複傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續SF。

對於DL，沒有對傳輸的自動確認，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發送確認，參見章節3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節“多載波配置”，這意味著當UE處於連接狀態時可以使用另一個載波。在空閒狀態中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關UL載波中發送前導碼，在那裡等待尋呼或開始對移動始發數據或信令的接入。

SIB1-NB傳輸

SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的週期，重複4,8或16次。傳輸塊大小和重複次數在MIB-NB中指示。可以進行4,8或16次重複，並且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重複次數和NCellID確定。SF4用於傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由於其他傳輸參數也是固定的，因此控制信道中沒有相關的指示。

SIB1-NB內容可以僅在每個修改週期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應於4個SFN週期，這就是為什麼在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

儘管通過NPDSCH發送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因為UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3 上行鏈路

對於上行鏈路（UL），兩個物理信道

●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道

●NPRACH，窄帶物理隨機接入信道和

●定義DMRS，解調參考信號。

物理信道與相關傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數據都通過NPUSCH發送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發送。 因此，沒有相當於LTE中的PUCCH。

3.3.1 時隙結構

在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用15kHz子載波間隔時，UL的資源網格與DL的資源網格相同，請參見圖3-3。 對於3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網格具有修改的結構：

同樣在一個時隙內有7個OFDM符號。 根據OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續時間是15kHz的持續時間的四倍，這導致時隙長度為2ms。

3.3.2 物理上行鏈路共享信道

在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用於UL-SCH上的UL傳輸信道數據，傳輸塊不大於1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限於DL傳輸的確認。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決於PUSCH格式和子載波間隔。

對於NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率範圍中的1個子載波和時間範圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對於NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對於3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續時間並且對於15kHz子載波間隔2ms。

對於NPUSCH格式2，調製方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調製取決於所選的RU：

●對於具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK

●對於所有其他RU，應用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用於UL-SCH傳輸的許可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重複次數，用於一個傳輸塊的RU的數量，以及包括它們在頻率範圍中的位置的子載波的數量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調製方案，另外，與RU的數量一起，提供傳輸塊大小。

最後，通過應用逆傅里葉變換並且在循環前綴（CP）之前預先創建時間信號。 對於15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對於3.75kHz，它是256個樣本，對應於8.3μs。 對於後一種情況，每個時隙結束時的2304個採樣（75μs）的週期保持為空，這用作保護間隔。 對於帶內操作，該保護間隔可以用於在LTE系統中發送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應該確認傳輸的情況下，在相關DL中總是存在確認。

3.3.3 參考信號

在UL中，定義瞭解調參考信號（DMRS）。 它與數據複用，因此它僅在包含數據傳輸的RU中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。

根據NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發送。 對於NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標記的符號。

從該圖中可以看出，用於DMRS傳輸的SC-FDM符號取決於子載波間隔。 對於圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構成。 它們具有與相關數據相同的調製。 對於NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進行擴展。

3.3.4 隨機接入信道

在隨機接入信道NPRACH中，發送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機接入過程可用於向小區發信號通知UE駐留在其上並希望獲得接入。

前導碼基於單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環前綴（CP），後跟5個符號。 以下結構顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續時間為TSEQ = 1.333 ms，對於格式0，CP為TCP =67μs，對於格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導碼格式在系統信息中廣播。

前導碼由無間隙發送的4個符號組組成。跳頻應用於符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發送。通過構造，該跳躍被限制為連續的12個子載波集。取決於覆蓋水平，小區可以指示UE將在每次重複時使用相同的傳輸功率重複前導碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，並且週期性地發生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH週期。它們在一段時間內的開始時間在系統信息中提供。重複次數和前導碼格式決定了它們的結束。

在頻率範圍內，應用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源佔用12,24,36或48個子載波的連續集合，並且位於一組離散的子載波範圍上。取決於小區配置，資源可以進一步劃分為由支持msg3的多音傳輸的UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重複至少4次的前導碼的示例。這裡，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重複由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸的情況提供，則UE選擇用於傳輸第一前導碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決於第一個符號的位置。對於下一次重複的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重複次數用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決於該結果。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決於子載波位置。對載波頻率的調製和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4 功率控制

3.4.1 上行鏈路

在UL中，發射功率取決於小區特定參數，所選RU和UE測量參數的組合[11]。 對於最多重複2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重複次數超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區特定最大發射功率。利用上述結構，發射功率可能永遠不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決於所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數的組合，這取決於傳輸塊是用於UL-SCH數據（j = 1）還是用於RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權，對於NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

3.4.2 下行鏈路

DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對於攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恆定的。

對於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發射功率取決於傳輸方案。如果僅應用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內操作模式並且samePCI值設置為true，則會出現特殊情況。然後，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進行信道估計。

4 小區訪問

當UE接入小區時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當的頻率上搜索小區，讀取相關的SIB信息，並開始隨機接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網絡註冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態之後，如果它具有要發送的移動始發數據，則它可以再次使用隨機接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1 協議棧和信令承載

協議層的一般原則是從LTE協議開始，將它們降低到最小，並根據NB-IoT的需要增強它們。這樣，重複使用經過驗證的結構和過程，同時防止來自未使用的LTE特徵的開銷。因此，從協議棧的角度來看，NB-IoT技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

其一個例子是承載結構。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用於通過CCCH邏輯信道發送的RRC消息的SRB0，以及用於使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然後不再使用SRB1bis。這也意味著對於控制平面CIoT EPS優化，根本不使用SRB1bis，因為在此模式下沒有安全激活。

協議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優化的功能：

4.2 系統信息

與LTE類似，系統信息用於廣播對小區內的所有UE有效的信息。 由於廣播系統信息佔用資源並導致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現的大小。

因此，定義了一組系統信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用後綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內操作的情況下，UE也專門使用這些SIB並忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統信息獲取和改變過程僅應用於RRC_IDLE狀態。 期望UE在處於RRC_CONNECTED狀態時讀取SIB信息。 如果發生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態以獲取修改的系統信息。

4.2.1 調度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進行傳輸。剩餘SIB信息的調度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然後在單獨的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，並且對於所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內，SI消息通過2或8個連續有效DL SF發送，具體取決於它們的傳輸塊大小，並且可以重複多次。 調度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示並且不需要SI-RNTI。

4.2.2 變更通知

如“SIB1-NB傳輸”中已經提到的，系統信息可能僅在修改週期的時間邊界處改變並且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點改變。這種例外背後的原因是AB參數可能需要在更短的時間範圍內改變。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用於UE從覆蓋範圍外的位置返回到覆蓋範圍以及從更長的DRX週期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標籤。如果存在SIB更改，則會修改值標記。但是，如果超過24小時超出覆蓋範圍，則UE必須始終讀取系統信息。

4.2.3 總結SIB採集

UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重複次數，並且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最後，藉助於從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標籤或通過尋呼指示SIB改變。

4.3 小區選擇和移動性

NB-IoT設計用於UE和網絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區服務的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區改變，則UE首先進入RRC_IDLE狀態並重新選擇其中的另一個小區。

對於RRC_IDLE狀態，為頻率內和頻率間小區定義小區重選[12]。這裡，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區，UE首先測量NRS的接收功率和質量。然後將這些值與SIB-NB提供的小區特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高於這些閾值，則UE認為自己處於該小區的覆蓋範圍內。如果UE處於一個小區的覆蓋範圍內，則駐留在其上。

取決於所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區重選。UE將該功率與重選閾值進行比較，該重選閾值對於頻率內和頻率間情況可以是不同的。從實際服務小區接收所有必需參數，不需要從其他小區讀取SIB-NB。

在滿足S標準的所有小區中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區進行排名。在該過程中添加滯後以防止過於頻繁的小區重選，並且還可以針對頻率內情況應用小區特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區，即，它可以從其接收正常服務。

當UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嚐試找到合適小區的頻率。僅當UE在該頻率上沒有找到合適的小區時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區。

4.4 隨機訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數[13]：

對於NB-IoT，RACH過程始終基於競爭，並從第3.3.4節“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之後，發送調度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最後將相關的爭用解決消息發送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發送前導碼時，UE首先根據傳輸時間計算其RA-RNTI。然後在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內的該消息，其在最後的前導碼SF之後開始3個SF並且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

如果前導碼傳輸不成功，即沒有接收到相關聯的隨機接入響應（RAR）消息，則UE發送另一個消息。這可以達到最大數量，這又取決於CE級別。對於未成功達到該最大數量的情況，如果配置了該級別，則UE前進到下一個CE級別。如果達到訪問嘗試的總次數，則向RRC報告相關的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經是時間對齊的，這對於通過NPUSCH進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用於msg3傳輸的所有相關數據。

其餘過程如同在LTE中那樣完成，即UE發送標識，並且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機接入過程被成功完成。

4.5 連接控制

由於系統不支持切換到不同的技術，RRC的狀態模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉換到相關的UTRA和GSM狀態，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE被視為不同的RAT。

4.5.1 RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網絡以及用於什麼目的。此建立原因僅限於移動始發信令，移動始發數據，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因為在NB-IoT中，假設所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調業務和多載波支持的能力。儘管這些功能通常在自己的過程中發出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發出信號，以便eNB可以將其應用於此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達2個數據無線電承載（DRB）和協議的配置。最後，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，並且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優化建立連接之後，以與具有僅限於NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對於控制平面CIoT EPS優化，不應用這些過程。

當eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉換到RRC_IDLE狀態並存儲當前AS上下文。它可以稍後恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態。自動設置無線承載，並使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內容。顯然，這為不頻繁的小數據分組的傳輸節省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當UE被配置用於用戶平面CIoT EPS優化並且配置有至少一個DRB時，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，並且不再可能為稍後的連接恢復該AS上下文。

當eNB在MIB-NB中指示接入受制於接入類別限制並且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發起的信令或數據時進行接入禁止檢查。或恢復RRC連接。商業上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關聯的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯的位，則禁止訪問該單元。然後，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實際禁止狀態。請注意，對於某些特殊數據，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決於SIB14-NB設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閒資源，eNB會回覆RRCConnectionReject。然後，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由於太多UE同時啟動網絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用於恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用於後續恢復請求。

4.5.2 RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發起，如圖4-7所示。

對於用戶平面CIoT EPS優化，eNB可以在此指示與rrcSuspend標誌的連接的暫停。 在這種情況下，UE存儲AS上下文並且可以如上所述請求RRC連接恢復，否則AS上下文被刪除並且UE可以僅使用完整的RRC連接建立來獲得另一個RRC連接。

在該過程完成之後，UE進入RRC_IDLE狀態。

4.6 UE能力轉移

當UE連接到網絡時，eNB既不知道UE建立在哪個版本上，也不知道其中支持的可選特徵中的哪個。 為了獲得此信息，定義了UE Capability Transfer procudure，如圖4-8所示：

"

本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband Internet of Things Whitepaper。本文僅限於個人學習，研究，交流，不得用於其他商業用途！

摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯網（NBIoT）。 NB-IoT針對機器類型流量進行了優化。 它保持儘可能簡單，以降低設備成本並最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用於在困難的無線電條件下工作，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區域。 儘管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前LTE規範的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術，重點是與LTE的緊密連接。

目 錄

1 簡介

2 物理層

3 小區訪問

4 數據傳輸

5 摘要和展望

6 參考文獻

1 簡介

機器類型通信（MTC）的一個特徵是廣泛的功能。 例如，監控攝像機必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數據，而用於車隊跟蹤的設備在執行大量切換時具有少量數據。

另一類設備既沒有這些功能。 例如，用於抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優化的切換。 通常只傳輸少量數據，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統設備相比，這些MTC設備的數量可能變得非常大，甚至達到幾個數量級。 使用現有的LTE技術會導致網絡過載，因為儘管用戶數據量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規範集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經過培訓的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設備的壽命。 因此，優化的功耗對於正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內覆蓋範圍，認為必要時高達23 dB。

由於需要大量的設備，因此必須處於低成本範圍內。 作為目標，每個模塊的價格範圍應小於5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項目。 除了上述功能之外，主要要求是與現有GSM，UMTS和LTE系統以及用於這些技術的硬件共存。

已經從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中後者基於GSM標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續在第12版中進行的優化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向後兼容。通過指定從現有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現共存。

白皮書的結構如下：我們首先概述更具體的要求和網絡架構，並提供物理層的詳細信息。在描述了對單元的訪問之後，我們展示瞭如何通過空中接口傳輸數據包。最後，給出了該技術進一步發展的展望。

2 概 述

2.1 要求

根據前一章提到的一般MTC要求，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：

●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口

●對整個系統（包括核心網絡）的適當安全性

●延長電池壽命

●支持IP和非IP數據的傳送[2,3]

●支持SMS作為部署選項[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處於連接狀態的UE缺少切換。 僅支持空閒狀態下的小區重選，甚至限制在NB-IoT技術內。 由於沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用於設備內共存的干擾避免，以及用於監控信道質量的測量。

大多數LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-IoT不用於延遲敏感數據包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務，例如實時IMS。 根據這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應用創建一個空中接口，用於小型非延遲敏感數據包的空中接口被分開並單獨優化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2 網絡

2.2.1 核心網

為了嚮應用程序發送數據，定義了演進分組系統（EPS）中的蜂窩物聯網（CIoT）的兩種優化，用戶平面CIoT EPS優化和控制平面CIoT EPS優化，見圖2-1。 可以使用兩種優化，但不限於NB-IoT設備。

在控制平面CIoT EPS優化上，UL數據從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那裡，它們可以通過服務網關（SGW）傳輸到分組數據網絡網關（PGW），或者傳輸到服務能力暴露功能（SCEF），然而這隻能用於非IP數據分組。從這些節點開始，它們最終被轉發到應用服務器（CIoT服務）。DL數據在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數據無線電承載，而是在信令無線電承載上發送數據分組。因此，該解決方案最適合於不頻繁和小數據分組的傳輸。

SCEF是專為機器類型數據設計的新節點。它用於通過控制平面傳送非IP數據，併為網絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，發現和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優化，數據以與傳統數據業務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸到應用服務器。因此，它在構建連接時產生一些開銷，但是它有助於發送一系列數據包。此路徑支持IP和非IP數據傳輸。

2.2.2 接入網

在整體接入網架構上，LTE沒有區別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區別在於攜帶NB-IoT消息和數據分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進入空閒狀態後能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個eNB的情況。

2.3 頻段

對於頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數頻率都在現有LTE頻段的較低範圍內。 這反映出對於機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3 物理層

3.1 操作模式

NB-IoT技術佔用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應於LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：

●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側仍然保留10 kHz的保護間隔

●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內未使用的資源塊

●利用LTE載波內的資源塊的帶內操作

這些模式在下圖中可視化：

對於獨立操作，圖中右側的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，並非所有頻率（即，LTE載波內的資源塊）都被允許用於小區連接。 它們僅限於以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內操作。 當為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統使用的資源之間的衝突，例如小區特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內部資源塊反映在表3-1中，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對於保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應於正常覆蓋，CE級別2對應於最壞情況，其中覆蓋範圍可能會被認為是非常貧窮。它取決於網絡，定義了多少個CE級別。對於每個CE級，在小區中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重複多次。

對於版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，並且UE接收或發送，但不是同時接收或發送。另外，在從UL到DL的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（SF），其中UE有時間切換其發送器和接收器鏈。

3.2 下行鏈路

對於DL，三個物理信道

●NPBCH，窄帶物理廣播信道

●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道

●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號

●NRS，窄帶參考信號

●NPSS和NSSS，

定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩餘的信令信息和數據通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數據傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調製的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進行操作。 對於後一種情況，應用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區具有指定的物理小區ID（PCI），即窄帶物理小區ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節“同步信號”。

3.2.1 框架和槽結構

在DL中，使用具有正常循環前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式佔用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網格[9]：

對於一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網格，這對於帶內操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，並在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據調製方案的值的複數值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結為子幀和無線電幀：

有1024個循環重複的無線電幀，每個持續10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統幀週期的數量進行計數，即，每當系統幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數器，因此超幀週期跨越1024個系統幀週期，對應於幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2 窄帶參考信號

窄帶參考信號（NRS）在所有可用於廣播或專用DL傳輸的SF中傳輸，無論數據是否實際傳輸，請參見第3.2.5節“專用信道”瞭解更多詳細信息。

根據傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創建類似於LTE中的CRS，其中NCellID用於PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率範圍內由NCellID mod 6循環移位。 當在兩個AP上發送NRS時，則在AP0上用於NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設置為零，反之亦然。

對於帶內操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發送，用於不用於MBSFN的SF。利用NRS的結構，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內操作的一個重點是NcellID。它可以與用於嵌入LTE小區的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數指示，請參見第3.2.4節“窄帶物理廣播信道”，它區分帶內操作與同一PCI的真或假。如果該參數設置為真，則NCellID和PCI相同，並且UE可以假設天線端口的數量與LTE小區中的相同。然後可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關聯，並且CRS端口1與NRS端口1相關聯。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不採取任何這些假設。

3.2.3 同步信號

對於幀和子幀中的第一同步並且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結構如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因為當NB-IoT以帶內模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護時間適用於所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規定，哪個天線端口用於同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用於NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關於小區的信息。它在每個無線電幀的SF5中發送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進制加擾並根據無線電幀號循環移位。NCellID是一個額外的輸入參數，因此可以從序列中導出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數無線電幀的最後SF中發送。

對於帶內操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節中描述的NPBCH只能在PRB上進行，如表3-1所示。選擇用於接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結構，UE不能將NB同步信號與LTE系統發送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，並且具有任一技術的UE被自動路由到正確的頻率範圍。

3.2.4 窄帶物理廣播信道

NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，並且在640ms的時間段內發送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：

●4位表示系統幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩餘的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出

●2比特，表示超幀號的兩個LSB

●4位用於SIB1-NB調度和大小

●5位表示系統信息值標籤

●1位，表示是否應用了訪問類限制

●7位表示具有模式特定值的操作模式

●11個備用位，用於將來擴展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之後，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發送，並分別在接下來的7個連續無線電幀的SF0中重複。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執行相同的過程。 繼續該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用於所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸衝突。

NPBCH的SF結構如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 頻率範圍內的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 儘管NCellID在帶內操作中可能與PCI不同，但是其範圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率範圍內的CRS的循環移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能衝突。

3.2.5 專用頻道

控制和共享信道的原理也適用於NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 並非所有SF都可以用於傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以週期性方式應用。 對於SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1 控制信道NPDCCH

NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數據，在哪裡找到它們以及它們重複的頻率。 此外，在其中提供UL授權，示出UE將用於UL中的數據傳輸的資源。 最後，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設計如下圖所示：

用於NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，並且還圍繞CRS（紫色）進行帶內操作。 參數lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區域大小）指示OFDM起始符號。 這種方式可以避免帶內操作與LTE控制信道的衝突。 對於保護頻帶和獨立操作模式，控制區域大小默認為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：

●NPDCCH格式0採用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內傳輸。

●NPDCCH格式1同時採用NCCE。

為了使UE以合理的解碼複雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用於分頁

●Type-2公共搜索空間，用於隨機訪問

●UE特定的搜索空間

每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重複若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI），一個用於隨機接入（RA-RNTI），一個用於尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，並且如果找到，則對NPDCCH進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對於利用RA-RNTI對CRC進行加擾的情況，內容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調度延遲，即NPDCCH結束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對於經由DCI格式N2的DL傳輸，調度延遲固定為10SF。

3.2.5.2 業務信道NPDSCH

NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結構。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，並圍繞NRS映射，並且對於帶內操作，映射為LTE CRS。lNstart由用於帶內操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大小（TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重複傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續SF。

對於DL，沒有對傳輸的自動確認，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發送確認，參見章節3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節“多載波配置”，這意味著當UE處於連接狀態時可以使用另一個載波。在空閒狀態中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關UL載波中發送前導碼，在那裡等待尋呼或開始對移動始發數據或信令的接入。

SIB1-NB傳輸

SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的週期，重複4,8或16次。傳輸塊大小和重複次數在MIB-NB中指示。可以進行4,8或16次重複，並且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重複次數和NCellID確定。SF4用於傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由於其他傳輸參數也是固定的，因此控制信道中沒有相關的指示。

SIB1-NB內容可以僅在每個修改週期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應於4個SFN週期，這就是為什麼在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

儘管通過NPDSCH發送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因為UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3 上行鏈路

對於上行鏈路（UL），兩個物理信道

●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道

●NPRACH，窄帶物理隨機接入信道和

●定義DMRS，解調參考信號。

物理信道與相關傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數據都通過NPUSCH發送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發送。 因此，沒有相當於LTE中的PUCCH。

3.3.1 時隙結構

在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用15kHz子載波間隔時，UL的資源網格與DL的資源網格相同，請參見圖3-3。 對於3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網格具有修改的結構：

同樣在一個時隙內有7個OFDM符號。 根據OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續時間是15kHz的持續時間的四倍，這導致時隙長度為2ms。

3.3.2 物理上行鏈路共享信道

在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用於UL-SCH上的UL傳輸信道數據，傳輸塊不大於1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限於DL傳輸的確認。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決於PUSCH格式和子載波間隔。

對於NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率範圍中的1個子載波和時間範圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對於NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對於3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續時間並且對於15kHz子載波間隔2ms。

對於NPUSCH格式2，調製方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調製取決於所選的RU：

●對於具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK

●對於所有其他RU，應用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用於UL-SCH傳輸的許可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重複次數，用於一個傳輸塊的RU的數量，以及包括它們在頻率範圍中的位置的子載波的數量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調製方案，另外，與RU的數量一起，提供傳輸塊大小。

最後，通過應用逆傅里葉變換並且在循環前綴（CP）之前預先創建時間信號。 對於15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對於3.75kHz，它是256個樣本，對應於8.3μs。 對於後一種情況，每個時隙結束時的2304個採樣（75μs）的週期保持為空，這用作保護間隔。 對於帶內操作，該保護間隔可以用於在LTE系統中發送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應該確認傳輸的情況下，在相關DL中總是存在確認。

3.3.3 參考信號

在UL中，定義瞭解調參考信號（DMRS）。 它與數據複用，因此它僅在包含數據傳輸的RU中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。

根據NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發送。 對於NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標記的符號。

從該圖中可以看出，用於DMRS傳輸的SC-FDM符號取決於子載波間隔。 對於圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構成。 它們具有與相關數據相同的調製。 對於NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進行擴展。

3.3.4 隨機接入信道

在隨機接入信道NPRACH中，發送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機接入過程可用於向小區發信號通知UE駐留在其上並希望獲得接入。

前導碼基於單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環前綴（CP），後跟5個符號。 以下結構顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續時間為TSEQ = 1.333 ms，對於格式0，CP為TCP =67μs，對於格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導碼格式在系統信息中廣播。

前導碼由無間隙發送的4個符號組組成。跳頻應用於符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發送。通過構造，該跳躍被限制為連續的12個子載波集。取決於覆蓋水平，小區可以指示UE將在每次重複時使用相同的傳輸功率重複前導碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，並且週期性地發生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH週期。它們在一段時間內的開始時間在系統信息中提供。重複次數和前導碼格式決定了它們的結束。

在頻率範圍內，應用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源佔用12,24,36或48個子載波的連續集合，並且位於一組離散的子載波範圍上。取決於小區配置，資源可以進一步劃分為由支持msg3的多音傳輸的UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重複至少4次的前導碼的示例。這裡，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重複由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸的情況提供，則UE選擇用於傳輸第一前導碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決於第一個符號的位置。對於下一次重複的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重複次數用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決於該結果。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決於子載波位置。對載波頻率的調製和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4 功率控制

3.4.1 上行鏈路

在UL中，發射功率取決於小區特定參數，所選RU和UE測量參數的組合[11]。 對於最多重複2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重複次數超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區特定最大發射功率。利用上述結構，發射功率可能永遠不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決於所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數的組合，這取決於傳輸塊是用於UL-SCH數據（j = 1）還是用於RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權，對於NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

3.4.2 下行鏈路

DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對於攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恆定的。

對於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發射功率取決於傳輸方案。如果僅應用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內操作模式並且samePCI值設置為true，則會出現特殊情況。然後，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進行信道估計。

4 小區訪問

當UE接入小區時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當的頻率上搜索小區，讀取相關的SIB信息，並開始隨機接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網絡註冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態之後，如果它具有要發送的移動始發數據，則它可以再次使用隨機接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1 協議棧和信令承載

協議層的一般原則是從LTE協議開始，將它們降低到最小，並根據NB-IoT的需要增強它們。這樣，重複使用經過驗證的結構和過程，同時防止來自未使用的LTE特徵的開銷。因此，從協議棧的角度來看，NB-IoT技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

其一個例子是承載結構。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用於通過CCCH邏輯信道發送的RRC消息的SRB0，以及用於使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然後不再使用SRB1bis。這也意味著對於控制平面CIoT EPS優化，根本不使用SRB1bis，因為在此模式下沒有安全激活。

協議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優化的功能：

4.2 系統信息

與LTE類似，系統信息用於廣播對小區內的所有UE有效的信息。 由於廣播系統信息佔用資源並導致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現的大小。

因此，定義了一組系統信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用後綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內操作的情況下，UE也專門使用這些SIB並忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統信息獲取和改變過程僅應用於RRC_IDLE狀態。 期望UE在處於RRC_CONNECTED狀態時讀取SIB信息。 如果發生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態以獲取修改的系統信息。

4.2.1 調度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進行傳輸。剩餘SIB信息的調度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然後在單獨的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，並且對於所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內，SI消息通過2或8個連續有效DL SF發送，具體取決於它們的傳輸塊大小，並且可以重複多次。 調度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示並且不需要SI-RNTI。

4.2.2 變更通知

如“SIB1-NB傳輸”中已經提到的，系統信息可能僅在修改週期的時間邊界處改變並且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點改變。這種例外背後的原因是AB參數可能需要在更短的時間範圍內改變。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用於UE從覆蓋範圍外的位置返回到覆蓋範圍以及從更長的DRX週期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標籤。如果存在SIB更改，則會修改值標記。但是，如果超過24小時超出覆蓋範圍，則UE必須始終讀取系統信息。

4.2.3 總結SIB採集

UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重複次數，並且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最後，藉助於從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標籤或通過尋呼指示SIB改變。

4.3 小區選擇和移動性

NB-IoT設計用於UE和網絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區服務的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區改變，則UE首先進入RRC_IDLE狀態並重新選擇其中的另一個小區。

對於RRC_IDLE狀態，為頻率內和頻率間小區定義小區重選[12]。這裡，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區，UE首先測量NRS的接收功率和質量。然後將這些值與SIB-NB提供的小區特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高於這些閾值，則UE認為自己處於該小區的覆蓋範圍內。如果UE處於一個小區的覆蓋範圍內，則駐留在其上。

取決於所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區重選。UE將該功率與重選閾值進行比較，該重選閾值對於頻率內和頻率間情況可以是不同的。從實際服務小區接收所有必需參數，不需要從其他小區讀取SIB-NB。

在滿足S標準的所有小區中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區進行排名。在該過程中添加滯後以防止過於頻繁的小區重選，並且還可以針對頻率內情況應用小區特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區，即，它可以從其接收正常服務。

當UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嚐試找到合適小區的頻率。僅當UE在該頻率上沒有找到合適的小區時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區。

4.4 隨機訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數[13]：

對於NB-IoT，RACH過程始終基於競爭，並從第3.3.4節“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之後，發送調度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最後將相關的爭用解決消息發送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發送前導碼時，UE首先根據傳輸時間計算其RA-RNTI。然後在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內的該消息，其在最後的前導碼SF之後開始3個SF並且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

如果前導碼傳輸不成功，即沒有接收到相關聯的隨機接入響應（RAR）消息，則UE發送另一個消息。這可以達到最大數量，這又取決於CE級別。對於未成功達到該最大數量的情況，如果配置了該級別，則UE前進到下一個CE級別。如果達到訪問嘗試的總次數，則向RRC報告相關的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經是時間對齊的，這對於通過NPUSCH進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用於msg3傳輸的所有相關數據。

其餘過程如同在LTE中那樣完成，即UE發送標識，並且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機接入過程被成功完成。

4.5 連接控制

由於系統不支持切換到不同的技術，RRC的狀態模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉換到相關的UTRA和GSM狀態，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE被視為不同的RAT。

4.5.1 RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網絡以及用於什麼目的。此建立原因僅限於移動始發信令，移動始發數據，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因為在NB-IoT中，假設所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調業務和多載波支持的能力。儘管這些功能通常在自己的過程中發出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發出信號，以便eNB可以將其應用於此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達2個數據無線電承載（DRB）和協議的配置。最後，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，並且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優化建立連接之後，以與具有僅限於NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對於控制平面CIoT EPS優化，不應用這些過程。

當eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉換到RRC_IDLE狀態並存儲當前AS上下文。它可以稍後恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態。自動設置無線承載，並使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內容。顯然，這為不頻繁的小數據分組的傳輸節省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當UE被配置用於用戶平面CIoT EPS優化並且配置有至少一個DRB時，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，並且不再可能為稍後的連接恢復該AS上下文。

當eNB在MIB-NB中指示接入受制於接入類別限制並且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發起的信令或數據時進行接入禁止檢查。或恢復RRC連接。商業上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關聯的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯的位，則禁止訪問該單元。然後，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實際禁止狀態。請注意，對於某些特殊數據，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決於SIB14-NB設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閒資源，eNB會回覆RRCConnectionReject。然後，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由於太多UE同時啟動網絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用於恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用於後續恢復請求。

4.5.2 RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發起，如圖4-7所示。

對於用戶平面CIoT EPS優化，eNB可以在此指示與rrcSuspend標誌的連接的暫停。 在這種情況下，UE存儲AS上下文並且可以如上所述請求RRC連接恢復，否則AS上下文被刪除並且UE可以僅使用完整的RRC連接建立來獲得另一個RRC連接。

在該過程完成之後，UE進入RRC_IDLE狀態。

4.6 UE能力轉移

當UE連接到網絡時，eNB既不知道UE建立在哪個版本上，也不知道其中支持的可選特徵中的哪個。 為了獲得此信息，定義了UE Capability Transfer procudure，如圖4-8所示：

UE能力傳輸總是由eNB發起，因為UE不能知道eNB是否已經來自網絡或來自先前會話的該信息。

這些功能包括UE構建的版本，UE類別，支持的頻段列表以及建立多個承載的能力。 另外，UE可以指示其是否支持UL中的多載波操作和多音調傳輸。 此外，可以包含最大數量的RoHC上下文會話和支持的配置文件。該消息通常比相應的LTE消息小得多，因為省略了NB-IoT中不支持的所有LTE特徵，如進一步的接入技術或載波聚合。

4.7 尋呼

尋呼用於觸發RRC連接並指示用於處於RRC_IDLE模式的UE的系統信息的改變。

尋呼消息通過NPDSCH發送，並且可以包含要被尋呼的UE的列表和信息，無論尋呼是用於連接建立還是系統信息已經改變。在該列表中找到其ID的每個UE將其被尋呼的前向層轉發到其上層，並且可以依次接收用於初始化RRC連接的命令。如果系統信息已經改變，則UE開始讀取SIB1-NB並且可以從那裡獲得信息，必須再次讀取哪些SIB。

處於RRC_IDLE狀態的UE僅監視關於尋呼的一些SF，無線電幀子集內的尋呼時機（PO），尋呼幀（PF）。如果應用覆蓋增強重複，則PO指的是重複內的第一次傳輸。PF和PO由SIB2-NB中提供的DRX週期和USIM卡提供的IMSI確定。DRX是用於節省電池壽命的DL控制信道的不連續接收。支持128,256,512和1024個無線電幀的週期，對應於1.28s和10.24s之間的時間間隔。

由於確定PF和PO的算法也取決於IMSI，不同的UE具有不同的尋呼時機，其在時間上均勻分佈。UE足以監視DRX週期內的一個尋呼時機，如果其中存在多個尋呼時機，則在它們中的每一箇中重複尋呼。

擴展DRX（eDRX）的概念也可以應用於NB-IoT。這是使用第3.2.1章“幀和時隙結構”中概述的超幀來完成的。如果支持eDRX，則UE不監視尋呼消息的時間間隔可能會大大延長，向上差不多3小時。相應地，UE必須知道在哪個HFN以及該HFN內的哪個時間間隔，尋呼時間窗口（PTW），它必須監視尋呼。PTW由啟動和停止SFN定義。在PTW內，PF和PO的確定以與未擴展DRX相同的方式完成。

5 數據傳輸

如第2.2.1章“核心網絡”中所述，數據傳輸有兩種方式，即控制平面CIoT EPS優化和用戶平面CIoT EPS優化。 MME表示支持每個優化。 對於移動始發數據，UE可以在支持的選項中進行選擇。 對於移動終止數據，MME選擇優化並且可以考慮UE優先級，其在附連過程中用信號通知網絡。

5.1 控制平面CIoT EPS優化

對於控制平面CIoT EPS優化，UE和eNB之間的數據交換在RRC級別完成。 在DL中，數據分組可以捎帶在RRCConnectionSetup消息中或RRCConnectionSetupComplete消息中的UL中。 如果這還不夠，可以使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer這兩個消息繼續數據傳輸：

"

本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband Internet of Things Whitepaper。本文僅限於個人學習，研究，交流，不得用於其他商業用途！

摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯網（NBIoT）。 NB-IoT針對機器類型流量進行了優化。 它保持儘可能簡單，以降低設備成本並最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用於在困難的無線電條件下工作，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區域。 儘管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前LTE規範的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術，重點是與LTE的緊密連接。

目 錄

1 簡介

2 物理層

3 小區訪問

4 數據傳輸

5 摘要和展望

6 參考文獻

1 簡介

機器類型通信（MTC）的一個特徵是廣泛的功能。 例如，監控攝像機必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數據，而用於車隊跟蹤的設備在執行大量切換時具有少量數據。

另一類設備既沒有這些功能。 例如，用於抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優化的切換。 通常只傳輸少量數據，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統設備相比，這些MTC設備的數量可能變得非常大，甚至達到幾個數量級。 使用現有的LTE技術會導致網絡過載，因為儘管用戶數據量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規範集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經過培訓的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設備的壽命。 因此，優化的功耗對於正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內覆蓋範圍，認為必要時高達23 dB。

由於需要大量的設備，因此必須處於低成本範圍內。 作為目標，每個模塊的價格範圍應小於5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項目。 除了上述功能之外，主要要求是與現有GSM，UMTS和LTE系統以及用於這些技術的硬件共存。

已經從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中後者基於GSM標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續在第12版中進行的優化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向後兼容。通過指定從現有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現共存。

白皮書的結構如下：我們首先概述更具體的要求和網絡架構，並提供物理層的詳細信息。在描述了對單元的訪問之後，我們展示瞭如何通過空中接口傳輸數據包。最後，給出了該技術進一步發展的展望。

2 概 述

2.1 要求

根據前一章提到的一般MTC要求，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：

●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口

●對整個系統（包括核心網絡）的適當安全性

●延長電池壽命

●支持IP和非IP數據的傳送[2,3]

●支持SMS作為部署選項[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處於連接狀態的UE缺少切換。 僅支持空閒狀態下的小區重選，甚至限制在NB-IoT技術內。 由於沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用於設備內共存的干擾避免，以及用於監控信道質量的測量。

大多數LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-IoT不用於延遲敏感數據包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務，例如實時IMS。 根據這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應用創建一個空中接口，用於小型非延遲敏感數據包的空中接口被分開並單獨優化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2 網絡

2.2.1 核心網

為了嚮應用程序發送數據，定義了演進分組系統（EPS）中的蜂窩物聯網（CIoT）的兩種優化，用戶平面CIoT EPS優化和控制平面CIoT EPS優化，見圖2-1。 可以使用兩種優化，但不限於NB-IoT設備。

在控制平面CIoT EPS優化上，UL數據從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那裡，它們可以通過服務網關（SGW）傳輸到分組數據網絡網關（PGW），或者傳輸到服務能力暴露功能（SCEF），然而這隻能用於非IP數據分組。從這些節點開始，它們最終被轉發到應用服務器（CIoT服務）。DL數據在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數據無線電承載，而是在信令無線電承載上發送數據分組。因此，該解決方案最適合於不頻繁和小數據分組的傳輸。

SCEF是專為機器類型數據設計的新節點。它用於通過控制平面傳送非IP數據，併為網絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，發現和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優化，數據以與傳統數據業務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸到應用服務器。因此，它在構建連接時產生一些開銷，但是它有助於發送一系列數據包。此路徑支持IP和非IP數據傳輸。

2.2.2 接入網

在整體接入網架構上，LTE沒有區別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區別在於攜帶NB-IoT消息和數據分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進入空閒狀態後能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個eNB的情況。

2.3 頻段

對於頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數頻率都在現有LTE頻段的較低範圍內。 這反映出對於機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3 物理層

3.1 操作模式

NB-IoT技術佔用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應於LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：

●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側仍然保留10 kHz的保護間隔

●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內未使用的資源塊

●利用LTE載波內的資源塊的帶內操作

這些模式在下圖中可視化：

對於獨立操作，圖中右側的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，並非所有頻率（即，LTE載波內的資源塊）都被允許用於小區連接。 它們僅限於以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內操作。 當為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統使用的資源之間的衝突，例如小區特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內部資源塊反映在表3-1中，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對於保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應於正常覆蓋，CE級別2對應於最壞情況，其中覆蓋範圍可能會被認為是非常貧窮。它取決於網絡，定義了多少個CE級別。對於每個CE級，在小區中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重複多次。

對於版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，並且UE接收或發送，但不是同時接收或發送。另外，在從UL到DL的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（SF），其中UE有時間切換其發送器和接收器鏈。

3.2 下行鏈路

對於DL，三個物理信道

●NPBCH，窄帶物理廣播信道

●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道

●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號

●NRS，窄帶參考信號

●NPSS和NSSS，

定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩餘的信令信息和數據通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數據傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調製的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進行操作。 對於後一種情況，應用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區具有指定的物理小區ID（PCI），即窄帶物理小區ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節“同步信號”。

3.2.1 框架和槽結構

在DL中，使用具有正常循環前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式佔用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網格[9]：

對於一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網格，這對於帶內操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，並在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據調製方案的值的複數值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結為子幀和無線電幀：

有1024個循環重複的無線電幀，每個持續10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統幀週期的數量進行計數，即，每當系統幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數器，因此超幀週期跨越1024個系統幀週期，對應於幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2 窄帶參考信號

窄帶參考信號（NRS）在所有可用於廣播或專用DL傳輸的SF中傳輸，無論數據是否實際傳輸，請參見第3.2.5節“專用信道”瞭解更多詳細信息。

根據傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創建類似於LTE中的CRS，其中NCellID用於PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率範圍內由NCellID mod 6循環移位。 當在兩個AP上發送NRS時，則在AP0上用於NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設置為零，反之亦然。

對於帶內操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發送，用於不用於MBSFN的SF。利用NRS的結構，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內操作的一個重點是NcellID。它可以與用於嵌入LTE小區的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數指示，請參見第3.2.4節“窄帶物理廣播信道”，它區分帶內操作與同一PCI的真或假。如果該參數設置為真，則NCellID和PCI相同，並且UE可以假設天線端口的數量與LTE小區中的相同。然後可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關聯，並且CRS端口1與NRS端口1相關聯。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不採取任何這些假設。

3.2.3 同步信號

對於幀和子幀中的第一同步並且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結構如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因為當NB-IoT以帶內模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護時間適用於所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規定，哪個天線端口用於同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用於NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關於小區的信息。它在每個無線電幀的SF5中發送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進制加擾並根據無線電幀號循環移位。NCellID是一個額外的輸入參數，因此可以從序列中導出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數無線電幀的最後SF中發送。

對於帶內操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節中描述的NPBCH只能在PRB上進行，如表3-1所示。選擇用於接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結構，UE不能將NB同步信號與LTE系統發送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，並且具有任一技術的UE被自動路由到正確的頻率範圍。

3.2.4 窄帶物理廣播信道

NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，並且在640ms的時間段內發送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：

●4位表示系統幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩餘的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出

●2比特，表示超幀號的兩個LSB

●4位用於SIB1-NB調度和大小

●5位表示系統信息值標籤

●1位，表示是否應用了訪問類限制

●7位表示具有模式特定值的操作模式

●11個備用位，用於將來擴展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之後，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發送，並分別在接下來的7個連續無線電幀的SF0中重複。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執行相同的過程。 繼續該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用於所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸衝突。

NPBCH的SF結構如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 頻率範圍內的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 儘管NCellID在帶內操作中可能與PCI不同，但是其範圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率範圍內的CRS的循環移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能衝突。

3.2.5 專用頻道

控制和共享信道的原理也適用於NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 並非所有SF都可以用於傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以週期性方式應用。 對於SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1 控制信道NPDCCH

NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數據，在哪裡找到它們以及它們重複的頻率。 此外，在其中提供UL授權，示出UE將用於UL中的數據傳輸的資源。 最後，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設計如下圖所示：

用於NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，並且還圍繞CRS（紫色）進行帶內操作。 參數lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區域大小）指示OFDM起始符號。 這種方式可以避免帶內操作與LTE控制信道的衝突。 對於保護頻帶和獨立操作模式，控制區域大小默認為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：

●NPDCCH格式0採用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內傳輸。

●NPDCCH格式1同時採用NCCE。

為了使UE以合理的解碼複雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用於分頁

●Type-2公共搜索空間，用於隨機訪問

●UE特定的搜索空間

每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重複若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI），一個用於隨機接入（RA-RNTI），一個用於尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，並且如果找到，則對NPDCCH進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對於利用RA-RNTI對CRC進行加擾的情況，內容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調度延遲，即NPDCCH結束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對於經由DCI格式N2的DL傳輸，調度延遲固定為10SF。

3.2.5.2 業務信道NPDSCH

NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結構。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，並圍繞NRS映射，並且對於帶內操作，映射為LTE CRS。lNstart由用於帶內操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大小（TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重複傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續SF。

對於DL，沒有對傳輸的自動確認，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發送確認，參見章節3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節“多載波配置”，這意味著當UE處於連接狀態時可以使用另一個載波。在空閒狀態中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關UL載波中發送前導碼，在那裡等待尋呼或開始對移動始發數據或信令的接入。

SIB1-NB傳輸

SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的週期，重複4,8或16次。傳輸塊大小和重複次數在MIB-NB中指示。可以進行4,8或16次重複，並且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重複次數和NCellID確定。SF4用於傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由於其他傳輸參數也是固定的，因此控制信道中沒有相關的指示。

SIB1-NB內容可以僅在每個修改週期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應於4個SFN週期，這就是為什麼在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

儘管通過NPDSCH發送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因為UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3 上行鏈路

對於上行鏈路（UL），兩個物理信道

●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道

●NPRACH，窄帶物理隨機接入信道和

●定義DMRS，解調參考信號。

物理信道與相關傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數據都通過NPUSCH發送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發送。 因此，沒有相當於LTE中的PUCCH。

3.3.1 時隙結構

在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用15kHz子載波間隔時，UL的資源網格與DL的資源網格相同，請參見圖3-3。 對於3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網格具有修改的結構：

同樣在一個時隙內有7個OFDM符號。 根據OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續時間是15kHz的持續時間的四倍，這導致時隙長度為2ms。

3.3.2 物理上行鏈路共享信道

在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用於UL-SCH上的UL傳輸信道數據，傳輸塊不大於1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限於DL傳輸的確認。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決於PUSCH格式和子載波間隔。

對於NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率範圍中的1個子載波和時間範圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對於NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對於3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續時間並且對於15kHz子載波間隔2ms。

對於NPUSCH格式2，調製方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調製取決於所選的RU：

●對於具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK

●對於所有其他RU，應用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用於UL-SCH傳輸的許可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重複次數，用於一個傳輸塊的RU的數量，以及包括它們在頻率範圍中的位置的子載波的數量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調製方案，另外，與RU的數量一起，提供傳輸塊大小。

最後，通過應用逆傅里葉變換並且在循環前綴（CP）之前預先創建時間信號。 對於15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對於3.75kHz，它是256個樣本，對應於8.3μs。 對於後一種情況，每個時隙結束時的2304個採樣（75μs）的週期保持為空，這用作保護間隔。 對於帶內操作，該保護間隔可以用於在LTE系統中發送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應該確認傳輸的情況下，在相關DL中總是存在確認。

3.3.3 參考信號

在UL中，定義瞭解調參考信號（DMRS）。 它與數據複用，因此它僅在包含數據傳輸的RU中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。

根據NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發送。 對於NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標記的符號。

從該圖中可以看出，用於DMRS傳輸的SC-FDM符號取決於子載波間隔。 對於圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構成。 它們具有與相關數據相同的調製。 對於NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進行擴展。

3.3.4 隨機接入信道

在隨機接入信道NPRACH中，發送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機接入過程可用於向小區發信號通知UE駐留在其上並希望獲得接入。

前導碼基於單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環前綴（CP），後跟5個符號。 以下結構顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續時間為TSEQ = 1.333 ms，對於格式0，CP為TCP =67μs，對於格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導碼格式在系統信息中廣播。

前導碼由無間隙發送的4個符號組組成。跳頻應用於符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發送。通過構造，該跳躍被限制為連續的12個子載波集。取決於覆蓋水平，小區可以指示UE將在每次重複時使用相同的傳輸功率重複前導碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，並且週期性地發生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH週期。它們在一段時間內的開始時間在系統信息中提供。重複次數和前導碼格式決定了它們的結束。

在頻率範圍內，應用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源佔用12,24,36或48個子載波的連續集合，並且位於一組離散的子載波範圍上。取決於小區配置，資源可以進一步劃分為由支持msg3的多音傳輸的UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重複至少4次的前導碼的示例。這裡，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重複由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸的情況提供，則UE選擇用於傳輸第一前導碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決於第一個符號的位置。對於下一次重複的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重複次數用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決於該結果。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決於子載波位置。對載波頻率的調製和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4 功率控制

3.4.1 上行鏈路

在UL中，發射功率取決於小區特定參數，所選RU和UE測量參數的組合[11]。 對於最多重複2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重複次數超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區特定最大發射功率。利用上述結構，發射功率可能永遠不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決於所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數的組合，這取決於傳輸塊是用於UL-SCH數據（j = 1）還是用於RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權，對於NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

3.4.2 下行鏈路

DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對於攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恆定的。

對於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發射功率取決於傳輸方案。如果僅應用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內操作模式並且samePCI值設置為true，則會出現特殊情況。然後，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進行信道估計。

4 小區訪問

當UE接入小區時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當的頻率上搜索小區，讀取相關的SIB信息，並開始隨機接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網絡註冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態之後，如果它具有要發送的移動始發數據，則它可以再次使用隨機接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1 協議棧和信令承載

協議層的一般原則是從LTE協議開始，將它們降低到最小，並根據NB-IoT的需要增強它們。這樣，重複使用經過驗證的結構和過程，同時防止來自未使用的LTE特徵的開銷。因此，從協議棧的角度來看，NB-IoT技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

其一個例子是承載結構。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用於通過CCCH邏輯信道發送的RRC消息的SRB0，以及用於使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然後不再使用SRB1bis。這也意味著對於控制平面CIoT EPS優化，根本不使用SRB1bis，因為在此模式下沒有安全激活。

協議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優化的功能：

4.2 系統信息

與LTE類似，系統信息用於廣播對小區內的所有UE有效的信息。 由於廣播系統信息佔用資源並導致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現的大小。

因此，定義了一組系統信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用後綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內操作的情況下，UE也專門使用這些SIB並忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統信息獲取和改變過程僅應用於RRC_IDLE狀態。 期望UE在處於RRC_CONNECTED狀態時讀取SIB信息。 如果發生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態以獲取修改的系統信息。

4.2.1 調度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進行傳輸。剩餘SIB信息的調度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然後在單獨的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，並且對於所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內，SI消息通過2或8個連續有效DL SF發送，具體取決於它們的傳輸塊大小，並且可以重複多次。 調度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示並且不需要SI-RNTI。

4.2.2 變更通知

如“SIB1-NB傳輸”中已經提到的，系統信息可能僅在修改週期的時間邊界處改變並且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點改變。這種例外背後的原因是AB參數可能需要在更短的時間範圍內改變。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用於UE從覆蓋範圍外的位置返回到覆蓋範圍以及從更長的DRX週期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標籤。如果存在SIB更改，則會修改值標記。但是，如果超過24小時超出覆蓋範圍，則UE必須始終讀取系統信息。

4.2.3 總結SIB採集

UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重複次數，並且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最後，藉助於從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標籤或通過尋呼指示SIB改變。

4.3 小區選擇和移動性

NB-IoT設計用於UE和網絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區服務的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區改變，則UE首先進入RRC_IDLE狀態並重新選擇其中的另一個小區。

對於RRC_IDLE狀態，為頻率內和頻率間小區定義小區重選[12]。這裡，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區，UE首先測量NRS的接收功率和質量。然後將這些值與SIB-NB提供的小區特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高於這些閾值，則UE認為自己處於該小區的覆蓋範圍內。如果UE處於一個小區的覆蓋範圍內，則駐留在其上。

取決於所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區重選。UE將該功率與重選閾值進行比較，該重選閾值對於頻率內和頻率間情況可以是不同的。從實際服務小區接收所有必需參數，不需要從其他小區讀取SIB-NB。

在滿足S標準的所有小區中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區進行排名。在該過程中添加滯後以防止過於頻繁的小區重選，並且還可以針對頻率內情況應用小區特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區，即，它可以從其接收正常服務。

當UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嚐試找到合適小區的頻率。僅當UE在該頻率上沒有找到合適的小區時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區。

4.4 隨機訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數[13]：

對於NB-IoT，RACH過程始終基於競爭，並從第3.3.4節“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之後，發送調度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最後將相關的爭用解決消息發送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發送前導碼時，UE首先根據傳輸時間計算其RA-RNTI。然後在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內的該消息，其在最後的前導碼SF之後開始3個SF並且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

如果前導碼傳輸不成功，即沒有接收到相關聯的隨機接入響應（RAR）消息，則UE發送另一個消息。這可以達到最大數量，這又取決於CE級別。對於未成功達到該最大數量的情況，如果配置了該級別，則UE前進到下一個CE級別。如果達到訪問嘗試的總次數，則向RRC報告相關的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經是時間對齊的，這對於通過NPUSCH進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用於msg3傳輸的所有相關數據。

其餘過程如同在LTE中那樣完成，即UE發送標識，並且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機接入過程被成功完成。

4.5 連接控制

由於系統不支持切換到不同的技術，RRC的狀態模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉換到相關的UTRA和GSM狀態，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE被視為不同的RAT。

4.5.1 RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網絡以及用於什麼目的。此建立原因僅限於移動始發信令，移動始發數據，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因為在NB-IoT中，假設所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調業務和多載波支持的能力。儘管這些功能通常在自己的過程中發出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發出信號，以便eNB可以將其應用於此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達2個數據無線電承載（DRB）和協議的配置。最後，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，並且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優化建立連接之後，以與具有僅限於NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對於控制平面CIoT EPS優化，不應用這些過程。

當eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉換到RRC_IDLE狀態並存儲當前AS上下文。它可以稍後恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態。自動設置無線承載，並使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內容。顯然，這為不頻繁的小數據分組的傳輸節省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當UE被配置用於用戶平面CIoT EPS優化並且配置有至少一個DRB時，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，並且不再可能為稍後的連接恢復該AS上下文。

當eNB在MIB-NB中指示接入受制於接入類別限制並且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發起的信令或數據時進行接入禁止檢查。或恢復RRC連接。商業上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關聯的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯的位，則禁止訪問該單元。然後，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實際禁止狀態。請注意，對於某些特殊數據，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決於SIB14-NB設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閒資源，eNB會回覆RRCConnectionReject。然後，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由於太多UE同時啟動網絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用於恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用於後續恢復請求。

4.5.2 RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發起，如圖4-7所示。

對於用戶平面CIoT EPS優化，eNB可以在此指示與rrcSuspend標誌的連接的暫停。 在這種情況下，UE存儲AS上下文並且可以如上所述請求RRC連接恢復，否則AS上下文被刪除並且UE可以僅使用完整的RRC連接建立來獲得另一個RRC連接。

在該過程完成之後，UE進入RRC_IDLE狀態。

4.6 UE能力轉移

當UE連接到網絡時，eNB既不知道UE建立在哪個版本上，也不知道其中支持的可選特徵中的哪個。 為了獲得此信息，定義了UE Capability Transfer procudure，如圖4-8所示：

UE能力傳輸總是由eNB發起，因為UE不能知道eNB是否已經來自網絡或來自先前會話的該信息。

這些功能包括UE構建的版本，UE類別，支持的頻段列表以及建立多個承載的能力。 另外，UE可以指示其是否支持UL中的多載波操作和多音調傳輸。 此外，可以包含最大數量的RoHC上下文會話和支持的配置文件。該消息通常比相應的LTE消息小得多，因為省略了NB-IoT中不支持的所有LTE特徵，如進一步的接入技術或載波聚合。

4.7 尋呼

尋呼用於觸發RRC連接並指示用於處於RRC_IDLE模式的UE的系統信息的改變。

尋呼消息通過NPDSCH發送，並且可以包含要被尋呼的UE的列表和信息，無論尋呼是用於連接建立還是系統信息已經改變。在該列表中找到其ID的每個UE將其被尋呼的前向層轉發到其上層，並且可以依次接收用於初始化RRC連接的命令。如果系統信息已經改變，則UE開始讀取SIB1-NB並且可以從那裡獲得信息，必須再次讀取哪些SIB。

處於RRC_IDLE狀態的UE僅監視關於尋呼的一些SF，無線電幀子集內的尋呼時機（PO），尋呼幀（PF）。如果應用覆蓋增強重複，則PO指的是重複內的第一次傳輸。PF和PO由SIB2-NB中提供的DRX週期和USIM卡提供的IMSI確定。DRX是用於節省電池壽命的DL控制信道的不連續接收。支持128,256,512和1024個無線電幀的週期，對應於1.28s和10.24s之間的時間間隔。

由於確定PF和PO的算法也取決於IMSI，不同的UE具有不同的尋呼時機，其在時間上均勻分佈。UE足以監視DRX週期內的一個尋呼時機，如果其中存在多個尋呼時機，則在它們中的每一箇中重複尋呼。

擴展DRX（eDRX）的概念也可以應用於NB-IoT。這是使用第3.2.1章“幀和時隙結構”中概述的超幀來完成的。如果支持eDRX，則UE不監視尋呼消息的時間間隔可能會大大延長，向上差不多3小時。相應地，UE必須知道在哪個HFN以及該HFN內的哪個時間間隔，尋呼時間窗口（PTW），它必須監視尋呼。PTW由啟動和停止SFN定義。在PTW內，PF和PO的確定以與未擴展DRX相同的方式完成。

5 數據傳輸

如第2.2.1章“核心網絡”中所述，數據傳輸有兩種方式，即控制平面CIoT EPS優化和用戶平面CIoT EPS優化。 MME表示支持每個優化。 對於移動始發數據，UE可以在支持的選項中進行選擇。 對於移動終止數據，MME選擇優化並且可以考慮UE優先級，其在附連過程中用信號通知網絡。

5.1 控制平面CIoT EPS優化

對於控制平面CIoT EPS優化，UE和eNB之間的數據交換在RRC級別完成。 在DL中，數據分組可以捎帶在RRCConnectionSetup消息中或RRCConnectionSetupComplete消息中的UL中。 如果這還不夠，可以使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer這兩個消息繼續數據傳輸：

所有這些消息中包含一個包含NAS信息的字節數組，在這種情況下，它對應於NB-IoT數據包。 因此，它對eNB是透明的，並且UE的RRC將所接收的DLInformationTransfer的內容直接轉發到其上層。 在eNB和MME之間，通過S1-MME接口交換dedicatedInfoNAS。

對於此數據傳輸方法，不應用AS級別的安全性。 由於也沒有RRC連接重新配置，它可以分別在RRC連接建立或恢復過程之後或期間立即開始。 當然，必須在RRC連接釋放之後終止RRC連接。

5.2 用戶平面CIoT EPS優化

在用戶平面CIoT中，EPS優化數據通過網絡在傳統用戶平面上傳輸，即eNB將數據轉發到S-GW或從該節點接收數據。 為了保持UE複雜度低，可以同時僅配置一個或兩個DRB。

必須區分兩種情況：當先前的RRC連接被釋放且指示可能的恢復操作時，請參見第4.5.2節“RRC連接釋放”，可以請求連接作為恢復過程，如圖4-5。 如果此恢復過程成功，則使用更新的密鑰建立安全性，並且像在先前的連接中那樣設置無線承載。 如果沒有先前釋放的恢復指示，或者如果eNB不接受恢復請求，則必須建立安全性和無線電承載，如下一節所示。

5.2.1 數據連接的建立和配置

建立RRC連接後，如圖4-4或圖4-6所示，第一步是建立AS級安全性。 這是通過初始安全激活過程完成的：

"

本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband Internet of Things Whitepaper。本文僅限於個人學習，研究，交流，不得用於其他商業用途！

摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯網（NBIoT）。 NB-IoT針對機器類型流量進行了優化。 它保持儘可能簡單，以降低設備成本並最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用於在困難的無線電條件下工作，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區域。 儘管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前LTE規範的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術，重點是與LTE的緊密連接。

目 錄

1 簡介

2 物理層

3 小區訪問

4 數據傳輸

5 摘要和展望

6 參考文獻

1 簡介

機器類型通信（MTC）的一個特徵是廣泛的功能。 例如，監控攝像機必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數據，而用於車隊跟蹤的設備在執行大量切換時具有少量數據。

另一類設備既沒有這些功能。 例如，用於抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優化的切換。 通常只傳輸少量數據，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統設備相比，這些MTC設備的數量可能變得非常大，甚至達到幾個數量級。 使用現有的LTE技術會導致網絡過載，因為儘管用戶數據量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規範集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經過培訓的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設備的壽命。 因此，優化的功耗對於正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內覆蓋範圍，認為必要時高達23 dB。

由於需要大量的設備，因此必須處於低成本範圍內。 作為目標，每個模塊的價格範圍應小於5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項目。 除了上述功能之外，主要要求是與現有GSM，UMTS和LTE系統以及用於這些技術的硬件共存。

已經從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中後者基於GSM標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續在第12版中進行的優化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向後兼容。通過指定從現有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現共存。

白皮書的結構如下：我們首先概述更具體的要求和網絡架構，並提供物理層的詳細信息。在描述了對單元的訪問之後，我們展示瞭如何通過空中接口傳輸數據包。最後，給出了該技術進一步發展的展望。

2 概 述

2.1 要求

根據前一章提到的一般MTC要求，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：

●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口

●對整個系統（包括核心網絡）的適當安全性

●延長電池壽命

●支持IP和非IP數據的傳送[2,3]

●支持SMS作為部署選項[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處於連接狀態的UE缺少切換。 僅支持空閒狀態下的小區重選，甚至限制在NB-IoT技術內。 由於沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用於設備內共存的干擾避免，以及用於監控信道質量的測量。

大多數LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-IoT不用於延遲敏感數據包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務，例如實時IMS。 根據這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應用創建一個空中接口，用於小型非延遲敏感數據包的空中接口被分開並單獨優化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2 網絡

2.2.1 核心網

為了嚮應用程序發送數據，定義了演進分組系統（EPS）中的蜂窩物聯網（CIoT）的兩種優化，用戶平面CIoT EPS優化和控制平面CIoT EPS優化，見圖2-1。 可以使用兩種優化，但不限於NB-IoT設備。

在控制平面CIoT EPS優化上，UL數據從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那裡，它們可以通過服務網關（SGW）傳輸到分組數據網絡網關（PGW），或者傳輸到服務能力暴露功能（SCEF），然而這隻能用於非IP數據分組。從這些節點開始，它們最終被轉發到應用服務器（CIoT服務）。DL數據在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數據無線電承載，而是在信令無線電承載上發送數據分組。因此，該解決方案最適合於不頻繁和小數據分組的傳輸。

SCEF是專為機器類型數據設計的新節點。它用於通過控制平面傳送非IP數據，併為網絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，發現和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優化，數據以與傳統數據業務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸到應用服務器。因此，它在構建連接時產生一些開銷，但是它有助於發送一系列數據包。此路徑支持IP和非IP數據傳輸。

2.2.2 接入網

在整體接入網架構上，LTE沒有區別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區別在於攜帶NB-IoT消息和數據分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進入空閒狀態後能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個eNB的情況。

2.3 頻段

對於頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數頻率都在現有LTE頻段的較低範圍內。 這反映出對於機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3 物理層

3.1 操作模式

NB-IoT技術佔用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應於LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：

●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側仍然保留10 kHz的保護間隔

●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內未使用的資源塊

●利用LTE載波內的資源塊的帶內操作

這些模式在下圖中可視化：

對於獨立操作，圖中右側的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，並非所有頻率（即，LTE載波內的資源塊）都被允許用於小區連接。 它們僅限於以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內操作。 當為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統使用的資源之間的衝突，例如小區特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內部資源塊反映在表3-1中，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對於保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應於正常覆蓋，CE級別2對應於最壞情況，其中覆蓋範圍可能會被認為是非常貧窮。它取決於網絡，定義了多少個CE級別。對於每個CE級，在小區中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重複多次。

對於版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，並且UE接收或發送，但不是同時接收或發送。另外，在從UL到DL的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（SF），其中UE有時間切換其發送器和接收器鏈。

3.2 下行鏈路

對於DL，三個物理信道

●NPBCH，窄帶物理廣播信道

●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道

●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號

●NRS，窄帶參考信號

●NPSS和NSSS，

定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩餘的信令信息和數據通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數據傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調製的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進行操作。 對於後一種情況，應用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區具有指定的物理小區ID（PCI），即窄帶物理小區ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節“同步信號”。

3.2.1 框架和槽結構

在DL中，使用具有正常循環前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式佔用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網格[9]：

對於一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網格，這對於帶內操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，並在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據調製方案的值的複數值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結為子幀和無線電幀：

有1024個循環重複的無線電幀，每個持續10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統幀週期的數量進行計數，即，每當系統幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數器，因此超幀週期跨越1024個系統幀週期，對應於幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2 窄帶參考信號

窄帶參考信號（NRS）在所有可用於廣播或專用DL傳輸的SF中傳輸，無論數據是否實際傳輸，請參見第3.2.5節“專用信道”瞭解更多詳細信息。

根據傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創建類似於LTE中的CRS，其中NCellID用於PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率範圍內由NCellID mod 6循環移位。 當在兩個AP上發送NRS時，則在AP0上用於NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設置為零，反之亦然。

對於帶內操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發送，用於不用於MBSFN的SF。利用NRS的結構，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內操作的一個重點是NcellID。它可以與用於嵌入LTE小區的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數指示，請參見第3.2.4節“窄帶物理廣播信道”，它區分帶內操作與同一PCI的真或假。如果該參數設置為真，則NCellID和PCI相同，並且UE可以假設天線端口的數量與LTE小區中的相同。然後可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關聯，並且CRS端口1與NRS端口1相關聯。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不採取任何這些假設。

3.2.3 同步信號

對於幀和子幀中的第一同步並且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結構如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因為當NB-IoT以帶內模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護時間適用於所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規定，哪個天線端口用於同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用於NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關於小區的信息。它在每個無線電幀的SF5中發送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進制加擾並根據無線電幀號循環移位。NCellID是一個額外的輸入參數，因此可以從序列中導出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數無線電幀的最後SF中發送。

對於帶內操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節中描述的NPBCH只能在PRB上進行，如表3-1所示。選擇用於接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結構，UE不能將NB同步信號與LTE系統發送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，並且具有任一技術的UE被自動路由到正確的頻率範圍。

3.2.4 窄帶物理廣播信道

NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，並且在640ms的時間段內發送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：

●4位表示系統幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩餘的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出

●2比特，表示超幀號的兩個LSB

●4位用於SIB1-NB調度和大小

●5位表示系統信息值標籤

●1位，表示是否應用了訪問類限制

●7位表示具有模式特定值的操作模式

●11個備用位，用於將來擴展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之後，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發送，並分別在接下來的7個連續無線電幀的SF0中重複。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執行相同的過程。 繼續該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用於所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸衝突。

NPBCH的SF結構如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 頻率範圍內的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 儘管NCellID在帶內操作中可能與PCI不同，但是其範圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率範圍內的CRS的循環移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能衝突。

3.2.5 專用頻道

控制和共享信道的原理也適用於NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 並非所有SF都可以用於傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以週期性方式應用。 對於SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1 控制信道NPDCCH

NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數據，在哪裡找到它們以及它們重複的頻率。 此外，在其中提供UL授權，示出UE將用於UL中的數據傳輸的資源。 最後，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設計如下圖所示：

用於NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，並且還圍繞CRS（紫色）進行帶內操作。 參數lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區域大小）指示OFDM起始符號。 這種方式可以避免帶內操作與LTE控制信道的衝突。 對於保護頻帶和獨立操作模式，控制區域大小默認為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：

●NPDCCH格式0採用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內傳輸。

●NPDCCH格式1同時採用NCCE。

為了使UE以合理的解碼複雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用於分頁

●Type-2公共搜索空間，用於隨機訪問

●UE特定的搜索空間

每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重複若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI），一個用於隨機接入（RA-RNTI），一個用於尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，並且如果找到，則對NPDCCH進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對於利用RA-RNTI對CRC進行加擾的情況，內容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調度延遲，即NPDCCH結束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對於經由DCI格式N2的DL傳輸，調度延遲固定為10SF。

3.2.5.2 業務信道NPDSCH

NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結構。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，並圍繞NRS映射，並且對於帶內操作，映射為LTE CRS。lNstart由用於帶內操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大小（TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重複傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續SF。

對於DL，沒有對傳輸的自動確認，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發送確認，參見章節3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節“多載波配置”，這意味著當UE處於連接狀態時可以使用另一個載波。在空閒狀態中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關UL載波中發送前導碼，在那裡等待尋呼或開始對移動始發數據或信令的接入。

SIB1-NB傳輸

SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的週期，重複4,8或16次。傳輸塊大小和重複次數在MIB-NB中指示。可以進行4,8或16次重複，並且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重複次數和NCellID確定。SF4用於傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由於其他傳輸參數也是固定的，因此控制信道中沒有相關的指示。

SIB1-NB內容可以僅在每個修改週期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應於4個SFN週期，這就是為什麼在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

儘管通過NPDSCH發送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因為UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3 上行鏈路

對於上行鏈路（UL），兩個物理信道

●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道

●NPRACH，窄帶物理隨機接入信道和

●定義DMRS，解調參考信號。

物理信道與相關傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數據都通過NPUSCH發送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發送。 因此，沒有相當於LTE中的PUCCH。

3.3.1 時隙結構

在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用15kHz子載波間隔時，UL的資源網格與DL的資源網格相同，請參見圖3-3。 對於3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網格具有修改的結構：

同樣在一個時隙內有7個OFDM符號。 根據OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續時間是15kHz的持續時間的四倍，這導致時隙長度為2ms。

3.3.2 物理上行鏈路共享信道

在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用於UL-SCH上的UL傳輸信道數據，傳輸塊不大於1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限於DL傳輸的確認。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決於PUSCH格式和子載波間隔。

對於NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率範圍中的1個子載波和時間範圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對於NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對於3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續時間並且對於15kHz子載波間隔2ms。

對於NPUSCH格式2，調製方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調製取決於所選的RU：

●對於具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK

●對於所有其他RU，應用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用於UL-SCH傳輸的許可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重複次數，用於一個傳輸塊的RU的數量，以及包括它們在頻率範圍中的位置的子載波的數量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調製方案，另外，與RU的數量一起，提供傳輸塊大小。

最後，通過應用逆傅里葉變換並且在循環前綴（CP）之前預先創建時間信號。 對於15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對於3.75kHz，它是256個樣本，對應於8.3μs。 對於後一種情況，每個時隙結束時的2304個採樣（75μs）的週期保持為空，這用作保護間隔。 對於帶內操作，該保護間隔可以用於在LTE系統中發送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應該確認傳輸的情況下，在相關DL中總是存在確認。

3.3.3 參考信號

在UL中，定義瞭解調參考信號（DMRS）。 它與數據複用，因此它僅在包含數據傳輸的RU中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。

根據NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發送。 對於NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標記的符號。

從該圖中可以看出，用於DMRS傳輸的SC-FDM符號取決於子載波間隔。 對於圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構成。 它們具有與相關數據相同的調製。 對於NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進行擴展。

3.3.4 隨機接入信道

在隨機接入信道NPRACH中，發送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機接入過程可用於向小區發信號通知UE駐留在其上並希望獲得接入。

前導碼基於單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環前綴（CP），後跟5個符號。 以下結構顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續時間為TSEQ = 1.333 ms，對於格式0，CP為TCP =67μs，對於格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導碼格式在系統信息中廣播。

前導碼由無間隙發送的4個符號組組成。跳頻應用於符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發送。通過構造，該跳躍被限制為連續的12個子載波集。取決於覆蓋水平，小區可以指示UE將在每次重複時使用相同的傳輸功率重複前導碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，並且週期性地發生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH週期。它們在一段時間內的開始時間在系統信息中提供。重複次數和前導碼格式決定了它們的結束。

在頻率範圍內，應用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源佔用12,24,36或48個子載波的連續集合，並且位於一組離散的子載波範圍上。取決於小區配置，資源可以進一步劃分為由支持msg3的多音傳輸的UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重複至少4次的前導碼的示例。這裡，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重複由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸的情況提供，則UE選擇用於傳輸第一前導碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決於第一個符號的位置。對於下一次重複的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重複次數用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決於該結果。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決於子載波位置。對載波頻率的調製和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4 功率控制

3.4.1 上行鏈路

在UL中，發射功率取決於小區特定參數，所選RU和UE測量參數的組合[11]。 對於最多重複2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重複次數超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區特定最大發射功率。利用上述結構，發射功率可能永遠不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決於所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數的組合，這取決於傳輸塊是用於UL-SCH數據（j = 1）還是用於RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權，對於NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

3.4.2 下行鏈路

DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對於攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恆定的。

對於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發射功率取決於傳輸方案。如果僅應用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內操作模式並且samePCI值設置為true，則會出現特殊情況。然後，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進行信道估計。

4 小區訪問

當UE接入小區時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當的頻率上搜索小區，讀取相關的SIB信息，並開始隨機接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網絡註冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態之後，如果它具有要發送的移動始發數據，則它可以再次使用隨機接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1 協議棧和信令承載

協議層的一般原則是從LTE協議開始，將它們降低到最小，並根據NB-IoT的需要增強它們。這樣，重複使用經過驗證的結構和過程，同時防止來自未使用的LTE特徵的開銷。因此，從協議棧的角度來看，NB-IoT技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

其一個例子是承載結構。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用於通過CCCH邏輯信道發送的RRC消息的SRB0，以及用於使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然後不再使用SRB1bis。這也意味著對於控制平面CIoT EPS優化，根本不使用SRB1bis，因為在此模式下沒有安全激活。

協議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優化的功能：

4.2 系統信息

與LTE類似，系統信息用於廣播對小區內的所有UE有效的信息。 由於廣播系統信息佔用資源並導致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現的大小。

因此，定義了一組系統信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用後綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內操作的情況下，UE也專門使用這些SIB並忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統信息獲取和改變過程僅應用於RRC_IDLE狀態。 期望UE在處於RRC_CONNECTED狀態時讀取SIB信息。 如果發生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態以獲取修改的系統信息。

4.2.1 調度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進行傳輸。剩餘SIB信息的調度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然後在單獨的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，並且對於所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內，SI消息通過2或8個連續有效DL SF發送，具體取決於它們的傳輸塊大小，並且可以重複多次。 調度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示並且不需要SI-RNTI。

4.2.2 變更通知

如“SIB1-NB傳輸”中已經提到的，系統信息可能僅在修改週期的時間邊界處改變並且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點改變。這種例外背後的原因是AB參數可能需要在更短的時間範圍內改變。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用於UE從覆蓋範圍外的位置返回到覆蓋範圍以及從更長的DRX週期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標籤。如果存在SIB更改，則會修改值標記。但是，如果超過24小時超出覆蓋範圍，則UE必須始終讀取系統信息。

4.2.3 總結SIB採集

UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重複次數，並且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最後，藉助於從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標籤或通過尋呼指示SIB改變。

4.3 小區選擇和移動性

NB-IoT設計用於UE和網絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區服務的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區改變，則UE首先進入RRC_IDLE狀態並重新選擇其中的另一個小區。

對於RRC_IDLE狀態，為頻率內和頻率間小區定義小區重選[12]。這裡，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區，UE首先測量NRS的接收功率和質量。然後將這些值與SIB-NB提供的小區特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高於這些閾值，則UE認為自己處於該小區的覆蓋範圍內。如果UE處於一個小區的覆蓋範圍內，則駐留在其上。

取決於所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區重選。UE將該功率與重選閾值進行比較，該重選閾值對於頻率內和頻率間情況可以是不同的。從實際服務小區接收所有必需參數，不需要從其他小區讀取SIB-NB。

在滿足S標準的所有小區中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區進行排名。在該過程中添加滯後以防止過於頻繁的小區重選，並且還可以針對頻率內情況應用小區特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區，即，它可以從其接收正常服務。

當UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嚐試找到合適小區的頻率。僅當UE在該頻率上沒有找到合適的小區時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區。

4.4 隨機訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數[13]：

對於NB-IoT，RACH過程始終基於競爭，並從第3.3.4節“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之後，發送調度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最後將相關的爭用解決消息發送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發送前導碼時，UE首先根據傳輸時間計算其RA-RNTI。然後在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內的該消息，其在最後的前導碼SF之後開始3個SF並且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

如果前導碼傳輸不成功，即沒有接收到相關聯的隨機接入響應（RAR）消息，則UE發送另一個消息。這可以達到最大數量，這又取決於CE級別。對於未成功達到該最大數量的情況，如果配置了該級別，則UE前進到下一個CE級別。如果達到訪問嘗試的總次數，則向RRC報告相關的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經是時間對齊的，這對於通過NPUSCH進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用於msg3傳輸的所有相關數據。

其餘過程如同在LTE中那樣完成，即UE發送標識，並且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機接入過程被成功完成。

4.5 連接控制

由於系統不支持切換到不同的技術，RRC的狀態模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉換到相關的UTRA和GSM狀態，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE被視為不同的RAT。

4.5.1 RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網絡以及用於什麼目的。此建立原因僅限於移動始發信令，移動始發數據，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因為在NB-IoT中，假設所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調業務和多載波支持的能力。儘管這些功能通常在自己的過程中發出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發出信號，以便eNB可以將其應用於此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達2個數據無線電承載（DRB）和協議的配置。最後，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，並且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優化建立連接之後，以與具有僅限於NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對於控制平面CIoT EPS優化，不應用這些過程。

當eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉換到RRC_IDLE狀態並存儲當前AS上下文。它可以稍後恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態。自動設置無線承載，並使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內容。顯然，這為不頻繁的小數據分組的傳輸節省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當UE被配置用於用戶平面CIoT EPS優化並且配置有至少一個DRB時，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，並且不再可能為稍後的連接恢復該AS上下文。

當eNB在MIB-NB中指示接入受制於接入類別限制並且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發起的信令或數據時進行接入禁止檢查。或恢復RRC連接。商業上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關聯的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯的位，則禁止訪問該單元。然後，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實際禁止狀態。請注意，對於某些特殊數據，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決於SIB14-NB設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閒資源，eNB會回覆RRCConnectionReject。然後，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由於太多UE同時啟動網絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用於恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用於後續恢復請求。

4.5.2 RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發起，如圖4-7所示。

對於用戶平面CIoT EPS優化，eNB可以在此指示與rrcSuspend標誌的連接的暫停。 在這種情況下，UE存儲AS上下文並且可以如上所述請求RRC連接恢復，否則AS上下文被刪除並且UE可以僅使用完整的RRC連接建立來獲得另一個RRC連接。

在該過程完成之後，UE進入RRC_IDLE狀態。

4.6 UE能力轉移

當UE連接到網絡時，eNB既不知道UE建立在哪個版本上，也不知道其中支持的可選特徵中的哪個。 為了獲得此信息，定義了UE Capability Transfer procudure，如圖4-8所示：

UE能力傳輸總是由eNB發起，因為UE不能知道eNB是否已經來自網絡或來自先前會話的該信息。

這些功能包括UE構建的版本，UE類別，支持的頻段列表以及建立多個承載的能力。 另外，UE可以指示其是否支持UL中的多載波操作和多音調傳輸。 此外，可以包含最大數量的RoHC上下文會話和支持的配置文件。該消息通常比相應的LTE消息小得多，因為省略了NB-IoT中不支持的所有LTE特徵，如進一步的接入技術或載波聚合。

4.7 尋呼

尋呼用於觸發RRC連接並指示用於處於RRC_IDLE模式的UE的系統信息的改變。

尋呼消息通過NPDSCH發送，並且可以包含要被尋呼的UE的列表和信息，無論尋呼是用於連接建立還是系統信息已經改變。在該列表中找到其ID的每個UE將其被尋呼的前向層轉發到其上層，並且可以依次接收用於初始化RRC連接的命令。如果系統信息已經改變，則UE開始讀取SIB1-NB並且可以從那裡獲得信息，必須再次讀取哪些SIB。

處於RRC_IDLE狀態的UE僅監視關於尋呼的一些SF，無線電幀子集內的尋呼時機（PO），尋呼幀（PF）。如果應用覆蓋增強重複，則PO指的是重複內的第一次傳輸。PF和PO由SIB2-NB中提供的DRX週期和USIM卡提供的IMSI確定。DRX是用於節省電池壽命的DL控制信道的不連續接收。支持128,256,512和1024個無線電幀的週期，對應於1.28s和10.24s之間的時間間隔。

由於確定PF和PO的算法也取決於IMSI，不同的UE具有不同的尋呼時機，其在時間上均勻分佈。UE足以監視DRX週期內的一個尋呼時機，如果其中存在多個尋呼時機，則在它們中的每一箇中重複尋呼。

擴展DRX（eDRX）的概念也可以應用於NB-IoT。這是使用第3.2.1章“幀和時隙結構”中概述的超幀來完成的。如果支持eDRX，則UE不監視尋呼消息的時間間隔可能會大大延長，向上差不多3小時。相應地，UE必須知道在哪個HFN以及該HFN內的哪個時間間隔，尋呼時間窗口（PTW），它必須監視尋呼。PTW由啟動和停止SFN定義。在PTW內，PF和PO的確定以與未擴展DRX相同的方式完成。

5 數據傳輸

如第2.2.1章“核心網絡”中所述，數據傳輸有兩種方式，即控制平面CIoT EPS優化和用戶平面CIoT EPS優化。 MME表示支持每個優化。 對於移動始發數據，UE可以在支持的選項中進行選擇。 對於移動終止數據，MME選擇優化並且可以考慮UE優先級，其在附連過程中用信號通知網絡。

5.1 控制平面CIoT EPS優化

對於控制平面CIoT EPS優化，UE和eNB之間的數據交換在RRC級別完成。 在DL中，數據分組可以捎帶在RRCConnectionSetup消息中或RRCConnectionSetupComplete消息中的UL中。 如果這還不夠，可以使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer這兩個消息繼續數據傳輸：

所有這些消息中包含一個包含NAS信息的字節數組，在這種情況下，它對應於NB-IoT數據包。 因此，它對eNB是透明的，並且UE的RRC將所接收的DLInformationTransfer的內容直接轉發到其上層。 在eNB和MME之間，通過S1-MME接口交換dedicatedInfoNAS。

對於此數據傳輸方法，不應用AS級別的安全性。 由於也沒有RRC連接重新配置，它可以分別在RRC連接建立或恢復過程之後或期間立即開始。 當然，必須在RRC連接釋放之後終止RRC連接。

5.2 用戶平面CIoT EPS優化

在用戶平面CIoT中，EPS優化數據通過網絡在傳統用戶平面上傳輸，即eNB將數據轉發到S-GW或從該節點接收數據。 為了保持UE複雜度低，可以同時僅配置一個或兩個DRB。

必須區分兩種情況：當先前的RRC連接被釋放且指示可能的恢復操作時，請參見第4.5.2節“RRC連接釋放”，可以請求連接作為恢復過程，如圖4-5。 如果此恢復過程成功，則使用更新的密鑰建立安全性，並且像在先前的連接中那樣設置無線承載。 如果沒有先前釋放的恢復指示，或者如果eNB不接受恢復請求，則必須建立安全性和無線電承載，如下一節所示。

5.2.1 數據連接的建立和配置

建立RRC連接後，如圖4-4或圖4-6所示，第一步是建立AS級安全性。 這是通過初始安全激活過程完成的：

在SecurityModeCommand消息中，eNB向UE提供要應用於SRB1和DRB的加密算法，以及用於保護SRB1的完整性保護算法。 為LTE定義的所有算法也包括在NB-IoT中。 使用此消息，SRB1bis會自動更改為SRB1，SRB1用於以下控制消息。

激活安全性後，使用RRC連接重新配置過程設置DRB：

"

本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband Internet of Things Whitepaper。本文僅限於個人學習，研究，交流，不得用於其他商業用途！

摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯網（NBIoT）。 NB-IoT針對機器類型流量進行了優化。 它保持儘可能簡單，以降低設備成本並最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用於在困難的無線電條件下工作，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區域。 儘管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前LTE規範的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術，重點是與LTE的緊密連接。

目 錄

1 簡介

2 物理層

3 小區訪問

4 數據傳輸

5 摘要和展望

6 參考文獻

1 簡介

機器類型通信（MTC）的一個特徵是廣泛的功能。 例如，監控攝像機必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數據，而用於車隊跟蹤的設備在執行大量切換時具有少量數據。

另一類設備既沒有這些功能。 例如，用於抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優化的切換。 通常只傳輸少量數據，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統設備相比，這些MTC設備的數量可能變得非常大，甚至達到幾個數量級。 使用現有的LTE技術會導致網絡過載，因為儘管用戶數據量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規範集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經過培訓的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設備的壽命。 因此，優化的功耗對於正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內覆蓋範圍，認為必要時高達23 dB。

由於需要大量的設備，因此必須處於低成本範圍內。 作為目標，每個模塊的價格範圍應小於5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項目。 除了上述功能之外，主要要求是與現有GSM，UMTS和LTE系統以及用於這些技術的硬件共存。

已經從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中後者基於GSM標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續在第12版中進行的優化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向後兼容。通過指定從現有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現共存。

白皮書的結構如下：我們首先概述更具體的要求和網絡架構，並提供物理層的詳細信息。在描述了對單元的訪問之後，我們展示瞭如何通過空中接口傳輸數據包。最後，給出了該技術進一步發展的展望。

2 概 述

2.1 要求

根據前一章提到的一般MTC要求，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：

●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口

●對整個系統（包括核心網絡）的適當安全性

●延長電池壽命

●支持IP和非IP數據的傳送[2,3]

●支持SMS作為部署選項[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處於連接狀態的UE缺少切換。 僅支持空閒狀態下的小區重選，甚至限制在NB-IoT技術內。 由於沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用於設備內共存的干擾避免，以及用於監控信道質量的測量。

大多數LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-IoT不用於延遲敏感數據包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務，例如實時IMS。 根據這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應用創建一個空中接口，用於小型非延遲敏感數據包的空中接口被分開並單獨優化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2 網絡

2.2.1 核心網

為了嚮應用程序發送數據，定義了演進分組系統（EPS）中的蜂窩物聯網（CIoT）的兩種優化，用戶平面CIoT EPS優化和控制平面CIoT EPS優化，見圖2-1。 可以使用兩種優化，但不限於NB-IoT設備。

在控制平面CIoT EPS優化上，UL數據從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那裡，它們可以通過服務網關（SGW）傳輸到分組數據網絡網關（PGW），或者傳輸到服務能力暴露功能（SCEF），然而這隻能用於非IP數據分組。從這些節點開始，它們最終被轉發到應用服務器（CIoT服務）。DL數據在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數據無線電承載，而是在信令無線電承載上發送數據分組。因此，該解決方案最適合於不頻繁和小數據分組的傳輸。

SCEF是專為機器類型數據設計的新節點。它用於通過控制平面傳送非IP數據，併為網絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，發現和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優化，數據以與傳統數據業務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸到應用服務器。因此，它在構建連接時產生一些開銷，但是它有助於發送一系列數據包。此路徑支持IP和非IP數據傳輸。

2.2.2 接入網

在整體接入網架構上，LTE沒有區別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區別在於攜帶NB-IoT消息和數據分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進入空閒狀態後能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個eNB的情況。

2.3 頻段

對於頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數頻率都在現有LTE頻段的較低範圍內。 這反映出對於機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3 物理層

3.1 操作模式

NB-IoT技術佔用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應於LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：

●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側仍然保留10 kHz的保護間隔

●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內未使用的資源塊

●利用LTE載波內的資源塊的帶內操作

這些模式在下圖中可視化：

對於獨立操作，圖中右側的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，並非所有頻率（即，LTE載波內的資源塊）都被允許用於小區連接。 它們僅限於以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內操作。 當為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統使用的資源之間的衝突，例如小區特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內部資源塊反映在表3-1中，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對於保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應於正常覆蓋，CE級別2對應於最壞情況，其中覆蓋範圍可能會被認為是非常貧窮。它取決於網絡，定義了多少個CE級別。對於每個CE級，在小區中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重複多次。

對於版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，並且UE接收或發送，但不是同時接收或發送。另外，在從UL到DL的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（SF），其中UE有時間切換其發送器和接收器鏈。

3.2 下行鏈路

對於DL，三個物理信道

●NPBCH，窄帶物理廣播信道

●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道

●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號

●NRS，窄帶參考信號

●NPSS和NSSS，

定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩餘的信令信息和數據通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數據傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調製的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進行操作。 對於後一種情況，應用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區具有指定的物理小區ID（PCI），即窄帶物理小區ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節“同步信號”。

3.2.1 框架和槽結構

在DL中，使用具有正常循環前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式佔用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網格[9]：

對於一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網格，這對於帶內操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，並在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據調製方案的值的複數值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結為子幀和無線電幀：

有1024個循環重複的無線電幀，每個持續10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統幀週期的數量進行計數，即，每當系統幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數器，因此超幀週期跨越1024個系統幀週期，對應於幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2 窄帶參考信號

窄帶參考信號（NRS）在所有可用於廣播或專用DL傳輸的SF中傳輸，無論數據是否實際傳輸，請參見第3.2.5節“專用信道”瞭解更多詳細信息。

根據傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創建類似於LTE中的CRS，其中NCellID用於PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率範圍內由NCellID mod 6循環移位。 當在兩個AP上發送NRS時，則在AP0上用於NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設置為零，反之亦然。

對於帶內操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發送，用於不用於MBSFN的SF。利用NRS的結構，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內操作的一個重點是NcellID。它可以與用於嵌入LTE小區的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數指示，請參見第3.2.4節“窄帶物理廣播信道”，它區分帶內操作與同一PCI的真或假。如果該參數設置為真，則NCellID和PCI相同，並且UE可以假設天線端口的數量與LTE小區中的相同。然後可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關聯，並且CRS端口1與NRS端口1相關聯。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不採取任何這些假設。

3.2.3 同步信號

對於幀和子幀中的第一同步並且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結構如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因為當NB-IoT以帶內模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護時間適用於所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規定，哪個天線端口用於同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用於NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關於小區的信息。它在每個無線電幀的SF5中發送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進制加擾並根據無線電幀號循環移位。NCellID是一個額外的輸入參數，因此可以從序列中導出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數無線電幀的最後SF中發送。

對於帶內操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節中描述的NPBCH只能在PRB上進行，如表3-1所示。選擇用於接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結構，UE不能將NB同步信號與LTE系統發送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，並且具有任一技術的UE被自動路由到正確的頻率範圍。

3.2.4 窄帶物理廣播信道

NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，並且在640ms的時間段內發送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：

●4位表示系統幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩餘的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出

●2比特，表示超幀號的兩個LSB

●4位用於SIB1-NB調度和大小

●5位表示系統信息值標籤

●1位，表示是否應用了訪問類限制

●7位表示具有模式特定值的操作模式

●11個備用位，用於將來擴展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之後，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發送，並分別在接下來的7個連續無線電幀的SF0中重複。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執行相同的過程。 繼續該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用於所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸衝突。

NPBCH的SF結構如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 頻率範圍內的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 儘管NCellID在帶內操作中可能與PCI不同，但是其範圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率範圍內的CRS的循環移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能衝突。

3.2.5 專用頻道

控制和共享信道的原理也適用於NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 並非所有SF都可以用於傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以週期性方式應用。 對於SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1 控制信道NPDCCH

NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數據，在哪裡找到它們以及它們重複的頻率。 此外，在其中提供UL授權，示出UE將用於UL中的數據傳輸的資源。 最後，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設計如下圖所示：

用於NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，並且還圍繞CRS（紫色）進行帶內操作。 參數lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區域大小）指示OFDM起始符號。 這種方式可以避免帶內操作與LTE控制信道的衝突。 對於保護頻帶和獨立操作模式，控制區域大小默認為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：

●NPDCCH格式0採用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內傳輸。

●NPDCCH格式1同時採用NCCE。

為了使UE以合理的解碼複雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用於分頁

●Type-2公共搜索空間，用於隨機訪問

●UE特定的搜索空間

每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重複若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI），一個用於隨機接入（RA-RNTI），一個用於尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，並且如果找到，則對NPDCCH進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對於利用RA-RNTI對CRC進行加擾的情況，內容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調度延遲，即NPDCCH結束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對於經由DCI格式N2的DL傳輸，調度延遲固定為10SF。

3.2.5.2 業務信道NPDSCH

NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結構。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，並圍繞NRS映射，並且對於帶內操作，映射為LTE CRS。lNstart由用於帶內操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大小（TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重複傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續SF。

對於DL，沒有對傳輸的自動確認，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發送確認，參見章節3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節“多載波配置”，這意味著當UE處於連接狀態時可以使用另一個載波。在空閒狀態中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關UL載波中發送前導碼，在那裡等待尋呼或開始對移動始發數據或信令的接入。

SIB1-NB傳輸

SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的週期，重複4,8或16次。傳輸塊大小和重複次數在MIB-NB中指示。可以進行4,8或16次重複，並且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重複次數和NCellID確定。SF4用於傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由於其他傳輸參數也是固定的，因此控制信道中沒有相關的指示。

SIB1-NB內容可以僅在每個修改週期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應於4個SFN週期，這就是為什麼在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

儘管通過NPDSCH發送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因為UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3 上行鏈路

對於上行鏈路（UL），兩個物理信道

●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道

●NPRACH，窄帶物理隨機接入信道和

●定義DMRS，解調參考信號。

物理信道與相關傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數據都通過NPUSCH發送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發送。 因此，沒有相當於LTE中的PUCCH。

3.3.1 時隙結構

在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用15kHz子載波間隔時，UL的資源網格與DL的資源網格相同，請參見圖3-3。 對於3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網格具有修改的結構：

同樣在一個時隙內有7個OFDM符號。 根據OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續時間是15kHz的持續時間的四倍，這導致時隙長度為2ms。

3.3.2 物理上行鏈路共享信道

在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用於UL-SCH上的UL傳輸信道數據，傳輸塊不大於1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限於DL傳輸的確認。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決於PUSCH格式和子載波間隔。

對於NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率範圍中的1個子載波和時間範圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對於NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對於3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續時間並且對於15kHz子載波間隔2ms。

對於NPUSCH格式2，調製方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調製取決於所選的RU：

●對於具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK

●對於所有其他RU，應用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用於UL-SCH傳輸的許可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重複次數，用於一個傳輸塊的RU的數量，以及包括它們在頻率範圍中的位置的子載波的數量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調製方案，另外，與RU的數量一起，提供傳輸塊大小。

最後，通過應用逆傅里葉變換並且在循環前綴（CP）之前預先創建時間信號。 對於15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對於3.75kHz，它是256個樣本，對應於8.3μs。 對於後一種情況，每個時隙結束時的2304個採樣（75μs）的週期保持為空，這用作保護間隔。 對於帶內操作，該保護間隔可以用於在LTE系統中發送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應該確認傳輸的情況下，在相關DL中總是存在確認。

3.3.3 參考信號

在UL中，定義瞭解調參考信號（DMRS）。 它與數據複用，因此它僅在包含數據傳輸的RU中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。

根據NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發送。 對於NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標記的符號。

從該圖中可以看出，用於DMRS傳輸的SC-FDM符號取決於子載波間隔。 對於圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構成。 它們具有與相關數據相同的調製。 對於NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進行擴展。

3.3.4 隨機接入信道

在隨機接入信道NPRACH中，發送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機接入過程可用於向小區發信號通知UE駐留在其上並希望獲得接入。

前導碼基於單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環前綴（CP），後跟5個符號。 以下結構顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續時間為TSEQ = 1.333 ms，對於格式0，CP為TCP =67μs，對於格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導碼格式在系統信息中廣播。

前導碼由無間隙發送的4個符號組組成。跳頻應用於符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發送。通過構造，該跳躍被限制為連續的12個子載波集。取決於覆蓋水平，小區可以指示UE將在每次重複時使用相同的傳輸功率重複前導碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，並且週期性地發生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH週期。它們在一段時間內的開始時間在系統信息中提供。重複次數和前導碼格式決定了它們的結束。

在頻率範圍內，應用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源佔用12,24,36或48個子載波的連續集合，並且位於一組離散的子載波範圍上。取決於小區配置，資源可以進一步劃分為由支持msg3的多音傳輸的UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重複至少4次的前導碼的示例。這裡，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重複由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸的情況提供，則UE選擇用於傳輸第一前導碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決於第一個符號的位置。對於下一次重複的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重複次數用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決於該結果。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決於子載波位置。對載波頻率的調製和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4 功率控制

3.4.1 上行鏈路

在UL中，發射功率取決於小區特定參數，所選RU和UE測量參數的組合[11]。 對於最多重複2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重複次數超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區特定最大發射功率。利用上述結構，發射功率可能永遠不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決於所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數的組合，這取決於傳輸塊是用於UL-SCH數據（j = 1）還是用於RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權，對於NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

3.4.2 下行鏈路

DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對於攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恆定的。

對於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發射功率取決於傳輸方案。如果僅應用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內操作模式並且samePCI值設置為true，則會出現特殊情況。然後，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進行信道估計。

4 小區訪問

當UE接入小區時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當的頻率上搜索小區，讀取相關的SIB信息，並開始隨機接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網絡註冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態之後，如果它具有要發送的移動始發數據，則它可以再次使用隨機接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1 協議棧和信令承載

協議層的一般原則是從LTE協議開始，將它們降低到最小，並根據NB-IoT的需要增強它們。這樣，重複使用經過驗證的結構和過程，同時防止來自未使用的LTE特徵的開銷。因此，從協議棧的角度來看，NB-IoT技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

其一個例子是承載結構。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用於通過CCCH邏輯信道發送的RRC消息的SRB0，以及用於使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然後不再使用SRB1bis。這也意味著對於控制平面CIoT EPS優化，根本不使用SRB1bis，因為在此模式下沒有安全激活。

協議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優化的功能：

4.2 系統信息

與LTE類似，系統信息用於廣播對小區內的所有UE有效的信息。 由於廣播系統信息佔用資源並導致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現的大小。

因此，定義了一組系統信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用後綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內操作的情況下，UE也專門使用這些SIB並忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統信息獲取和改變過程僅應用於RRC_IDLE狀態。 期望UE在處於RRC_CONNECTED狀態時讀取SIB信息。 如果發生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態以獲取修改的系統信息。

4.2.1 調度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進行傳輸。剩餘SIB信息的調度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然後在單獨的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，並且對於所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內，SI消息通過2或8個連續有效DL SF發送，具體取決於它們的傳輸塊大小，並且可以重複多次。 調度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示並且不需要SI-RNTI。

4.2.2 變更通知

如“SIB1-NB傳輸”中已經提到的，系統信息可能僅在修改週期的時間邊界處改變並且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點改變。這種例外背後的原因是AB參數可能需要在更短的時間範圍內改變。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用於UE從覆蓋範圍外的位置返回到覆蓋範圍以及從更長的DRX週期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標籤。如果存在SIB更改，則會修改值標記。但是，如果超過24小時超出覆蓋範圍，則UE必須始終讀取系統信息。

4.2.3 總結SIB採集

UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重複次數，並且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最後，藉助於從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標籤或通過尋呼指示SIB改變。

4.3 小區選擇和移動性

NB-IoT設計用於UE和網絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區服務的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區改變，則UE首先進入RRC_IDLE狀態並重新選擇其中的另一個小區。

對於RRC_IDLE狀態，為頻率內和頻率間小區定義小區重選[12]。這裡，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區，UE首先測量NRS的接收功率和質量。然後將這些值與SIB-NB提供的小區特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高於這些閾值，則UE認為自己處於該小區的覆蓋範圍內。如果UE處於一個小區的覆蓋範圍內，則駐留在其上。

取決於所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區重選。UE將該功率與重選閾值進行比較，該重選閾值對於頻率內和頻率間情況可以是不同的。從實際服務小區接收所有必需參數，不需要從其他小區讀取SIB-NB。

在滿足S標準的所有小區中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區進行排名。在該過程中添加滯後以防止過於頻繁的小區重選，並且還可以針對頻率內情況應用小區特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區，即，它可以從其接收正常服務。

當UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嚐試找到合適小區的頻率。僅當UE在該頻率上沒有找到合適的小區時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區。

4.4 隨機訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數[13]：

對於NB-IoT，RACH過程始終基於競爭，並從第3.3.4節“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之後，發送調度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最後將相關的爭用解決消息發送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發送前導碼時，UE首先根據傳輸時間計算其RA-RNTI。然後在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內的該消息，其在最後的前導碼SF之後開始3個SF並且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

如果前導碼傳輸不成功，即沒有接收到相關聯的隨機接入響應（RAR）消息，則UE發送另一個消息。這可以達到最大數量，這又取決於CE級別。對於未成功達到該最大數量的情況，如果配置了該級別，則UE前進到下一個CE級別。如果達到訪問嘗試的總次數，則向RRC報告相關的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經是時間對齊的，這對於通過NPUSCH進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用於msg3傳輸的所有相關數據。

其餘過程如同在LTE中那樣完成，即UE發送標識，並且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機接入過程被成功完成。

4.5 連接控制

由於系統不支持切換到不同的技術，RRC的狀態模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉換到相關的UTRA和GSM狀態，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE被視為不同的RAT。

4.5.1 RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網絡以及用於什麼目的。此建立原因僅限於移動始發信令，移動始發數據，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因為在NB-IoT中，假設所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調業務和多載波支持的能力。儘管這些功能通常在自己的過程中發出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發出信號，以便eNB可以將其應用於此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達2個數據無線電承載（DRB）和協議的配置。最後，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，並且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優化建立連接之後，以與具有僅限於NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對於控制平面CIoT EPS優化，不應用這些過程。

當eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉換到RRC_IDLE狀態並存儲當前AS上下文。它可以稍後恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態。自動設置無線承載，並使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內容。顯然，這為不頻繁的小數據分組的傳輸節省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當UE被配置用於用戶平面CIoT EPS優化並且配置有至少一個DRB時，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，並且不再可能為稍後的連接恢復該AS上下文。

當eNB在MIB-NB中指示接入受制於接入類別限制並且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發起的信令或數據時進行接入禁止檢查。或恢復RRC連接。商業上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關聯的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯的位，則禁止訪問該單元。然後，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實際禁止狀態。請注意，對於某些特殊數據，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決於SIB14-NB設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閒資源，eNB會回覆RRCConnectionReject。然後，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由於太多UE同時啟動網絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用於恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用於後續恢復請求。

4.5.2 RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發起，如圖4-7所示。

對於用戶平面CIoT EPS優化，eNB可以在此指示與rrcSuspend標誌的連接的暫停。 在這種情況下，UE存儲AS上下文並且可以如上所述請求RRC連接恢復，否則AS上下文被刪除並且UE可以僅使用完整的RRC連接建立來獲得另一個RRC連接。

在該過程完成之後，UE進入RRC_IDLE狀態。

4.6 UE能力轉移

當UE連接到網絡時，eNB既不知道UE建立在哪個版本上，也不知道其中支持的可選特徵中的哪個。 為了獲得此信息，定義了UE Capability Transfer procudure，如圖4-8所示：

UE能力傳輸總是由eNB發起，因為UE不能知道eNB是否已經來自網絡或來自先前會話的該信息。

這些功能包括UE構建的版本，UE類別，支持的頻段列表以及建立多個承載的能力。 另外，UE可以指示其是否支持UL中的多載波操作和多音調傳輸。 此外，可以包含最大數量的RoHC上下文會話和支持的配置文件。該消息通常比相應的LTE消息小得多，因為省略了NB-IoT中不支持的所有LTE特徵，如進一步的接入技術或載波聚合。

4.7 尋呼

尋呼用於觸發RRC連接並指示用於處於RRC_IDLE模式的UE的系統信息的改變。

尋呼消息通過NPDSCH發送，並且可以包含要被尋呼的UE的列表和信息，無論尋呼是用於連接建立還是系統信息已經改變。在該列表中找到其ID的每個UE將其被尋呼的前向層轉發到其上層，並且可以依次接收用於初始化RRC連接的命令。如果系統信息已經改變，則UE開始讀取SIB1-NB並且可以從那裡獲得信息，必須再次讀取哪些SIB。

處於RRC_IDLE狀態的UE僅監視關於尋呼的一些SF，無線電幀子集內的尋呼時機（PO），尋呼幀（PF）。如果應用覆蓋增強重複，則PO指的是重複內的第一次傳輸。PF和PO由SIB2-NB中提供的DRX週期和USIM卡提供的IMSI確定。DRX是用於節省電池壽命的DL控制信道的不連續接收。支持128,256,512和1024個無線電幀的週期，對應於1.28s和10.24s之間的時間間隔。

由於確定PF和PO的算法也取決於IMSI，不同的UE具有不同的尋呼時機，其在時間上均勻分佈。UE足以監視DRX週期內的一個尋呼時機，如果其中存在多個尋呼時機，則在它們中的每一箇中重複尋呼。

擴展DRX（eDRX）的概念也可以應用於NB-IoT。這是使用第3.2.1章“幀和時隙結構”中概述的超幀來完成的。如果支持eDRX，則UE不監視尋呼消息的時間間隔可能會大大延長，向上差不多3小時。相應地，UE必須知道在哪個HFN以及該HFN內的哪個時間間隔，尋呼時間窗口（PTW），它必須監視尋呼。PTW由啟動和停止SFN定義。在PTW內，PF和PO的確定以與未擴展DRX相同的方式完成。

5 數據傳輸

如第2.2.1章“核心網絡”中所述，數據傳輸有兩種方式，即控制平面CIoT EPS優化和用戶平面CIoT EPS優化。 MME表示支持每個優化。 對於移動始發數據，UE可以在支持的選項中進行選擇。 對於移動終止數據，MME選擇優化並且可以考慮UE優先級，其在附連過程中用信號通知網絡。

5.1 控制平面CIoT EPS優化

對於控制平面CIoT EPS優化，UE和eNB之間的數據交換在RRC級別完成。 在DL中，數據分組可以捎帶在RRCConnectionSetup消息中或RRCConnectionSetupComplete消息中的UL中。 如果這還不夠，可以使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer這兩個消息繼續數據傳輸：

所有這些消息中包含一個包含NAS信息的字節數組，在這種情況下，它對應於NB-IoT數據包。 因此，它對eNB是透明的，並且UE的RRC將所接收的DLInformationTransfer的內容直接轉發到其上層。 在eNB和MME之間，通過S1-MME接口交換dedicatedInfoNAS。

對於此數據傳輸方法，不應用AS級別的安全性。 由於也沒有RRC連接重新配置，它可以分別在RRC連接建立或恢復過程之後或期間立即開始。 當然，必須在RRC連接釋放之後終止RRC連接。

5.2 用戶平面CIoT EPS優化

在用戶平面CIoT中，EPS優化數據通過網絡在傳統用戶平面上傳輸，即eNB將數據轉發到S-GW或從該節點接收數據。 為了保持UE複雜度低，可以同時僅配置一個或兩個DRB。

必須區分兩種情況：當先前的RRC連接被釋放且指示可能的恢復操作時，請參見第4.5.2節“RRC連接釋放”，可以請求連接作為恢復過程，如圖4-5。 如果此恢復過程成功，則使用更新的密鑰建立安全性，並且像在先前的連接中那樣設置無線承載。 如果沒有先前釋放的恢復指示，或者如果eNB不接受恢復請求，則必須建立安全性和無線電承載，如下一節所示。

5.2.1 數據連接的建立和配置

建立RRC連接後，如圖4-4或圖4-6所示，第一步是建立AS級安全性。 這是通過初始安全激活過程完成的：

在SecurityModeCommand消息中，eNB向UE提供要應用於SRB1和DRB的加密算法，以及用於保護SRB1的完整性保護算法。 為LTE定義的所有算法也包括在NB-IoT中。 使用此消息，SRB1bis會自動更改為SRB1，SRB1用於以下控制消息。

激活安全性後，使用RRC連接重新配置過程設置DRB：

在重新配置消息中，eNB向UE提供無線承載，包括RLC和邏輯信道的配置。 後者包括用於根據實際要求平衡數據傳輸的優先級。 PDCP僅配置為DRB，因為SRB僅使用默認值。

在所包括的MAC配置中，提供緩衝器狀態報告（BSR），調度請求（SR），時間對準和DRX的配置。 最後，物理配置提供了將數據映射到時隙和頻率的必要參數。

5.2.2 多載波配置

RRCConnectionReconfiguration可以包含UL和DL中的附加載波的設置，非錨定載波。

當在DL中提供非錨定載波時，UE將接收該頻率上的所有數據。這排除了僅在錨載波上接收的同步，廣播信息和尋呼。可以提供指示允許的DL SF的位圖。非錨定載波可以包含相當多的SF用於數據，因為它不需要同步和廣播信息。

一旦配置了非錨定載波，UE就在其處於RRC_CONNECTED狀態時單獨監聽該錨定載波。因此，UE僅需要一個接收器鏈。

在UL中，同樣的原則適用。如果配置了額外的UL載波，則UE僅將該一個用於數據傳輸，在該載波和錨載波中不存在同時傳輸。

對於DL和UL兩者，當UE被釋放到RRC_IDLE狀態時，UE返回到其錨定載波。

調度示例如圖5-4所示：

"

本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband Internet of Things Whitepaper。本文僅限於個人學習，研究，交流，不得用於其他商業用途！

摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯網（NBIoT）。 NB-IoT針對機器類型流量進行了優化。 它保持儘可能簡單，以降低設備成本並最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用於在困難的無線電條件下工作，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區域。 儘管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前LTE規範的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術，重點是與LTE的緊密連接。

目 錄

1 簡介

2 物理層

3 小區訪問

4 數據傳輸

5 摘要和展望

6 參考文獻

1 簡介

機器類型通信（MTC）的一個特徵是廣泛的功能。 例如，監控攝像機必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數據，而用於車隊跟蹤的設備在執行大量切換時具有少量數據。

另一類設備既沒有這些功能。 例如，用於抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優化的切換。 通常只傳輸少量數據，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統設備相比，這些MTC設備的數量可能變得非常大，甚至達到幾個數量級。 使用現有的LTE技術會導致網絡過載，因為儘管用戶數據量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規範集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經過培訓的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設備的壽命。 因此，優化的功耗對於正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內覆蓋範圍，認為必要時高達23 dB。

由於需要大量的設備，因此必須處於低成本範圍內。 作為目標，每個模塊的價格範圍應小於5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項目。 除了上述功能之外，主要要求是與現有GSM，UMTS和LTE系統以及用於這些技術的硬件共存。

已經從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中後者基於GSM標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續在第12版中進行的優化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向後兼容。通過指定從現有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現共存。

白皮書的結構如下：我們首先概述更具體的要求和網絡架構，並提供物理層的詳細信息。在描述了對單元的訪問之後，我們展示瞭如何通過空中接口傳輸數據包。最後，給出了該技術進一步發展的展望。

2 概 述

2.1 要求

根據前一章提到的一般MTC要求，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：

●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口

●對整個系統（包括核心網絡）的適當安全性

●延長電池壽命

●支持IP和非IP數據的傳送[2,3]

●支持SMS作為部署選項[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處於連接狀態的UE缺少切換。 僅支持空閒狀態下的小區重選，甚至限制在NB-IoT技術內。 由於沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用於設備內共存的干擾避免，以及用於監控信道質量的測量。

大多數LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-IoT不用於延遲敏感數據包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務，例如實時IMS。 根據這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應用創建一個空中接口，用於小型非延遲敏感數據包的空中接口被分開並單獨優化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2 網絡

2.2.1 核心網

為了嚮應用程序發送數據，定義了演進分組系統（EPS）中的蜂窩物聯網（CIoT）的兩種優化，用戶平面CIoT EPS優化和控制平面CIoT EPS優化，見圖2-1。 可以使用兩種優化，但不限於NB-IoT設備。

在控制平面CIoT EPS優化上，UL數據從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那裡，它們可以通過服務網關（SGW）傳輸到分組數據網絡網關（PGW），或者傳輸到服務能力暴露功能（SCEF），然而這隻能用於非IP數據分組。從這些節點開始，它們最終被轉發到應用服務器（CIoT服務）。DL數據在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數據無線電承載，而是在信令無線電承載上發送數據分組。因此，該解決方案最適合於不頻繁和小數據分組的傳輸。

SCEF是專為機器類型數據設計的新節點。它用於通過控制平面傳送非IP數據，併為網絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，發現和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優化，數據以與傳統數據業務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸到應用服務器。因此，它在構建連接時產生一些開銷，但是它有助於發送一系列數據包。此路徑支持IP和非IP數據傳輸。

2.2.2 接入網

在整體接入網架構上，LTE沒有區別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區別在於攜帶NB-IoT消息和數據分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進入空閒狀態後能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個eNB的情況。

2.3 頻段

對於頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數頻率都在現有LTE頻段的較低範圍內。 這反映出對於機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3 物理層

3.1 操作模式

NB-IoT技術佔用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應於LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：

●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側仍然保留10 kHz的保護間隔

●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內未使用的資源塊

●利用LTE載波內的資源塊的帶內操作

這些模式在下圖中可視化：

對於獨立操作，圖中右側的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，並非所有頻率（即，LTE載波內的資源塊）都被允許用於小區連接。 它們僅限於以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內操作。 當為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統使用的資源之間的衝突，例如小區特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內部資源塊反映在表3-1中，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對於保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應於正常覆蓋，CE級別2對應於最壞情況，其中覆蓋範圍可能會被認為是非常貧窮。它取決於網絡，定義了多少個CE級別。對於每個CE級，在小區中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重複多次。

對於版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，並且UE接收或發送，但不是同時接收或發送。另外，在從UL到DL的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（SF），其中UE有時間切換其發送器和接收器鏈。

3.2 下行鏈路

對於DL，三個物理信道

●NPBCH，窄帶物理廣播信道

●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道

●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號

●NRS，窄帶參考信號

●NPSS和NSSS，

定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩餘的信令信息和數據通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數據傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調製的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進行操作。 對於後一種情況，應用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區具有指定的物理小區ID（PCI），即窄帶物理小區ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節“同步信號”。

3.2.1 框架和槽結構

在DL中，使用具有正常循環前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式佔用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網格[9]：

對於一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網格，這對於帶內操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，並在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據調製方案的值的複數值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結為子幀和無線電幀：

有1024個循環重複的無線電幀，每個持續10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統幀週期的數量進行計數，即，每當系統幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數器，因此超幀週期跨越1024個系統幀週期，對應於幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2 窄帶參考信號

窄帶參考信號（NRS）在所有可用於廣播或專用DL傳輸的SF中傳輸，無論數據是否實際傳輸，請參見第3.2.5節“專用信道”瞭解更多詳細信息。

根據傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創建類似於LTE中的CRS，其中NCellID用於PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率範圍內由NCellID mod 6循環移位。 當在兩個AP上發送NRS時，則在AP0上用於NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設置為零，反之亦然。

對於帶內操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發送，用於不用於MBSFN的SF。利用NRS的結構，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內操作的一個重點是NcellID。它可以與用於嵌入LTE小區的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數指示，請參見第3.2.4節“窄帶物理廣播信道”，它區分帶內操作與同一PCI的真或假。如果該參數設置為真，則NCellID和PCI相同，並且UE可以假設天線端口的數量與LTE小區中的相同。然後可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關聯，並且CRS端口1與NRS端口1相關聯。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不採取任何這些假設。

3.2.3 同步信號

對於幀和子幀中的第一同步並且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結構如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因為當NB-IoT以帶內模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護時間適用於所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規定，哪個天線端口用於同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用於NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關於小區的信息。它在每個無線電幀的SF5中發送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進制加擾並根據無線電幀號循環移位。NCellID是一個額外的輸入參數，因此可以從序列中導出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數無線電幀的最後SF中發送。

對於帶內操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節中描述的NPBCH只能在PRB上進行，如表3-1所示。選擇用於接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結構，UE不能將NB同步信號與LTE系統發送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，並且具有任一技術的UE被自動路由到正確的頻率範圍。

3.2.4 窄帶物理廣播信道

NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，並且在640ms的時間段內發送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：

●4位表示系統幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩餘的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出

●2比特，表示超幀號的兩個LSB

●4位用於SIB1-NB調度和大小

●5位表示系統信息值標籤

●1位，表示是否應用了訪問類限制

●7位表示具有模式特定值的操作模式

●11個備用位，用於將來擴展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之後，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發送，並分別在接下來的7個連續無線電幀的SF0中重複。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執行相同的過程。 繼續該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用於所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸衝突。

NPBCH的SF結構如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 頻率範圍內的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 儘管NCellID在帶內操作中可能與PCI不同，但是其範圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率範圍內的CRS的循環移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能衝突。

3.2.5 專用頻道

控制和共享信道的原理也適用於NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 並非所有SF都可以用於傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以週期性方式應用。 對於SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1 控制信道NPDCCH

NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數據，在哪裡找到它們以及它們重複的頻率。 此外，在其中提供UL授權，示出UE將用於UL中的數據傳輸的資源。 最後，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設計如下圖所示：

用於NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，並且還圍繞CRS（紫色）進行帶內操作。 參數lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區域大小）指示OFDM起始符號。 這種方式可以避免帶內操作與LTE控制信道的衝突。 對於保護頻帶和獨立操作模式，控制區域大小默認為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：

●NPDCCH格式0採用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內傳輸。

●NPDCCH格式1同時採用NCCE。

為了使UE以合理的解碼複雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用於分頁

●Type-2公共搜索空間，用於隨機訪問

●UE特定的搜索空間

每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重複若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI），一個用於隨機接入（RA-RNTI），一個用於尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，並且如果找到，則對NPDCCH進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對於利用RA-RNTI對CRC進行加擾的情況，內容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調度延遲，即NPDCCH結束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對於經由DCI格式N2的DL傳輸，調度延遲固定為10SF。

3.2.5.2 業務信道NPDSCH

NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結構。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，並圍繞NRS映射，並且對於帶內操作，映射為LTE CRS。lNstart由用於帶內操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大小（TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重複傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續SF。

對於DL，沒有對傳輸的自動確認，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發送確認，參見章節3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節“多載波配置”，這意味著當UE處於連接狀態時可以使用另一個載波。在空閒狀態中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關UL載波中發送前導碼，在那裡等待尋呼或開始對移動始發數據或信令的接入。

SIB1-NB傳輸

SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的週期，重複4,8或16次。傳輸塊大小和重複次數在MIB-NB中指示。可以進行4,8或16次重複，並且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重複次數和NCellID確定。SF4用於傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由於其他傳輸參數也是固定的，因此控制信道中沒有相關的指示。

SIB1-NB內容可以僅在每個修改週期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應於4個SFN週期，這就是為什麼在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

儘管通過NPDSCH發送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因為UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3 上行鏈路

對於上行鏈路（UL），兩個物理信道

●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道

●NPRACH，窄帶物理隨機接入信道和

●定義DMRS，解調參考信號。

物理信道與相關傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數據都通過NPUSCH發送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發送。 因此，沒有相當於LTE中的PUCCH。

3.3.1 時隙結構

在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用15kHz子載波間隔時，UL的資源網格與DL的資源網格相同，請參見圖3-3。 對於3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網格具有修改的結構：

同樣在一個時隙內有7個OFDM符號。 根據OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續時間是15kHz的持續時間的四倍，這導致時隙長度為2ms。

3.3.2 物理上行鏈路共享信道

在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用於UL-SCH上的UL傳輸信道數據，傳輸塊不大於1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限於DL傳輸的確認。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決於PUSCH格式和子載波間隔。

對於NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率範圍中的1個子載波和時間範圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對於NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對於3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續時間並且對於15kHz子載波間隔2ms。

對於NPUSCH格式2，調製方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調製取決於所選的RU：

●對於具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK

●對於所有其他RU，應用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用於UL-SCH傳輸的許可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重複次數，用於一個傳輸塊的RU的數量，以及包括它們在頻率範圍中的位置的子載波的數量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調製方案，另外，與RU的數量一起，提供傳輸塊大小。

最後，通過應用逆傅里葉變換並且在循環前綴（CP）之前預先創建時間信號。 對於15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對於3.75kHz，它是256個樣本，對應於8.3μs。 對於後一種情況，每個時隙結束時的2304個採樣（75μs）的週期保持為空，這用作保護間隔。 對於帶內操作，該保護間隔可以用於在LTE系統中發送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應該確認傳輸的情況下，在相關DL中總是存在確認。

3.3.3 參考信號

在UL中，定義瞭解調參考信號（DMRS）。 它與數據複用，因此它僅在包含數據傳輸的RU中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。

根據NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發送。 對於NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標記的符號。

從該圖中可以看出，用於DMRS傳輸的SC-FDM符號取決於子載波間隔。 對於圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構成。 它們具有與相關數據相同的調製。 對於NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進行擴展。

3.3.4 隨機接入信道

在隨機接入信道NPRACH中，發送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機接入過程可用於向小區發信號通知UE駐留在其上並希望獲得接入。

前導碼基於單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環前綴（CP），後跟5個符號。 以下結構顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續時間為TSEQ = 1.333 ms，對於格式0，CP為TCP =67μs，對於格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導碼格式在系統信息中廣播。

前導碼由無間隙發送的4個符號組組成。跳頻應用於符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發送。通過構造，該跳躍被限制為連續的12個子載波集。取決於覆蓋水平，小區可以指示UE將在每次重複時使用相同的傳輸功率重複前導碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，並且週期性地發生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH週期。它們在一段時間內的開始時間在系統信息中提供。重複次數和前導碼格式決定了它們的結束。

在頻率範圍內，應用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源佔用12,24,36或48個子載波的連續集合，並且位於一組離散的子載波範圍上。取決於小區配置，資源可以進一步劃分為由支持msg3的多音傳輸的UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重複至少4次的前導碼的示例。這裡，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重複由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸的情況提供，則UE選擇用於傳輸第一前導碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決於第一個符號的位置。對於下一次重複的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重複次數用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決於該結果。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決於子載波位置。對載波頻率的調製和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4 功率控制

3.4.1 上行鏈路

在UL中，發射功率取決於小區特定參數，所選RU和UE測量參數的組合[11]。 對於最多重複2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重複次數超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區特定最大發射功率。利用上述結構，發射功率可能永遠不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決於所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數的組合，這取決於傳輸塊是用於UL-SCH數據（j = 1）還是用於RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權，對於NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

3.4.2 下行鏈路

DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對於攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恆定的。

對於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發射功率取決於傳輸方案。如果僅應用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內操作模式並且samePCI值設置為true，則會出現特殊情況。然後，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進行信道估計。

4 小區訪問

當UE接入小區時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當的頻率上搜索小區，讀取相關的SIB信息，並開始隨機接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網絡註冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態之後，如果它具有要發送的移動始發數據，則它可以再次使用隨機接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1 協議棧和信令承載

協議層的一般原則是從LTE協議開始，將它們降低到最小，並根據NB-IoT的需要增強它們。這樣，重複使用經過驗證的結構和過程，同時防止來自未使用的LTE特徵的開銷。因此，從協議棧的角度來看，NB-IoT技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

其一個例子是承載結構。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用於通過CCCH邏輯信道發送的RRC消息的SRB0，以及用於使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然後不再使用SRB1bis。這也意味著對於控制平面CIoT EPS優化，根本不使用SRB1bis，因為在此模式下沒有安全激活。

協議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優化的功能：

4.2 系統信息

與LTE類似，系統信息用於廣播對小區內的所有UE有效的信息。 由於廣播系統信息佔用資源並導致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現的大小。

因此，定義了一組系統信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用後綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內操作的情況下，UE也專門使用這些SIB並忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統信息獲取和改變過程僅應用於RRC_IDLE狀態。 期望UE在處於RRC_CONNECTED狀態時讀取SIB信息。 如果發生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態以獲取修改的系統信息。

4.2.1 調度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進行傳輸。剩餘SIB信息的調度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然後在單獨的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，並且對於所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內，SI消息通過2或8個連續有效DL SF發送，具體取決於它們的傳輸塊大小，並且可以重複多次。 調度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示並且不需要SI-RNTI。

4.2.2 變更通知

如“SIB1-NB傳輸”中已經提到的，系統信息可能僅在修改週期的時間邊界處改變並且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點改變。這種例外背後的原因是AB參數可能需要在更短的時間範圍內改變。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用於UE從覆蓋範圍外的位置返回到覆蓋範圍以及從更長的DRX週期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標籤。如果存在SIB更改，則會修改值標記。但是，如果超過24小時超出覆蓋範圍，則UE必須始終讀取系統信息。

4.2.3 總結SIB採集

UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重複次數，並且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最後，藉助於從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標籤或通過尋呼指示SIB改變。

4.3 小區選擇和移動性

NB-IoT設計用於UE和網絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區服務的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區改變，則UE首先進入RRC_IDLE狀態並重新選擇其中的另一個小區。

對於RRC_IDLE狀態，為頻率內和頻率間小區定義小區重選[12]。這裡，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區，UE首先測量NRS的接收功率和質量。然後將這些值與SIB-NB提供的小區特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高於這些閾值，則UE認為自己處於該小區的覆蓋範圍內。如果UE處於一個小區的覆蓋範圍內，則駐留在其上。

取決於所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區重選。UE將該功率與重選閾值進行比較，該重選閾值對於頻率內和頻率間情況可以是不同的。從實際服務小區接收所有必需參數，不需要從其他小區讀取SIB-NB。

在滿足S標準的所有小區中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區進行排名。在該過程中添加滯後以防止過於頻繁的小區重選，並且還可以針對頻率內情況應用小區特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區，即，它可以從其接收正常服務。

當UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嚐試找到合適小區的頻率。僅當UE在該頻率上沒有找到合適的小區時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區。

4.4 隨機訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數[13]：

對於NB-IoT，RACH過程始終基於競爭，並從第3.3.4節“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之後，發送調度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最後將相關的爭用解決消息發送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發送前導碼時，UE首先根據傳輸時間計算其RA-RNTI。然後在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內的該消息，其在最後的前導碼SF之後開始3個SF並且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

如果前導碼傳輸不成功，即沒有接收到相關聯的隨機接入響應（RAR）消息，則UE發送另一個消息。這可以達到最大數量，這又取決於CE級別。對於未成功達到該最大數量的情況，如果配置了該級別，則UE前進到下一個CE級別。如果達到訪問嘗試的總次數，則向RRC報告相關的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經是時間對齊的，這對於通過NPUSCH進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用於msg3傳輸的所有相關數據。

其餘過程如同在LTE中那樣完成，即UE發送標識，並且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機接入過程被成功完成。

4.5 連接控制

由於系統不支持切換到不同的技術，RRC的狀態模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉換到相關的UTRA和GSM狀態，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE被視為不同的RAT。

4.5.1 RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網絡以及用於什麼目的。此建立原因僅限於移動始發信令，移動始發數據，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因為在NB-IoT中，假設所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調業務和多載波支持的能力。儘管這些功能通常在自己的過程中發出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發出信號，以便eNB可以將其應用於此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達2個數據無線電承載（DRB）和協議的配置。最後，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，並且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優化建立連接之後，以與具有僅限於NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對於控制平面CIoT EPS優化，不應用這些過程。

當eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉換到RRC_IDLE狀態並存儲當前AS上下文。它可以稍後恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態。自動設置無線承載，並使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內容。顯然，這為不頻繁的小數據分組的傳輸節省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當UE被配置用於用戶平面CIoT EPS優化並且配置有至少一個DRB時，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，並且不再可能為稍後的連接恢復該AS上下文。

當eNB在MIB-NB中指示接入受制於接入類別限制並且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發起的信令或數據時進行接入禁止檢查。或恢復RRC連接。商業上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關聯的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯的位，則禁止訪問該單元。然後，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實際禁止狀態。請注意，對於某些特殊數據，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決於SIB14-NB設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閒資源，eNB會回覆RRCConnectionReject。然後，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由於太多UE同時啟動網絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用於恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用於後續恢復請求。

4.5.2 RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發起，如圖4-7所示。

對於用戶平面CIoT EPS優化，eNB可以在此指示與rrcSuspend標誌的連接的暫停。 在這種情況下，UE存儲AS上下文並且可以如上所述請求RRC連接恢復，否則AS上下文被刪除並且UE可以僅使用完整的RRC連接建立來獲得另一個RRC連接。

在該過程完成之後，UE進入RRC_IDLE狀態。

4.6 UE能力轉移

當UE連接到網絡時，eNB既不知道UE建立在哪個版本上，也不知道其中支持的可選特徵中的哪個。 為了獲得此信息，定義了UE Capability Transfer procudure，如圖4-8所示：

UE能力傳輸總是由eNB發起，因為UE不能知道eNB是否已經來自網絡或來自先前會話的該信息。

這些功能包括UE構建的版本，UE類別，支持的頻段列表以及建立多個承載的能力。 另外，UE可以指示其是否支持UL中的多載波操作和多音調傳輸。 此外，可以包含最大數量的RoHC上下文會話和支持的配置文件。該消息通常比相應的LTE消息小得多，因為省略了NB-IoT中不支持的所有LTE特徵，如進一步的接入技術或載波聚合。

4.7 尋呼

尋呼用於觸發RRC連接並指示用於處於RRC_IDLE模式的UE的系統信息的改變。

尋呼消息通過NPDSCH發送，並且可以包含要被尋呼的UE的列表和信息，無論尋呼是用於連接建立還是系統信息已經改變。在該列表中找到其ID的每個UE將其被尋呼的前向層轉發到其上層，並且可以依次接收用於初始化RRC連接的命令。如果系統信息已經改變，則UE開始讀取SIB1-NB並且可以從那裡獲得信息，必須再次讀取哪些SIB。

處於RRC_IDLE狀態的UE僅監視關於尋呼的一些SF，無線電幀子集內的尋呼時機（PO），尋呼幀（PF）。如果應用覆蓋增強重複，則PO指的是重複內的第一次傳輸。PF和PO由SIB2-NB中提供的DRX週期和USIM卡提供的IMSI確定。DRX是用於節省電池壽命的DL控制信道的不連續接收。支持128,256,512和1024個無線電幀的週期，對應於1.28s和10.24s之間的時間間隔。

由於確定PF和PO的算法也取決於IMSI，不同的UE具有不同的尋呼時機，其在時間上均勻分佈。UE足以監視DRX週期內的一個尋呼時機，如果其中存在多個尋呼時機，則在它們中的每一箇中重複尋呼。

擴展DRX（eDRX）的概念也可以應用於NB-IoT。這是使用第3.2.1章“幀和時隙結構”中概述的超幀來完成的。如果支持eDRX，則UE不監視尋呼消息的時間間隔可能會大大延長，向上差不多3小時。相應地，UE必須知道在哪個HFN以及該HFN內的哪個時間間隔，尋呼時間窗口（PTW），它必須監視尋呼。PTW由啟動和停止SFN定義。在PTW內，PF和PO的確定以與未擴展DRX相同的方式完成。

5 數據傳輸

如第2.2.1章“核心網絡”中所述，數據傳輸有兩種方式，即控制平面CIoT EPS優化和用戶平面CIoT EPS優化。 MME表示支持每個優化。 對於移動始發數據，UE可以在支持的選項中進行選擇。 對於移動終止數據，MME選擇優化並且可以考慮UE優先級，其在附連過程中用信號通知網絡。

5.1 控制平面CIoT EPS優化

對於控制平面CIoT EPS優化，UE和eNB之間的數據交換在RRC級別完成。 在DL中，數據分組可以捎帶在RRCConnectionSetup消息中或RRCConnectionSetupComplete消息中的UL中。 如果這還不夠，可以使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer這兩個消息繼續數據傳輸：

所有這些消息中包含一個包含NAS信息的字節數組，在這種情況下，它對應於NB-IoT數據包。 因此，它對eNB是透明的，並且UE的RRC將所接收的DLInformationTransfer的內容直接轉發到其上層。 在eNB和MME之間，通過S1-MME接口交換dedicatedInfoNAS。

對於此數據傳輸方法，不應用AS級別的安全性。 由於也沒有RRC連接重新配置，它可以分別在RRC連接建立或恢復過程之後或期間立即開始。 當然，必須在RRC連接釋放之後終止RRC連接。

5.2 用戶平面CIoT EPS優化

在用戶平面CIoT中，EPS優化數據通過網絡在傳統用戶平面上傳輸，即eNB將數據轉發到S-GW或從該節點接收數據。 為了保持UE複雜度低，可以同時僅配置一個或兩個DRB。

必須區分兩種情況：當先前的RRC連接被釋放且指示可能的恢復操作時，請參見第4.5.2節“RRC連接釋放”，可以請求連接作為恢復過程，如圖4-5。 如果此恢復過程成功，則使用更新的密鑰建立安全性，並且像在先前的連接中那樣設置無線承載。 如果沒有先前釋放的恢復指示，或者如果eNB不接受恢復請求，則必須建立安全性和無線電承載，如下一節所示。

5.2.1 數據連接的建立和配置

建立RRC連接後，如圖4-4或圖4-6所示，第一步是建立AS級安全性。 這是通過初始安全激活過程完成的：

在SecurityModeCommand消息中，eNB向UE提供要應用於SRB1和DRB的加密算法，以及用於保護SRB1的完整性保護算法。 為LTE定義的所有算法也包括在NB-IoT中。 使用此消息，SRB1bis會自動更改為SRB1，SRB1用於以下控制消息。

激活安全性後，使用RRC連接重新配置過程設置DRB：

在重新配置消息中，eNB向UE提供無線承載，包括RLC和邏輯信道的配置。 後者包括用於根據實際要求平衡數據傳輸的優先級。 PDCP僅配置為DRB，因為SRB僅使用默認值。

在所包括的MAC配置中，提供緩衝器狀態報告（BSR），調度請求（SR），時間對準和DRX的配置。 最後，物理配置提供了將數據映射到時隙和頻率的必要參數。

5.2.2 多載波配置

RRCConnectionReconfiguration可以包含UL和DL中的附加載波的設置，非錨定載波。

當在DL中提供非錨定載波時，UE將接收該頻率上的所有數據。這排除了僅在錨載波上接收的同步，廣播信息和尋呼。可以提供指示允許的DL SF的位圖。非錨定載波可以包含相當多的SF用於數據，因為它不需要同步和廣播信息。

一旦配置了非錨定載波，UE就在其處於RRC_CONNECTED狀態時單獨監聽該錨定載波。因此，UE僅需要一個接收器鏈。

在UL中，同樣的原則適用。如果配置了額外的UL載波，則UE僅將該一個用於數據傳輸，在該載波和錨載波中不存在同時傳輸。

對於DL和UL兩者，當UE被釋放到RRC_IDLE狀態時，UE返回到其錨定載波。

調度示例如圖5-4所示：

UE1配置有錨載波，UE2與DL和UL中的其他載波，以及UE3僅在DL上具有不同的載波。為簡單起見，該圖既不考慮下一節中解釋的NPDCCH週期，也不考慮DL數據不允許的SF。它只能以示意圖的方式解釋。

即使在帶內操作中，分配的DL載波也不限於表3-1中所示的值。該限制僅適用於那些發送NPSS，NSSS和NPBCH的載波，即可用作錨載波的載波。對於提供的DL頻率，允許所有載波。

該結構允許推出NB-IoT寬帶網絡，儘管每個UE僅具有一個具有窄帶寬可用的發送器/接收器鏈。同步，DL中廣播和UL中的NPRACH資源的開銷可以限於一個或視圖對的載波，而其他的可以完全用於數據傳輸。由於接收和發送從不同時進行並且總是分別限制在一個頻帶，因此UE僅具有一個帶寬為180kHz的發送器/接收器鏈就足夠了。

5.2.3 接收控制信道

在RRC連接狀態中，UE僅監視UE特定搜索空間（USS）以獲得其UL授權和DL指派。 重新配置消息包含最大重複次數，其範圍從1到2048，以2為2的冪。但是，實際重複次數可能更小，如下表所示：

"

本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband Internet of Things Whitepaper。本文僅限於個人學習，研究，交流，不得用於其他商業用途！

摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯網（NBIoT）。 NB-IoT針對機器類型流量進行了優化。 它保持儘可能簡單，以降低設備成本並最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用於在困難的無線電條件下工作，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區域。 儘管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前LTE規範的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術，重點是與LTE的緊密連接。

目 錄

1 簡介

2 物理層

3 小區訪問

4 數據傳輸

5 摘要和展望

6 參考文獻

1 簡介

機器類型通信（MTC）的一個特徵是廣泛的功能。 例如，監控攝像機必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數據，而用於車隊跟蹤的設備在執行大量切換時具有少量數據。

另一類設備既沒有這些功能。 例如，用於抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優化的切換。 通常只傳輸少量數據，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統設備相比，這些MTC設備的數量可能變得非常大，甚至達到幾個數量級。 使用現有的LTE技術會導致網絡過載，因為儘管用戶數據量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規範集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經過培訓的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設備的壽命。 因此，優化的功耗對於正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內覆蓋範圍，認為必要時高達23 dB。

由於需要大量的設備，因此必須處於低成本範圍內。 作為目標，每個模塊的價格範圍應小於5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項目。 除了上述功能之外，主要要求是與現有GSM，UMTS和LTE系統以及用於這些技術的硬件共存。

已經從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中後者基於GSM標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續在第12版中進行的優化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向後兼容。通過指定從現有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現共存。

白皮書的結構如下：我們首先概述更具體的要求和網絡架構，並提供物理層的詳細信息。在描述了對單元的訪問之後，我們展示瞭如何通過空中接口傳輸數據包。最後，給出了該技術進一步發展的展望。

2 概 述

2.1 要求

根據前一章提到的一般MTC要求，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：

●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口

●對整個系統（包括核心網絡）的適當安全性

●延長電池壽命

●支持IP和非IP數據的傳送[2,3]

●支持SMS作為部署選項[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處於連接狀態的UE缺少切換。 僅支持空閒狀態下的小區重選，甚至限制在NB-IoT技術內。 由於沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用於設備內共存的干擾避免，以及用於監控信道質量的測量。

大多數LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-IoT不用於延遲敏感數據包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務，例如實時IMS。 根據這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應用創建一個空中接口，用於小型非延遲敏感數據包的空中接口被分開並單獨優化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2 網絡

2.2.1 核心網

為了嚮應用程序發送數據，定義了演進分組系統（EPS）中的蜂窩物聯網（CIoT）的兩種優化，用戶平面CIoT EPS優化和控制平面CIoT EPS優化，見圖2-1。 可以使用兩種優化，但不限於NB-IoT設備。

在控制平面CIoT EPS優化上，UL數據從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那裡，它們可以通過服務網關（SGW）傳輸到分組數據網絡網關（PGW），或者傳輸到服務能力暴露功能（SCEF），然而這隻能用於非IP數據分組。從這些節點開始，它們最終被轉發到應用服務器（CIoT服務）。DL數據在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數據無線電承載，而是在信令無線電承載上發送數據分組。因此，該解決方案最適合於不頻繁和小數據分組的傳輸。

SCEF是專為機器類型數據設計的新節點。它用於通過控制平面傳送非IP數據，併為網絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，發現和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優化，數據以與傳統數據業務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸到應用服務器。因此，它在構建連接時產生一些開銷，但是它有助於發送一系列數據包。此路徑支持IP和非IP數據傳輸。

2.2.2 接入網

在整體接入網架構上，LTE沒有區別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區別在於攜帶NB-IoT消息和數據分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進入空閒狀態後能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個eNB的情況。

2.3 頻段

對於頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數頻率都在現有LTE頻段的較低範圍內。 這反映出對於機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3 物理層

3.1 操作模式

NB-IoT技術佔用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應於LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：

●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側仍然保留10 kHz的保護間隔

●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內未使用的資源塊

●利用LTE載波內的資源塊的帶內操作

這些模式在下圖中可視化：

對於獨立操作，圖中右側的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，並非所有頻率（即，LTE載波內的資源塊）都被允許用於小區連接。 它們僅限於以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內操作。 當為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統使用的資源之間的衝突，例如小區特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內部資源塊反映在表3-1中，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對於保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應於正常覆蓋，CE級別2對應於最壞情況，其中覆蓋範圍可能會被認為是非常貧窮。它取決於網絡，定義了多少個CE級別。對於每個CE級，在小區中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重複多次。

對於版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，並且UE接收或發送，但不是同時接收或發送。另外，在從UL到DL的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（SF），其中UE有時間切換其發送器和接收器鏈。

3.2 下行鏈路

對於DL，三個物理信道

●NPBCH，窄帶物理廣播信道

●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道

●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號

●NRS，窄帶參考信號

●NPSS和NSSS，

定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩餘的信令信息和數據通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數據傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調製的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進行操作。 對於後一種情況，應用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區具有指定的物理小區ID（PCI），即窄帶物理小區ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節“同步信號”。

3.2.1 框架和槽結構

在DL中，使用具有正常循環前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式佔用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網格[9]：

對於一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網格，這對於帶內操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，並在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據調製方案的值的複數值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結為子幀和無線電幀：

有1024個循環重複的無線電幀，每個持續10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統幀週期的數量進行計數，即，每當系統幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數器，因此超幀週期跨越1024個系統幀週期，對應於幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2 窄帶參考信號

窄帶參考信號（NRS）在所有可用於廣播或專用DL傳輸的SF中傳輸，無論數據是否實際傳輸，請參見第3.2.5節“專用信道”瞭解更多詳細信息。

根據傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創建類似於LTE中的CRS，其中NCellID用於PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率範圍內由NCellID mod 6循環移位。 當在兩個AP上發送NRS時，則在AP0上用於NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設置為零，反之亦然。

對於帶內操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發送，用於不用於MBSFN的SF。利用NRS的結構，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內操作的一個重點是NcellID。它可以與用於嵌入LTE小區的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數指示，請參見第3.2.4節“窄帶物理廣播信道”，它區分帶內操作與同一PCI的真或假。如果該參數設置為真，則NCellID和PCI相同，並且UE可以假設天線端口的數量與LTE小區中的相同。然後可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關聯，並且CRS端口1與NRS端口1相關聯。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不採取任何這些假設。

3.2.3 同步信號

對於幀和子幀中的第一同步並且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結構如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因為當NB-IoT以帶內模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護時間適用於所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規定，哪個天線端口用於同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用於NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關於小區的信息。它在每個無線電幀的SF5中發送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進制加擾並根據無線電幀號循環移位。NCellID是一個額外的輸入參數，因此可以從序列中導出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數無線電幀的最後SF中發送。

對於帶內操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節中描述的NPBCH只能在PRB上進行，如表3-1所示。選擇用於接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結構，UE不能將NB同步信號與LTE系統發送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，並且具有任一技術的UE被自動路由到正確的頻率範圍。

3.2.4 窄帶物理廣播信道

NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，並且在640ms的時間段內發送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：

●4位表示系統幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩餘的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出

●2比特，表示超幀號的兩個LSB

●4位用於SIB1-NB調度和大小

●5位表示系統信息值標籤

●1位，表示是否應用了訪問類限制

●7位表示具有模式特定值的操作模式

●11個備用位，用於將來擴展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之後，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發送，並分別在接下來的7個連續無線電幀的SF0中重複。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執行相同的過程。 繼續該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用於所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸衝突。

NPBCH的SF結構如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 頻率範圍內的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 儘管NCellID在帶內操作中可能與PCI不同，但是其範圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率範圍內的CRS的循環移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能衝突。

3.2.5 專用頻道

控制和共享信道的原理也適用於NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 並非所有SF都可以用於傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以週期性方式應用。 對於SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1 控制信道NPDCCH

NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數據，在哪裡找到它們以及它們重複的頻率。 此外，在其中提供UL授權，示出UE將用於UL中的數據傳輸的資源。 最後，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設計如下圖所示：

用於NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，並且還圍繞CRS（紫色）進行帶內操作。 參數lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區域大小）指示OFDM起始符號。 這種方式可以避免帶內操作與LTE控制信道的衝突。 對於保護頻帶和獨立操作模式，控制區域大小默認為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：

●NPDCCH格式0採用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內傳輸。

●NPDCCH格式1同時採用NCCE。

為了使UE以合理的解碼複雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用於分頁

●Type-2公共搜索空間，用於隨機訪問

●UE特定的搜索空間

每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重複若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI），一個用於隨機接入（RA-RNTI），一個用於尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，並且如果找到，則對NPDCCH進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對於利用RA-RNTI對CRC進行加擾的情況，內容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調度延遲，即NPDCCH結束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對於經由DCI格式N2的DL傳輸，調度延遲固定為10SF。

3.2.5.2 業務信道NPDSCH

NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結構。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，並圍繞NRS映射，並且對於帶內操作，映射為LTE CRS。lNstart由用於帶內操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大小（TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重複傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續SF。

對於DL，沒有對傳輸的自動確認，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發送確認，參見章節3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節“多載波配置”，這意味著當UE處於連接狀態時可以使用另一個載波。在空閒狀態中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關UL載波中發送前導碼，在那裡等待尋呼或開始對移動始發數據或信令的接入。

SIB1-NB傳輸

SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的週期，重複4,8或16次。傳輸塊大小和重複次數在MIB-NB中指示。可以進行4,8或16次重複，並且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重複次數和NCellID確定。SF4用於傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由於其他傳輸參數也是固定的，因此控制信道中沒有相關的指示。

SIB1-NB內容可以僅在每個修改週期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應於4個SFN週期，這就是為什麼在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

儘管通過NPDSCH發送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因為UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3 上行鏈路

對於上行鏈路（UL），兩個物理信道

●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道

●NPRACH，窄帶物理隨機接入信道和

●定義DMRS，解調參考信號。

物理信道與相關傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數據都通過NPUSCH發送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發送。 因此，沒有相當於LTE中的PUCCH。

3.3.1 時隙結構

在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用15kHz子載波間隔時，UL的資源網格與DL的資源網格相同，請參見圖3-3。 對於3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網格具有修改的結構：

同樣在一個時隙內有7個OFDM符號。 根據OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續時間是15kHz的持續時間的四倍，這導致時隙長度為2ms。

3.3.2 物理上行鏈路共享信道

在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用於UL-SCH上的UL傳輸信道數據，傳輸塊不大於1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限於DL傳輸的確認。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決於PUSCH格式和子載波間隔。

對於NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率範圍中的1個子載波和時間範圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對於NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對於3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續時間並且對於15kHz子載波間隔2ms。

對於NPUSCH格式2，調製方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調製取決於所選的RU：

●對於具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK

●對於所有其他RU，應用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用於UL-SCH傳輸的許可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重複次數，用於一個傳輸塊的RU的數量，以及包括它們在頻率範圍中的位置的子載波的數量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調製方案，另外，與RU的數量一起，提供傳輸塊大小。

最後，通過應用逆傅里葉變換並且在循環前綴（CP）之前預先創建時間信號。 對於15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對於3.75kHz，它是256個樣本，對應於8.3μs。 對於後一種情況，每個時隙結束時的2304個採樣（75μs）的週期保持為空，這用作保護間隔。 對於帶內操作，該保護間隔可以用於在LTE系統中發送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應該確認傳輸的情況下，在相關DL中總是存在確認。

3.3.3 參考信號

在UL中，定義瞭解調參考信號（DMRS）。 它與數據複用，因此它僅在包含數據傳輸的RU中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。

根據NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發送。 對於NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標記的符號。

從該圖中可以看出，用於DMRS傳輸的SC-FDM符號取決於子載波間隔。 對於圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構成。 它們具有與相關數據相同的調製。 對於NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進行擴展。

3.3.4 隨機接入信道

在隨機接入信道NPRACH中，發送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機接入過程可用於向小區發信號通知UE駐留在其上並希望獲得接入。

前導碼基於單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環前綴（CP），後跟5個符號。 以下結構顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續時間為TSEQ = 1.333 ms，對於格式0，CP為TCP =67μs，對於格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導碼格式在系統信息中廣播。

前導碼由無間隙發送的4個符號組組成。跳頻應用於符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發送。通過構造，該跳躍被限制為連續的12個子載波集。取決於覆蓋水平，小區可以指示UE將在每次重複時使用相同的傳輸功率重複前導碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，並且週期性地發生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH週期。它們在一段時間內的開始時間在系統信息中提供。重複次數和前導碼格式決定了它們的結束。

在頻率範圍內，應用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源佔用12,24,36或48個子載波的連續集合，並且位於一組離散的子載波範圍上。取決於小區配置，資源可以進一步劃分為由支持msg3的多音傳輸的UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重複至少4次的前導碼的示例。這裡，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重複由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸的情況提供，則UE選擇用於傳輸第一前導碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決於第一個符號的位置。對於下一次重複的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重複次數用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決於該結果。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決於子載波位置。對載波頻率的調製和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4 功率控制

3.4.1 上行鏈路

在UL中，發射功率取決於小區特定參數，所選RU和UE測量參數的組合[11]。 對於最多重複2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重複次數超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區特定最大發射功率。利用上述結構，發射功率可能永遠不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決於所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數的組合，這取決於傳輸塊是用於UL-SCH數據（j = 1）還是用於RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權，對於NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

3.4.2 下行鏈路

DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對於攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恆定的。

對於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發射功率取決於傳輸方案。如果僅應用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內操作模式並且samePCI值設置為true，則會出現特殊情況。然後，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進行信道估計。

4 小區訪問

當UE接入小區時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當的頻率上搜索小區，讀取相關的SIB信息，並開始隨機接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網絡註冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態之後，如果它具有要發送的移動始發數據，則它可以再次使用隨機接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1 協議棧和信令承載

協議層的一般原則是從LTE協議開始，將它們降低到最小，並根據NB-IoT的需要增強它們。這樣，重複使用經過驗證的結構和過程，同時防止來自未使用的LTE特徵的開銷。因此，從協議棧的角度來看，NB-IoT技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

其一個例子是承載結構。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用於通過CCCH邏輯信道發送的RRC消息的SRB0，以及用於使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然後不再使用SRB1bis。這也意味著對於控制平面CIoT EPS優化，根本不使用SRB1bis，因為在此模式下沒有安全激活。

協議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優化的功能：

4.2 系統信息

與LTE類似，系統信息用於廣播對小區內的所有UE有效的信息。 由於廣播系統信息佔用資源並導致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現的大小。

因此，定義了一組系統信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用後綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內操作的情況下，UE也專門使用這些SIB並忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統信息獲取和改變過程僅應用於RRC_IDLE狀態。 期望UE在處於RRC_CONNECTED狀態時讀取SIB信息。 如果發生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態以獲取修改的系統信息。

4.2.1 調度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進行傳輸。剩餘SIB信息的調度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然後在單獨的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，並且對於所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內，SI消息通過2或8個連續有效DL SF發送，具體取決於它們的傳輸塊大小，並且可以重複多次。 調度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示並且不需要SI-RNTI。

4.2.2 變更通知

如“SIB1-NB傳輸”中已經提到的，系統信息可能僅在修改週期的時間邊界處改變並且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點改變。這種例外背後的原因是AB參數可能需要在更短的時間範圍內改變。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用於UE從覆蓋範圍外的位置返回到覆蓋範圍以及從更長的DRX週期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標籤。如果存在SIB更改，則會修改值標記。但是，如果超過24小時超出覆蓋範圍，則UE必須始終讀取系統信息。

4.2.3 總結SIB採集

UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重複次數，並且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最後，藉助於從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標籤或通過尋呼指示SIB改變。

4.3 小區選擇和移動性

NB-IoT設計用於UE和網絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區服務的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區改變，則UE首先進入RRC_IDLE狀態並重新選擇其中的另一個小區。

對於RRC_IDLE狀態，為頻率內和頻率間小區定義小區重選[12]。這裡，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區，UE首先測量NRS的接收功率和質量。然後將這些值與SIB-NB提供的小區特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高於這些閾值，則UE認為自己處於該小區的覆蓋範圍內。如果UE處於一個小區的覆蓋範圍內，則駐留在其上。

取決於所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區重選。UE將該功率與重選閾值進行比較，該重選閾值對於頻率內和頻率間情況可以是不同的。從實際服務小區接收所有必需參數，不需要從其他小區讀取SIB-NB。

在滿足S標準的所有小區中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區進行排名。在該過程中添加滯後以防止過於頻繁的小區重選，並且還可以針對頻率內情況應用小區特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區，即，它可以從其接收正常服務。

當UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嚐試找到合適小區的頻率。僅當UE在該頻率上沒有找到合適的小區時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區。

4.4 隨機訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數[13]：

對於NB-IoT，RACH過程始終基於競爭，並從第3.3.4節“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之後，發送調度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最後將相關的爭用解決消息發送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發送前導碼時，UE首先根據傳輸時間計算其RA-RNTI。然後在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內的該消息，其在最後的前導碼SF之後開始3個SF並且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

如果前導碼傳輸不成功，即沒有接收到相關聯的隨機接入響應（RAR）消息，則UE發送另一個消息。這可以達到最大數量，這又取決於CE級別。對於未成功達到該最大數量的情況，如果配置了該級別，則UE前進到下一個CE級別。如果達到訪問嘗試的總次數，則向RRC報告相關的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經是時間對齊的，這對於通過NPUSCH進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用於msg3傳輸的所有相關數據。

其餘過程如同在LTE中那樣完成，即UE發送標識，並且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機接入過程被成功完成。

4.5 連接控制

由於系統不支持切換到不同的技術，RRC的狀態模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉換到相關的UTRA和GSM狀態，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE被視為不同的RAT。

4.5.1 RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網絡以及用於什麼目的。此建立原因僅限於移動始發信令，移動始發數據，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因為在NB-IoT中，假設所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調業務和多載波支持的能力。儘管這些功能通常在自己的過程中發出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發出信號，以便eNB可以將其應用於此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達2個數據無線電承載（DRB）和協議的配置。最後，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，並且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優化建立連接之後，以與具有僅限於NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對於控制平面CIoT EPS優化，不應用這些過程。

當eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉換到RRC_IDLE狀態並存儲當前AS上下文。它可以稍後恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態。自動設置無線承載，並使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內容。顯然，這為不頻繁的小數據分組的傳輸節省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當UE被配置用於用戶平面CIoT EPS優化並且配置有至少一個DRB時，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，並且不再可能為稍後的連接恢復該AS上下文。

當eNB在MIB-NB中指示接入受制於接入類別限制並且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發起的信令或數據時進行接入禁止檢查。或恢復RRC連接。商業上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關聯的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯的位，則禁止訪問該單元。然後，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實際禁止狀態。請注意，對於某些特殊數據，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決於SIB14-NB設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閒資源，eNB會回覆RRCConnectionReject。然後，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由於太多UE同時啟動網絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用於恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用於後續恢復請求。

4.5.2 RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發起，如圖4-7所示。

對於用戶平面CIoT EPS優化，eNB可以在此指示與rrcSuspend標誌的連接的暫停。 在這種情況下，UE存儲AS上下文並且可以如上所述請求RRC連接恢復，否則AS上下文被刪除並且UE可以僅使用完整的RRC連接建立來獲得另一個RRC連接。

在該過程完成之後，UE進入RRC_IDLE狀態。

4.6 UE能力轉移

當UE連接到網絡時，eNB既不知道UE建立在哪個版本上，也不知道其中支持的可選特徵中的哪個。 為了獲得此信息，定義了UE Capability Transfer procudure，如圖4-8所示：

UE能力傳輸總是由eNB發起，因為UE不能知道eNB是否已經來自網絡或來自先前會話的該信息。

這些功能包括UE構建的版本，UE類別，支持的頻段列表以及建立多個承載的能力。 另外，UE可以指示其是否支持UL中的多載波操作和多音調傳輸。 此外，可以包含最大數量的RoHC上下文會話和支持的配置文件。該消息通常比相應的LTE消息小得多，因為省略了NB-IoT中不支持的所有LTE特徵，如進一步的接入技術或載波聚合。

4.7 尋呼

尋呼用於觸發RRC連接並指示用於處於RRC_IDLE模式的UE的系統信息的改變。

尋呼消息通過NPDSCH發送，並且可以包含要被尋呼的UE的列表和信息，無論尋呼是用於連接建立還是系統信息已經改變。在該列表中找到其ID的每個UE將其被尋呼的前向層轉發到其上層，並且可以依次接收用於初始化RRC連接的命令。如果系統信息已經改變，則UE開始讀取SIB1-NB並且可以從那裡獲得信息，必須再次讀取哪些SIB。

處於RRC_IDLE狀態的UE僅監視關於尋呼的一些SF，無線電幀子集內的尋呼時機（PO），尋呼幀（PF）。如果應用覆蓋增強重複，則PO指的是重複內的第一次傳輸。PF和PO由SIB2-NB中提供的DRX週期和USIM卡提供的IMSI確定。DRX是用於節省電池壽命的DL控制信道的不連續接收。支持128,256,512和1024個無線電幀的週期，對應於1.28s和10.24s之間的時間間隔。

由於確定PF和PO的算法也取決於IMSI，不同的UE具有不同的尋呼時機，其在時間上均勻分佈。UE足以監視DRX週期內的一個尋呼時機，如果其中存在多個尋呼時機，則在它們中的每一箇中重複尋呼。

擴展DRX（eDRX）的概念也可以應用於NB-IoT。這是使用第3.2.1章“幀和時隙結構”中概述的超幀來完成的。如果支持eDRX，則UE不監視尋呼消息的時間間隔可能會大大延長，向上差不多3小時。相應地，UE必須知道在哪個HFN以及該HFN內的哪個時間間隔，尋呼時間窗口（PTW），它必須監視尋呼。PTW由啟動和停止SFN定義。在PTW內，PF和PO的確定以與未擴展DRX相同的方式完成。

5 數據傳輸

如第2.2.1章“核心網絡”中所述，數據傳輸有兩種方式，即控制平面CIoT EPS優化和用戶平面CIoT EPS優化。 MME表示支持每個優化。 對於移動始發數據，UE可以在支持的選項中進行選擇。 對於移動終止數據，MME選擇優化並且可以考慮UE優先級，其在附連過程中用信號通知網絡。

5.1 控制平面CIoT EPS優化

對於控制平面CIoT EPS優化，UE和eNB之間的數據交換在RRC級別完成。 在DL中，數據分組可以捎帶在RRCConnectionSetup消息中或RRCConnectionSetupComplete消息中的UL中。 如果這還不夠，可以使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer這兩個消息繼續數據傳輸：

所有這些消息中包含一個包含NAS信息的字節數組，在這種情況下，它對應於NB-IoT數據包。 因此，它對eNB是透明的，並且UE的RRC將所接收的DLInformationTransfer的內容直接轉發到其上層。 在eNB和MME之間，通過S1-MME接口交換dedicatedInfoNAS。

對於此數據傳輸方法，不應用AS級別的安全性。 由於也沒有RRC連接重新配置，它可以分別在RRC連接建立或恢復過程之後或期間立即開始。 當然，必須在RRC連接釋放之後終止RRC連接。

5.2 用戶平面CIoT EPS優化

在用戶平面CIoT中，EPS優化數據通過網絡在傳統用戶平面上傳輸，即eNB將數據轉發到S-GW或從該節點接收數據。 為了保持UE複雜度低，可以同時僅配置一個或兩個DRB。

必須區分兩種情況：當先前的RRC連接被釋放且指示可能的恢復操作時，請參見第4.5.2節“RRC連接釋放”，可以請求連接作為恢復過程，如圖4-5。 如果此恢復過程成功，則使用更新的密鑰建立安全性，並且像在先前的連接中那樣設置無線承載。 如果沒有先前釋放的恢復指示，或者如果eNB不接受恢復請求，則必須建立安全性和無線電承載，如下一節所示。

5.2.1 數據連接的建立和配置

建立RRC連接後，如圖4-4或圖4-6所示，第一步是建立AS級安全性。 這是通過初始安全激活過程完成的：

在SecurityModeCommand消息中，eNB向UE提供要應用於SRB1和DRB的加密算法，以及用於保護SRB1的完整性保護算法。 為LTE定義的所有算法也包括在NB-IoT中。 使用此消息，SRB1bis會自動更改為SRB1，SRB1用於以下控制消息。

激活安全性後，使用RRC連接重新配置過程設置DRB：

在重新配置消息中，eNB向UE提供無線承載，包括RLC和邏輯信道的配置。 後者包括用於根據實際要求平衡數據傳輸的優先級。 PDCP僅配置為DRB，因為SRB僅使用默認值。

在所包括的MAC配置中，提供緩衝器狀態報告（BSR），調度請求（SR），時間對準和DRX的配置。 最後，物理配置提供了將數據映射到時隙和頻率的必要參數。

5.2.2 多載波配置

RRCConnectionReconfiguration可以包含UL和DL中的附加載波的設置，非錨定載波。

當在DL中提供非錨定載波時，UE將接收該頻率上的所有數據。這排除了僅在錨載波上接收的同步，廣播信息和尋呼。可以提供指示允許的DL SF的位圖。非錨定載波可以包含相當多的SF用於數據，因為它不需要同步和廣播信息。

一旦配置了非錨定載波，UE就在其處於RRC_CONNECTED狀態時單獨監聽該錨定載波。因此，UE僅需要一個接收器鏈。

在UL中，同樣的原則適用。如果配置了額外的UL載波，則UE僅將該一個用於數據傳輸，在該載波和錨載波中不存在同時傳輸。

對於DL和UL兩者，當UE被釋放到RRC_IDLE狀態時，UE返回到其錨定載波。

調度示例如圖5-4所示：

UE1配置有錨載波，UE2與DL和UL中的其他載波，以及UE3僅在DL上具有不同的載波。為簡單起見，該圖既不考慮下一節中解釋的NPDCCH週期，也不考慮DL數據不允許的SF。它只能以示意圖的方式解釋。

即使在帶內操作中，分配的DL載波也不限於表3-1中所示的值。該限制僅適用於那些發送NPSS，NSSS和NPBCH的載波，即可用作錨載波的載波。對於提供的DL頻率，允許所有載波。

該結構允許推出NB-IoT寬帶網絡，儘管每個UE僅具有一個具有窄帶寬可用的發送器/接收器鏈。同步，DL中廣播和UL中的NPRACH資源的開銷可以限於一個或視圖對的載波，而其他的可以完全用於數據傳輸。由於接收和發送從不同時進行並且總是分別限制在一個頻帶，因此UE僅具有一個帶寬為180kHz的發送器/接收器鏈就足夠了。

5.2.3 接收控制信道

在RRC連接狀態中，UE僅監視UE特定搜索空間（USS）以獲得其UL授權和DL指派。 重新配置消息包含最大重複次數，其範圍從1到2048，以2為2的冪。但是，實際重複次數可能更小，如下表所示：

對於實際重複次數小於其最大次數的情況，剩餘的SF可以用於向另一個UE發送不同的NPDCCH。 例如，如果最大重複次數是4，則所有SF可以包含一個UE的DCI，或者兩個SF可以分別用於兩個UE中的每一個，或者每個SF用於不同的UE。 當然，UE必須監視所有這些候選者。

重配置消息還包含用於描述NPDCCH週期的參數。 關於此期間的開始，USS在開始時或在週期長度的1 / 8,1 / 4或3/8的偏移處開始。

5.2.4 傳輸UL數據信道

DCI格式N0指示用於在NPUSCH上傳輸的UL許可，包括所有相關參數。 一個傳輸塊可以重複多次。 重複的安排取決於一個RU的子載波的數量，子載波間隔和重複的數量。 首先應該用圖5-5所示的例子來說明：

"

本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband Internet of Things Whitepaper。本文僅限於個人學習，研究，交流，不得用於其他商業用途！

摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯網（NBIoT）。 NB-IoT針對機器類型流量進行了優化。 它保持儘可能簡單，以降低設備成本並最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用於在困難的無線電條件下工作，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區域。 儘管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前LTE規範的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術，重點是與LTE的緊密連接。

目 錄

1 簡介

2 物理層

3 小區訪問

4 數據傳輸

5 摘要和展望

6 參考文獻

1 簡介

機器類型通信（MTC）的一個特徵是廣泛的功能。 例如，監控攝像機必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數據，而用於車隊跟蹤的設備在執行大量切換時具有少量數據。

另一類設備既沒有這些功能。 例如，用於抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優化的切換。 通常只傳輸少量數據，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統設備相比，這些MTC設備的數量可能變得非常大，甚至達到幾個數量級。 使用現有的LTE技術會導致網絡過載，因為儘管用戶數據量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規範集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經過培訓的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設備的壽命。 因此，優化的功耗對於正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內覆蓋範圍，認為必要時高達23 dB。

由於需要大量的設備，因此必須處於低成本範圍內。 作為目標，每個模塊的價格範圍應小於5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項目。 除了上述功能之外，主要要求是與現有GSM，UMTS和LTE系統以及用於這些技術的硬件共存。

已經從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中後者基於GSM標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續在第12版中進行的優化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向後兼容。通過指定從現有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現共存。

白皮書的結構如下：我們首先概述更具體的要求和網絡架構，並提供物理層的詳細信息。在描述了對單元的訪問之後，我們展示瞭如何通過空中接口傳輸數據包。最後，給出了該技術進一步發展的展望。

2 概 述

2.1 要求

根據前一章提到的一般MTC要求，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：

●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口

●對整個系統（包括核心網絡）的適當安全性

●延長電池壽命

●支持IP和非IP數據的傳送[2,3]

●支持SMS作為部署選項[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處於連接狀態的UE缺少切換。 僅支持空閒狀態下的小區重選，甚至限制在NB-IoT技術內。 由於沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用於設備內共存的干擾避免，以及用於監控信道質量的測量。

大多數LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-IoT不用於延遲敏感數據包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務，例如實時IMS。 根據這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應用創建一個空中接口，用於小型非延遲敏感數據包的空中接口被分開並單獨優化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2 網絡

2.2.1 核心網

為了嚮應用程序發送數據，定義了演進分組系統（EPS）中的蜂窩物聯網（CIoT）的兩種優化，用戶平面CIoT EPS優化和控制平面CIoT EPS優化，見圖2-1。 可以使用兩種優化，但不限於NB-IoT設備。

在控制平面CIoT EPS優化上，UL數據從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那裡，它們可以通過服務網關（SGW）傳輸到分組數據網絡網關（PGW），或者傳輸到服務能力暴露功能（SCEF），然而這隻能用於非IP數據分組。從這些節點開始，它們最終被轉發到應用服務器（CIoT服務）。DL數據在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數據無線電承載，而是在信令無線電承載上發送數據分組。因此，該解決方案最適合於不頻繁和小數據分組的傳輸。

SCEF是專為機器類型數據設計的新節點。它用於通過控制平面傳送非IP數據，併為網絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，發現和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優化，數據以與傳統數據業務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸到應用服務器。因此，它在構建連接時產生一些開銷，但是它有助於發送一系列數據包。此路徑支持IP和非IP數據傳輸。

2.2.2 接入網

在整體接入網架構上，LTE沒有區別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區別在於攜帶NB-IoT消息和數據分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進入空閒狀態後能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個eNB的情況。

2.3 頻段

對於頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數頻率都在現有LTE頻段的較低範圍內。 這反映出對於機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3 物理層

3.1 操作模式

NB-IoT技術佔用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應於LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：

●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側仍然保留10 kHz的保護間隔

●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內未使用的資源塊

●利用LTE載波內的資源塊的帶內操作

這些模式在下圖中可視化：

對於獨立操作，圖中右側的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，並非所有頻率（即，LTE載波內的資源塊）都被允許用於小區連接。 它們僅限於以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內操作。 當為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統使用的資源之間的衝突，例如小區特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內部資源塊反映在表3-1中，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對於保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應於正常覆蓋，CE級別2對應於最壞情況，其中覆蓋範圍可能會被認為是非常貧窮。它取決於網絡，定義了多少個CE級別。對於每個CE級，在小區中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重複多次。

對於版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，並且UE接收或發送，但不是同時接收或發送。另外，在從UL到DL的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（SF），其中UE有時間切換其發送器和接收器鏈。

3.2 下行鏈路

對於DL，三個物理信道

●NPBCH，窄帶物理廣播信道

●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道

●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號

●NRS，窄帶參考信號

●NPSS和NSSS，

定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩餘的信令信息和數據通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數據傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調製的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進行操作。 對於後一種情況，應用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區具有指定的物理小區ID（PCI），即窄帶物理小區ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節“同步信號”。

3.2.1 框架和槽結構

在DL中，使用具有正常循環前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式佔用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網格[9]：

對於一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網格，這對於帶內操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，並在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據調製方案的值的複數值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結為子幀和無線電幀：

有1024個循環重複的無線電幀，每個持續10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統幀週期的數量進行計數，即，每當系統幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數器，因此超幀週期跨越1024個系統幀週期，對應於幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2 窄帶參考信號

窄帶參考信號（NRS）在所有可用於廣播或專用DL傳輸的SF中傳輸，無論數據是否實際傳輸，請參見第3.2.5節“專用信道”瞭解更多詳細信息。

根據傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創建類似於LTE中的CRS，其中NCellID用於PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率範圍內由NCellID mod 6循環移位。 當在兩個AP上發送NRS時，則在AP0上用於NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設置為零，反之亦然。

對於帶內操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發送，用於不用於MBSFN的SF。利用NRS的結構，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內操作的一個重點是NcellID。它可以與用於嵌入LTE小區的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數指示，請參見第3.2.4節“窄帶物理廣播信道”，它區分帶內操作與同一PCI的真或假。如果該參數設置為真，則NCellID和PCI相同，並且UE可以假設天線端口的數量與LTE小區中的相同。然後可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關聯，並且CRS端口1與NRS端口1相關聯。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不採取任何這些假設。

3.2.3 同步信號

對於幀和子幀中的第一同步並且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結構如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因為當NB-IoT以帶內模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護時間適用於所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規定，哪個天線端口用於同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用於NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關於小區的信息。它在每個無線電幀的SF5中發送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進制加擾並根據無線電幀號循環移位。NCellID是一個額外的輸入參數，因此可以從序列中導出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數無線電幀的最後SF中發送。

對於帶內操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節中描述的NPBCH只能在PRB上進行，如表3-1所示。選擇用於接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結構，UE不能將NB同步信號與LTE系統發送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，並且具有任一技術的UE被自動路由到正確的頻率範圍。

3.2.4 窄帶物理廣播信道

NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，並且在640ms的時間段內發送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：

●4位表示系統幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩餘的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出

●2比特，表示超幀號的兩個LSB

●4位用於SIB1-NB調度和大小

●5位表示系統信息值標籤

●1位，表示是否應用了訪問類限制

●7位表示具有模式特定值的操作模式

●11個備用位，用於將來擴展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之後，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發送，並分別在接下來的7個連續無線電幀的SF0中重複。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執行相同的過程。 繼續該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用於所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸衝突。

NPBCH的SF結構如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 頻率範圍內的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 儘管NCellID在帶內操作中可能與PCI不同，但是其範圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率範圍內的CRS的循環移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能衝突。

3.2.5 專用頻道

控制和共享信道的原理也適用於NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 並非所有SF都可以用於傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以週期性方式應用。 對於SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1 控制信道NPDCCH

NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數據，在哪裡找到它們以及它們重複的頻率。 此外，在其中提供UL授權，示出UE將用於UL中的數據傳輸的資源。 最後，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設計如下圖所示：

用於NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，並且還圍繞CRS（紫色）進行帶內操作。 參數lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區域大小）指示OFDM起始符號。 這種方式可以避免帶內操作與LTE控制信道的衝突。 對於保護頻帶和獨立操作模式，控制區域大小默認為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：

●NPDCCH格式0採用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內傳輸。

●NPDCCH格式1同時採用NCCE。

為了使UE以合理的解碼複雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用於分頁

●Type-2公共搜索空間，用於隨機訪問

●UE特定的搜索空間

每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重複若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI），一個用於隨機接入（RA-RNTI），一個用於尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，並且如果找到，則對NPDCCH進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對於利用RA-RNTI對CRC進行加擾的情況，內容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調度延遲，即NPDCCH結束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對於經由DCI格式N2的DL傳輸，調度延遲固定為10SF。

3.2.5.2 業務信道NPDSCH

NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結構。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，並圍繞NRS映射，並且對於帶內操作，映射為LTE CRS。lNstart由用於帶內操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大小（TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重複傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續SF。

對於DL，沒有對傳輸的自動確認，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發送確認，參見章節3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節“多載波配置”，這意味著當UE處於連接狀態時可以使用另一個載波。在空閒狀態中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關UL載波中發送前導碼，在那裡等待尋呼或開始對移動始發數據或信令的接入。

SIB1-NB傳輸

SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的週期，重複4,8或16次。傳輸塊大小和重複次數在MIB-NB中指示。可以進行4,8或16次重複，並且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重複次數和NCellID確定。SF4用於傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由於其他傳輸參數也是固定的，因此控制信道中沒有相關的指示。

SIB1-NB內容可以僅在每個修改週期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應於4個SFN週期，這就是為什麼在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

儘管通過NPDSCH發送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因為UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3 上行鏈路

對於上行鏈路（UL），兩個物理信道

●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道

●NPRACH，窄帶物理隨機接入信道和

●定義DMRS，解調參考信號。

物理信道與相關傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數據都通過NPUSCH發送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發送。 因此，沒有相當於LTE中的PUCCH。

3.3.1 時隙結構

在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用15kHz子載波間隔時，UL的資源網格與DL的資源網格相同，請參見圖3-3。 對於3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網格具有修改的結構：

同樣在一個時隙內有7個OFDM符號。 根據OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續時間是15kHz的持續時間的四倍，這導致時隙長度為2ms。

3.3.2 物理上行鏈路共享信道

在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用於UL-SCH上的UL傳輸信道數據，傳輸塊不大於1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限於DL傳輸的確認。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決於PUSCH格式和子載波間隔。

對於NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率範圍中的1個子載波和時間範圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對於NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對於3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續時間並且對於15kHz子載波間隔2ms。

對於NPUSCH格式2，調製方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調製取決於所選的RU：

●對於具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK

●對於所有其他RU，應用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用於UL-SCH傳輸的許可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重複次數，用於一個傳輸塊的RU的數量，以及包括它們在頻率範圍中的位置的子載波的數量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調製方案，另外，與RU的數量一起，提供傳輸塊大小。

最後，通過應用逆傅里葉變換並且在循環前綴（CP）之前預先創建時間信號。 對於15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對於3.75kHz，它是256個樣本，對應於8.3μs。 對於後一種情況，每個時隙結束時的2304個採樣（75μs）的週期保持為空，這用作保護間隔。 對於帶內操作，該保護間隔可以用於在LTE系統中發送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應該確認傳輸的情況下，在相關DL中總是存在確認。

3.3.3 參考信號

在UL中，定義瞭解調參考信號（DMRS）。 它與數據複用，因此它僅在包含數據傳輸的RU中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。

根據NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發送。 對於NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標記的符號。

從該圖中可以看出，用於DMRS傳輸的SC-FDM符號取決於子載波間隔。 對於圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構成。 它們具有與相關數據相同的調製。 對於NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進行擴展。

3.3.4 隨機接入信道

在隨機接入信道NPRACH中，發送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機接入過程可用於向小區發信號通知UE駐留在其上並希望獲得接入。

前導碼基於單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環前綴（CP），後跟5個符號。 以下結構顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續時間為TSEQ = 1.333 ms，對於格式0，CP為TCP =67μs，對於格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導碼格式在系統信息中廣播。

前導碼由無間隙發送的4個符號組組成。跳頻應用於符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發送。通過構造，該跳躍被限制為連續的12個子載波集。取決於覆蓋水平，小區可以指示UE將在每次重複時使用相同的傳輸功率重複前導碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，並且週期性地發生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH週期。它們在一段時間內的開始時間在系統信息中提供。重複次數和前導碼格式決定了它們的結束。

在頻率範圍內，應用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源佔用12,24,36或48個子載波的連續集合，並且位於一組離散的子載波範圍上。取決於小區配置，資源可以進一步劃分為由支持msg3的多音傳輸的UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重複至少4次的前導碼的示例。這裡，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重複由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸的情況提供，則UE選擇用於傳輸第一前導碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決於第一個符號的位置。對於下一次重複的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重複次數用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決於該結果。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決於子載波位置。對載波頻率的調製和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4 功率控制

3.4.1 上行鏈路

在UL中，發射功率取決於小區特定參數，所選RU和UE測量參數的組合[11]。 對於最多重複2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重複次數超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區特定最大發射功率。利用上述結構，發射功率可能永遠不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決於所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數的組合，這取決於傳輸塊是用於UL-SCH數據（j = 1）還是用於RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權，對於NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

3.4.2 下行鏈路

DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對於攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恆定的。

對於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發射功率取決於傳輸方案。如果僅應用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內操作模式並且samePCI值設置為true，則會出現特殊情況。然後，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進行信道估計。

4 小區訪問

當UE接入小區時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當的頻率上搜索小區，讀取相關的SIB信息，並開始隨機接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網絡註冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態之後，如果它具有要發送的移動始發數據，則它可以再次使用隨機接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1 協議棧和信令承載

協議層的一般原則是從LTE協議開始，將它們降低到最小，並根據NB-IoT的需要增強它們。這樣，重複使用經過驗證的結構和過程，同時防止來自未使用的LTE特徵的開銷。因此，從協議棧的角度來看，NB-IoT技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

其一個例子是承載結構。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用於通過CCCH邏輯信道發送的RRC消息的SRB0，以及用於使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然後不再使用SRB1bis。這也意味著對於控制平面CIoT EPS優化，根本不使用SRB1bis，因為在此模式下沒有安全激活。

協議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優化的功能：

4.2 系統信息

與LTE類似，系統信息用於廣播對小區內的所有UE有效的信息。 由於廣播系統信息佔用資源並導致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現的大小。

因此，定義了一組系統信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用後綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內操作的情況下，UE也專門使用這些SIB並忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統信息獲取和改變過程僅應用於RRC_IDLE狀態。 期望UE在處於RRC_CONNECTED狀態時讀取SIB信息。 如果發生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態以獲取修改的系統信息。

4.2.1 調度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進行傳輸。剩餘SIB信息的調度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然後在單獨的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，並且對於所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內，SI消息通過2或8個連續有效DL SF發送，具體取決於它們的傳輸塊大小，並且可以重複多次。 調度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示並且不需要SI-RNTI。

4.2.2 變更通知

如“SIB1-NB傳輸”中已經提到的，系統信息可能僅在修改週期的時間邊界處改變並且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點改變。這種例外背後的原因是AB參數可能需要在更短的時間範圍內改變。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用於UE從覆蓋範圍外的位置返回到覆蓋範圍以及從更長的DRX週期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標籤。如果存在SIB更改，則會修改值標記。但是，如果超過24小時超出覆蓋範圍，則UE必須始終讀取系統信息。

4.2.3 總結SIB採集

UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重複次數，並且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最後，藉助於從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標籤或通過尋呼指示SIB改變。

4.3 小區選擇和移動性

NB-IoT設計用於UE和網絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區服務的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區改變，則UE首先進入RRC_IDLE狀態並重新選擇其中的另一個小區。

對於RRC_IDLE狀態，為頻率內和頻率間小區定義小區重選[12]。這裡，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區，UE首先測量NRS的接收功率和質量。然後將這些值與SIB-NB提供的小區特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高於這些閾值，則UE認為自己處於該小區的覆蓋範圍內。如果UE處於一個小區的覆蓋範圍內，則駐留在其上。

取決於所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區重選。UE將該功率與重選閾值進行比較，該重選閾值對於頻率內和頻率間情況可以是不同的。從實際服務小區接收所有必需參數，不需要從其他小區讀取SIB-NB。

在滿足S標準的所有小區中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區進行排名。在該過程中添加滯後以防止過於頻繁的小區重選，並且還可以針對頻率內情況應用小區特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區，即，它可以從其接收正常服務。

當UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嚐試找到合適小區的頻率。僅當UE在該頻率上沒有找到合適的小區時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區。

4.4 隨機訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數[13]：

對於NB-IoT，RACH過程始終基於競爭，並從第3.3.4節“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之後，發送調度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最後將相關的爭用解決消息發送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發送前導碼時，UE首先根據傳輸時間計算其RA-RNTI。然後在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內的該消息，其在最後的前導碼SF之後開始3個SF並且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

如果前導碼傳輸不成功，即沒有接收到相關聯的隨機接入響應（RAR）消息，則UE發送另一個消息。這可以達到最大數量，這又取決於CE級別。對於未成功達到該最大數量的情況，如果配置了該級別，則UE前進到下一個CE級別。如果達到訪問嘗試的總次數，則向RRC報告相關的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經是時間對齊的，這對於通過NPUSCH進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用於msg3傳輸的所有相關數據。

其餘過程如同在LTE中那樣完成，即UE發送標識，並且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機接入過程被成功完成。

4.5 連接控制

由於系統不支持切換到不同的技術，RRC的狀態模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉換到相關的UTRA和GSM狀態，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE被視為不同的RAT。

4.5.1 RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網絡以及用於什麼目的。此建立原因僅限於移動始發信令，移動始發數據，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因為在NB-IoT中，假設所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調業務和多載波支持的能力。儘管這些功能通常在自己的過程中發出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發出信號，以便eNB可以將其應用於此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達2個數據無線電承載（DRB）和協議的配置。最後，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，並且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優化建立連接之後，以與具有僅限於NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對於控制平面CIoT EPS優化，不應用這些過程。

當eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉換到RRC_IDLE狀態並存儲當前AS上下文。它可以稍後恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態。自動設置無線承載，並使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內容。顯然，這為不頻繁的小數據分組的傳輸節省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當UE被配置用於用戶平面CIoT EPS優化並且配置有至少一個DRB時，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，並且不再可能為稍後的連接恢復該AS上下文。

當eNB在MIB-NB中指示接入受制於接入類別限制並且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發起的信令或數據時進行接入禁止檢查。或恢復RRC連接。商業上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關聯的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯的位，則禁止訪問該單元。然後，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實際禁止狀態。請注意，對於某些特殊數據，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決於SIB14-NB設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閒資源，eNB會回覆RRCConnectionReject。然後，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由於太多UE同時啟動網絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用於恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用於後續恢復請求。

4.5.2 RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發起，如圖4-7所示。

對於用戶平面CIoT EPS優化，eNB可以在此指示與rrcSuspend標誌的連接的暫停。 在這種情況下，UE存儲AS上下文並且可以如上所述請求RRC連接恢復，否則AS上下文被刪除並且UE可以僅使用完整的RRC連接建立來獲得另一個RRC連接。

在該過程完成之後，UE進入RRC_IDLE狀態。

4.6 UE能力轉移

當UE連接到網絡時，eNB既不知道UE建立在哪個版本上，也不知道其中支持的可選特徵中的哪個。 為了獲得此信息，定義了UE Capability Transfer procudure，如圖4-8所示：

UE能力傳輸總是由eNB發起，因為UE不能知道eNB是否已經來自網絡或來自先前會話的該信息。

這些功能包括UE構建的版本，UE類別，支持的頻段列表以及建立多個承載的能力。 另外，UE可以指示其是否支持UL中的多載波操作和多音調傳輸。 此外，可以包含最大數量的RoHC上下文會話和支持的配置文件。該消息通常比相應的LTE消息小得多，因為省略了NB-IoT中不支持的所有LTE特徵，如進一步的接入技術或載波聚合。

4.7 尋呼

尋呼用於觸發RRC連接並指示用於處於RRC_IDLE模式的UE的系統信息的改變。

尋呼消息通過NPDSCH發送，並且可以包含要被尋呼的UE的列表和信息，無論尋呼是用於連接建立還是系統信息已經改變。在該列表中找到其ID的每個UE將其被尋呼的前向層轉發到其上層，並且可以依次接收用於初始化RRC連接的命令。如果系統信息已經改變，則UE開始讀取SIB1-NB並且可以從那裡獲得信息，必須再次讀取哪些SIB。

處於RRC_IDLE狀態的UE僅監視關於尋呼的一些SF，無線電幀子集內的尋呼時機（PO），尋呼幀（PF）。如果應用覆蓋增強重複，則PO指的是重複內的第一次傳輸。PF和PO由SIB2-NB中提供的DRX週期和USIM卡提供的IMSI確定。DRX是用於節省電池壽命的DL控制信道的不連續接收。支持128,256,512和1024個無線電幀的週期，對應於1.28s和10.24s之間的時間間隔。

由於確定PF和PO的算法也取決於IMSI，不同的UE具有不同的尋呼時機，其在時間上均勻分佈。UE足以監視DRX週期內的一個尋呼時機，如果其中存在多個尋呼時機，則在它們中的每一箇中重複尋呼。

擴展DRX（eDRX）的概念也可以應用於NB-IoT。這是使用第3.2.1章“幀和時隙結構”中概述的超幀來完成的。如果支持eDRX，則UE不監視尋呼消息的時間間隔可能會大大延長，向上差不多3小時。相應地，UE必須知道在哪個HFN以及該HFN內的哪個時間間隔，尋呼時間窗口（PTW），它必須監視尋呼。PTW由啟動和停止SFN定義。在PTW內，PF和PO的確定以與未擴展DRX相同的方式完成。

5 數據傳輸

如第2.2.1章“核心網絡”中所述，數據傳輸有兩種方式，即控制平面CIoT EPS優化和用戶平面CIoT EPS優化。 MME表示支持每個優化。 對於移動始發數據，UE可以在支持的選項中進行選擇。 對於移動終止數據，MME選擇優化並且可以考慮UE優先級，其在附連過程中用信號通知網絡。

5.1 控制平面CIoT EPS優化

對於控制平面CIoT EPS優化，UE和eNB之間的數據交換在RRC級別完成。 在DL中，數據分組可以捎帶在RRCConnectionSetup消息中或RRCConnectionSetupComplete消息中的UL中。 如果這還不夠，可以使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer這兩個消息繼續數據傳輸：

所有這些消息中包含一個包含NAS信息的字節數組，在這種情況下，它對應於NB-IoT數據包。 因此，它對eNB是透明的，並且UE的RRC將所接收的DLInformationTransfer的內容直接轉發到其上層。 在eNB和MME之間，通過S1-MME接口交換dedicatedInfoNAS。

對於此數據傳輸方法，不應用AS級別的安全性。 由於也沒有RRC連接重新配置，它可以分別在RRC連接建立或恢復過程之後或期間立即開始。 當然，必須在RRC連接釋放之後終止RRC連接。

5.2 用戶平面CIoT EPS優化

在用戶平面CIoT中，EPS優化數據通過網絡在傳統用戶平面上傳輸，即eNB將數據轉發到S-GW或從該節點接收數據。 為了保持UE複雜度低，可以同時僅配置一個或兩個DRB。

必須區分兩種情況：當先前的RRC連接被釋放且指示可能的恢復操作時，請參見第4.5.2節“RRC連接釋放”，可以請求連接作為恢復過程，如圖4-5。 如果此恢復過程成功，則使用更新的密鑰建立安全性，並且像在先前的連接中那樣設置無線承載。 如果沒有先前釋放的恢復指示，或者如果eNB不接受恢復請求，則必須建立安全性和無線電承載，如下一節所示。

5.2.1 數據連接的建立和配置

建立RRC連接後，如圖4-4或圖4-6所示，第一步是建立AS級安全性。 這是通過初始安全激活過程完成的：

在SecurityModeCommand消息中，eNB向UE提供要應用於SRB1和DRB的加密算法，以及用於保護SRB1的完整性保護算法。 為LTE定義的所有算法也包括在NB-IoT中。 使用此消息，SRB1bis會自動更改為SRB1，SRB1用於以下控制消息。

激活安全性後，使用RRC連接重新配置過程設置DRB：

在重新配置消息中，eNB向UE提供無線承載，包括RLC和邏輯信道的配置。 後者包括用於根據實際要求平衡數據傳輸的優先級。 PDCP僅配置為DRB，因為SRB僅使用默認值。

在所包括的MAC配置中，提供緩衝器狀態報告（BSR），調度請求（SR），時間對準和DRX的配置。 最後，物理配置提供了將數據映射到時隙和頻率的必要參數。

5.2.2 多載波配置

RRCConnectionReconfiguration可以包含UL和DL中的附加載波的設置，非錨定載波。

當在DL中提供非錨定載波時，UE將接收該頻率上的所有數據。這排除了僅在錨載波上接收的同步，廣播信息和尋呼。可以提供指示允許的DL SF的位圖。非錨定載波可以包含相當多的SF用於數據，因為它不需要同步和廣播信息。

一旦配置了非錨定載波，UE就在其處於RRC_CONNECTED狀態時單獨監聽該錨定載波。因此，UE僅需要一個接收器鏈。

在UL中，同樣的原則適用。如果配置了額外的UL載波，則UE僅將該一個用於數據傳輸，在該載波和錨載波中不存在同時傳輸。

對於DL和UL兩者，當UE被釋放到RRC_IDLE狀態時，UE返回到其錨定載波。

調度示例如圖5-4所示：

UE1配置有錨載波，UE2與DL和UL中的其他載波，以及UE3僅在DL上具有不同的載波。為簡單起見，該圖既不考慮下一節中解釋的NPDCCH週期，也不考慮DL數據不允許的SF。它只能以示意圖的方式解釋。

即使在帶內操作中，分配的DL載波也不限於表3-1中所示的值。該限制僅適用於那些發送NPSS，NSSS和NPBCH的載波，即可用作錨載波的載波。對於提供的DL頻率，允許所有載波。

該結構允許推出NB-IoT寬帶網絡，儘管每個UE僅具有一個具有窄帶寬可用的發送器/接收器鏈。同步，DL中廣播和UL中的NPRACH資源的開銷可以限於一個或視圖對的載波，而其他的可以完全用於數據傳輸。由於接收和發送從不同時進行並且總是分別限制在一個頻帶，因此UE僅具有一個帶寬為180kHz的發送器/接收器鏈就足夠了。

5.2.3 接收控制信道

在RRC連接狀態中，UE僅監視UE特定搜索空間（USS）以獲得其UL授權和DL指派。 重新配置消息包含最大重複次數，其範圍從1到2048，以2為2的冪。但是，實際重複次數可能更小，如下表所示：

對於實際重複次數小於其最大次數的情況，剩餘的SF可以用於向另一個UE發送不同的NPDCCH。 例如，如果最大重複次數是4，則所有SF可以包含一個UE的DCI，或者兩個SF可以分別用於兩個UE中的每一個，或者每個SF用於不同的UE。 當然，UE必須監視所有這些候選者。

重配置消息還包含用於描述NPDCCH週期的參數。 關於此期間的開始，USS在開始時或在週期長度的1 / 8,1 / 4或3/8的偏移處開始。

5.2.4 傳輸UL數據信道

DCI格式N0指示用於在NPUSCH上傳輸的UL許可，包括所有相關參數。 一個傳輸塊可以重複多次。 重複的安排取決於一個RU的子載波的數量，子載波間隔和重複的數量。 首先應該用圖5-5所示的例子來說明：

對於15kHz子載波間隔的情況，在兩個RU（a）上發送稱為測試字（TW）的傳輸塊，其中每個RU具有8個時隙（b）上的3個子載波的格式。總共應用8次重複。在圖5-5中，Tn表示第一個RU的第n個時隙，Wm是第二個RU的第m個時隙。

在第一步驟中，發送兩個時隙T1和T2。該對重複三次，因此這些插槽有4次傳輸。然後用接下來的兩個插槽完成相同的過程。這一直持續到槽W7和W8成對傳輸四次。最後，由於現在有4次重複TW，傳輸序列再次重複，達到這種方式8次重複。

在一般情況下，對於15kHz的子載波間隔總是進行兩個時隙的第一次重複。在3.75 kHz子載波間隔上，分別為每個插槽完成。如果RU具有多於一個子載波，則第一次重複的總數是上限為4的總重複次數的一半，或者如果RU僅具有一個子載波，則為1次。在上面的例子中，這意味著如果有32次重複，序列生成將如圖5-5（c）所示，但總序列將重複7次。

通常，序列映射到一組連續的槽。大量重複會發生異常。更準確地說，在256ms的傳輸之後，在NPUSCH傳輸繼續之前產生40ms的間隙。該間隙是必要的，因為當UE在NPUSCH上發送時，它不能同時接收DL信道，並且可能因此失去與eNB的同步。在此間隙期間，再次微調同步。

5.2.5 接收DL數據信道

DCI格式N1指示DL分配，其描述在NPDSCH上在何處以及如何發送數據符號。其原理與UL基本相同，請參見圖5-5中的示例，但數據包不會先分組到RU中。如果沒有重複，則將數據分組連續映射到時隙中並在NPDSCH SF中發送。

對於存在重複的情況，映射類似於多音UL。首先將兩個時隙的數據映射到一個SF，現在以總重複次數重複，再次上限為4。然後以相同的方式繼續映射，直到發送所有SF。最後，重複整個結構，直到達到所需的重複次數。

當DL數據包含SIB-NB信息時有一個例外。在這種情況下，如圖5-5（b）中的例子那樣連續發送時隙，然後將整個塊重複適當的次數。

傳輸間隙可以由RRC配置用於具有大量重複的NPDSCH傳輸。RRCConnectionReconfiguration消息可以提供重複次數有多大的信息，以便觸發這種間隙，週期性和它們出現的長度。當間隙發生時，NPDSCH傳輸被推遲到間隙之後的下一個可用SF。這些間隙不適用於攜帶MIB-NB或SIB-NB信息的NPDSCH。

6 總結和展望

利用版本13中規定的NB-IoT技術，3GPP創建了一種新的蜂窩空中接口，完全適應典型機器類型通信的要求。它針對小的和不頻繁的數據包進行了優化，並且避免了為此目的不需要的蜂窩功能。這樣，UE可以以成本有效的方式保持並且僅需要少量的電池電力。

數據傳輸保持在180kHz的小頻帶。然而，由於多頻帶結構，可以使用廣譜頻率。信令部分可以減少到一個或僅少數NB-IoT載波，而其餘的可以完全用於數據傳輸。這樣，雖然單個UE僅具有相對窄帶的發送器和接收器，但是相當大量的帶寬用於數據傳輸。

隨著第14版，NB-IoT的發展將繼續[14]。根據目前的計劃，NB-IoT將擴展到包括定位方法，例如所需的多播服務。用於軟件更新或有關整個組的消息，移動性和服務連續性，以及用於增強NB-IoT技術應用領域的進一步技術細節。

7 參考文獻

[1] 3GPP TR 45.820 V13.1.0, November 2015; Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT)

[2] 3GPP TS 23.272 V13.3.0, March 2016; Circuit Switched (CS) fallback in Evolved Packet System (EPS)

[3] 3GPP TS 23.401 V13.6.1, March 2016; General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

[4] 3GPP TS 23.682 V13.5.0, March 2016; Architecture enhancements to facilitate communications with packet data networks and applications

[5] 3GPP TS 36.331 V13.2.0, June 2016; Radio Resource Control (RRC); Protocol specification

[6] 3GPP TS 36.300 V13.4.0, June 2016; Overall description

[7] 3GPP TS 36.101 V13.4.0, June 2016; User Equipment (UE) radio transmission and reception

[8] 3GPP TS 36.201 V13.2.0, June 2016; LTE physical layer; General description

[9] 3GPP TS 36.211 V13.2.0, June 2016; Physical channels and modulation

[10] 3GPP TS 36.212 V13.2.0, June 2016; Multiplexing and channel coding

[11] 3GPP TS 36.213 V13.2.0, June 2016; Physical layer procedures

[12] 3GPP TS 36.304 V13.2.0, June 2016; User Equipment (UE) procedures in idle mode

[13] 3GPP TS 36.321 V13.2.0, June 2016; Medium Access Control (MAC) protocol specification

[14] 3GPP RP-161324 3GPP Work Item Description Enhancements of NB-IoT

"

本文翻譯 J. Schlienz, D. Raddino的Narrowband Internet of Things Whitepaper。本文僅限於個人學習，研究，交流，不得用於其他商業用途！

摘 要

作為第13版的一部分，3GPP已經指定了一種新的無線接口，即窄帶物聯網（NBIoT）。 NB-IoT針對機器類型流量進行了優化。 它保持儘可能簡單，以降低設備成本並最大限度地減少電池消耗。 此外，它還適用於在困難的無線電條件下工作，這是某些機器類型通信設備的頻繁操作區域。 儘管NBIoT是一個獨立的無線電接口，但它與LTE緊密相連，而LTE也在其當前LTE規範的集成中顯示出來。 在本白皮書中，我們介紹了NB-IoT技術，重點是與LTE的緊密連接。

目 錄

1 簡介

2 物理層

3 小區訪問

4 數據傳輸

5 摘要和展望

6 參考文獻

1 簡介

機器類型通信（MTC）的一個特徵是廣泛的功能。 例如，監控攝像機必須在幾乎靜止的情況下提供大量的UL數據，而用於車隊跟蹤的設備在執行大量切換時具有少量數據。

另一類設備既沒有這些功能。 例如，用於抄表的裝置，如電，氣或水的消耗。 它們通常是靜止的，因此不需要優化的切換。 通常只傳輸少量數據，甚至不會對延遲敏感。 然而，與傳統設備相比，這些MTC設備的數量可能變得非常大，甚至達到幾個數量級。 使用現有的LTE技術會導致網絡過載，因為儘管用戶數據量很小，但信令量大致相同。 NB-IoT的第一個規範集中在這類設備上。

這些設備通常安裝在沒有電源的地方。 因此，它們完全依靠電池運行，更換電池可能非常昂貴，因為它們只能由經過培訓的人員訪問。 因此，在某些情況下，電池壽命甚至可以確定整個設備的壽命。 因此，優化的功耗對於正確的操作是必不可少的。 此外，這些地方的報道通常都很糟糕。 因此，必須顯著改善室內覆蓋範圍，認為必要時高達23 dB。

由於需要大量的設備，因此必須處於低成本範圍內。 作為目標，每個模塊的價格範圍應小於5美元。

為了評估可能的解決方案，在GERAN TSG [1]中的3GPP中討論了一個研究項目。 除了上述功能之外，主要要求是與現有GSM，UMTS和LTE系統以及用於這些技術的硬件共存。

已經從該研究中確定了兩種解決方案，即NB-IoT和EC-GSM，其中後者基於GSM標準。同時，還將純LTE解決方案LTE-M引入3GPP。隨著新設備類別cat-M1的推出，它繼續在第12版中進行的優化。

在本白皮書中，介紹了NB-IoT。雖然它集成在LTE標準中，但它可以被視為一種新的空中接口。因此，它不與LTE向後兼容。通過指定從現有標準或其附近使用的時間和頻率資源來實現共存。

白皮書的結構如下：我們首先概述更具體的要求和網絡架構，並提供物理層的詳細信息。在描述了對單元的訪問之後，我們展示瞭如何通過空中接口傳輸數據包。最後，給出了該技術進一步發展的展望。

2 概 述

2.1 要求

根據前一章提到的一般MTC要求，推導出以下NB-IoT的標準特定要求：

●最大限度地減少信令開銷，尤其是通過無線接口

●對整個系統（包括核心網絡）的適當安全性

●延長電池壽命

●支持IP和非IP數據的傳送[2,3]

●支持SMS作為部署選項[4]

為了滿足這些要求，不支持LTE版本8/9的許多高級甚至基本功能[5]。 最引人注目的例子是處於連接狀態的UE缺少切換。 僅支持空閒狀態下的小區重選，甚至限制在NB-IoT技術內。 由於沒有與其他無線電技術的交互，因此也不支持相關的功能。 例如，缺乏LTE-WLAN互通，用於設備內共存的干擾避免，以及用於監控信道質量的測量。

大多數LTE-Advanced功能也不受支持。 這涉及到例如 運營商聚合，雙連接或設備到設備服務。 此外，沒有QoS概念，因為NB-IoT不用於延遲敏感數據包。 因此，在NB-IoT中也不提供需要保證比特率的所有服務，例如實時IMS。 根據這些要求，3GPP使用與以前不同的方法。 而不是為所有類型的應用創建一個空中接口，用於小型非延遲敏感數據包的空中接口被分開並單獨優化。 支持處理NB-IoT技術的UE用新的UE類別cat-NB1標記。

2.2 網絡

2.2.1 核心網

為了嚮應用程序發送數據，定義了演進分組系統（EPS）中的蜂窩物聯網（CIoT）的兩種優化，用戶平面CIoT EPS優化和控制平面CIoT EPS優化，見圖2-1。 可以使用兩種優化，但不限於NB-IoT設備。

在控制平面CIoT EPS優化上，UL數據從eNB（CIoT RAN）傳送到MME。從那裡，它們可以通過服務網關（SGW）傳輸到分組數據網絡網關（PGW），或者傳輸到服務能力暴露功能（SCEF），然而這隻能用於非IP數據分組。從這些節點開始，它們最終被轉發到應用服務器（CIoT服務）。DL數據在相反的方向上通過相同的路徑傳輸。在該解決方案中，沒有建立數據無線電承載，而是在信令無線電承載上發送數據分組。因此，該解決方案最適合於不頻繁和小數據分組的傳輸。

SCEF是專為機器類型數據設計的新節點。它用於通過控制平面傳送非IP數據，併為網絡服務提供抽象接口（身份驗證和授權，發現和訪問nework功能）。

利用用戶平面CIoT EPS優化，數據以與傳統數據業務相同的方式傳輸，即通過SGW和PGW通過無線電承載傳輸到應用服務器。因此，它在構建連接時產生一些開銷，但是它有助於發送一系列數據包。此路徑支持IP和非IP數據傳輸。

2.2.2 接入網

在整體接入網架構上，LTE沒有區別[6],

eNB使用S1接口連接到MME和S-GW，區別在於攜帶NB-IoT消息和數據分組。 即使沒有定義切換，在兩個eNB之間仍然存在X2接口，這使得UE在進入空閒狀態後能夠快速恢復，有關詳細信息，請參見第4.5.1節“RRC連接建立”， 即使是恢復過程是另一個eNB的情況。

2.3 頻段

對於頻帶，使用與LTE中相同的頻率編號，其中為NB-IoT定義了子集。 在第13版中，這些是以下band[7]：

值得一提的是，大多數頻率都在現有LTE頻段的較低範圍內。 這反映出對於機器類型的通信，在困難的無線電條件下預期有許多設備。

3 物理層

3.1 操作模式

NB-IoT技術佔用180 kHz帶寬的頻帶[8]，其對應於LTE傳輸中的一個資源塊。 通過此選擇，可以使用以下操作模式：

●獨立操作。 可能的情況是利用當前使用的GSM頻率。 它們的帶寬為200 kHz，在頻譜的兩側仍然保留10 kHz的保護間隔

●保護頻帶操作，利用LTE載波保護頻帶內未使用的資源塊

●利用LTE載波內的資源塊的帶內操作

這些模式在下圖中可視化：

對於獨立操作，圖中右側的GSM載波僅作為示例示出，以指示這是可能的NB-IoT部署。 當然，該操作模式也可以在沒有相鄰GSM載波的情況下工作。

在帶內操作中，LTE和NB-IoT之間的資源分配不是固定的。 然而，並非所有頻率（即，LTE載波內的資源塊）都被允許用於小區連接。 它們僅限於以下值：

如該表所示，不支持具有1.4MHz帶寬的LTE頻帶的帶內操作。 當為NB-IoT分配資源時，必須考慮LTE系統使用的資源之間的衝突，例如小區特定參考信號（CRS）或每個子幀開始時的下行鏈路控制信道。 這也通過不使用6個內部資源塊反映在表3-1中，因為這些是為LTE中的同步信號分配的。

對於保護頻帶操作，UE僅與信號同步，其中頻帶完全在保護頻帶中。

為了應對不同的無線電條件，可能有多達3個覆蓋增強（CE）級別，CE級別0到CE級別2.CE級別0對應於正常覆蓋，CE級別2對應於最壞情況，其中覆蓋範圍可能會被認為是非常貧窮。它取決於網絡，定義了多少個CE級別。對於每個CE級，在小區中廣播所接收的參考信號的功率閾值的列表。不同CE級別的主要影響是消息必須重複多次。

對於版本13，選擇FDD半雙工類型B作為雙工模式。這意味著UL和DL在頻率上是分開的，並且UE接收或發送，但不是同時接收或發送。另外，在從UL到DL的每個交換機之間或者反之亦然，在它們之間存在至少一個保護子幀（SF），其中UE有時間切換其發送器和接收器鏈。

3.2 下行鏈路

對於DL，三個物理信道

●NPBCH，窄帶物理廣播信道

●NPDCCH，窄帶物理下行鏈路控制信道

●NPDSCH，窄帶物理下行共享信道

和兩個物理信號

●NRS，窄帶參考信號

●NPSS和NSSS，

定義了主同步信號和輔助同步信號。 這些信道比LTE少，不包括物理多播信道PMCH，因為NB-IoT沒有MBMS服務。

下圖說明了傳輸通道與物理通道之間的連接：

MIB信息總是通過NPBCH傳輸，剩餘的信令信息和數據通過NPDSCH傳輸。 NPDCCH控制UE和eNB之間的數據傳輸。

物理DL信道始終是QPSK調製的。 NB-IoT支持使用一個或兩個天線端口AP0和AP1進行操作。 對於後一種情況，應用空頻塊編碼（SFBC）。 一旦被選擇，相同的傳輸方案適用於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH。

與LTE類似，每個小區具有指定的物理小區ID（PCI），即窄帶物理小區ID（NCellID）。 共定義了504個不同的NCellID值。 其值由輔助同步信號NSSS提供，請參見第第3.2.3節“同步信號”。

3.2.1 框架和槽結構

在DL中，使用具有正常循環前綴（CP）的15kHz子載波間隔來應用OFDM。 每個OFDM符號由12個子載波組成，以這種方式佔用180kHz的帶寬。 七個OFDMA符號捆綁在一個插槽中，因此插槽具有以下資源網格[9]：

對於一個資源塊，這是與正常CP長度中的LTE相同的資源網格，這對於帶內操作模式是重要的。 資源元素被定義為一個OFDMA符號中的一個子載波，並在圖3-3中用一個方塊表示。 這些資源元素中的每一個攜帶具有根據調製方案的值的複數值。

這些時隙以與LTE相同的方式總結為子幀和無線電幀：

有1024個循環重複的無線電幀，每個持續10ms。 無線電幀被劃分為10個SF，每個SF由兩個時隙組成。

除了系統幀之外，還定義了超幀的概念，其對系統幀週期的數量進行計數，即，每當系統幀號包裝時它就遞增。 它是一個10位計數器，因此超幀週期跨越1024個系統幀週期，對應於幾乎3小時的時間間隔。

3.2.2 窄帶參考信號

窄帶參考信號（NRS）在所有可用於廣播或專用DL傳輸的SF中傳輸，無論數據是否實際傳輸，請參見第3.2.5節“專用信道”瞭解更多詳細信息。

根據傳輸方案，NRS可以在一個天線端口上傳輸，也可以在兩個天線端口上傳輸。 它的值創建類似於LTE中的CRS，其中NCellID用於PCI。 映射序列如下圖所示：

圖3-5中所示的NRS映射另外在頻率範圍內由NCellID mod 6循環移位。 當在兩個AP上發送NRS時，則在AP0上用於NRS的每個資源元素上，AP1上的相同資源元素被設置為零，反之亦然。

對於帶內操作，LTE CRS也在NB-IoT頻帶中發送，用於不用於MBSFN的SF。利用NRS的結構，LTE CRS和NRS之間沒有重疊，但是必須將CRS考慮在速率匹配和資源元素映射中。所有DL傳輸都不得使用這些資源元素，必須跳過它們。

帶內操作的一個重點是NcellID。它可以與用於嵌入LTE小區的PCI相同或不同。這由MIB-NB中的opeartionMode參數指示，請參見第3.2.4節“窄帶物理廣播信道”，它區分帶內操作與同一PCI的真或假。如果該參數設置為真，則NCellID和PCI相同，並且UE可以假設天線端口的數量與LTE小區中的相同。然後可以從任一參考信號集推斷出信道。因此，LTE CRS端口0與NRS端口0相關聯，並且CRS端口1與NRS端口1相關聯。如果相同PCI被設置為假，則UE可以不採取任何這些假設。

3.2.3 同步信號

對於幀和子幀中的第一同步並且為了確定NCellID，重用主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）的LTE概念。 利用這些信號，還可以在UE接收器中細化定時和頻率估計。

為了將這些信號與其LTE對應物區分開，它們分別表示為NPSS和NSSS。 它們的結構如下圖所示：

省略前3個OFDM符號，因為當NB-IoT以帶內模式操作時，它們可以在LTE中承載PDCCH。 注意，在UE與NPSS和NSSS同步的時間期間，它可能不知道操作模式，因此該保護時間適用於所有模式。 此外，兩個同步信號都被LTE的CRS打孔。 沒有規定，哪個天線端口用於同步信號，這甚至可以在任何兩個SF之間改變。

頻域中的長度為11的Zadoff-Chu序列用於NPSS的序列生成。該序列是固定的，因此不攜帶關於小區的信息。它在每個無線電幀的SF5中發送，使得其接收允許UE確定幀邊界。

NSSS序列從長度為131的頻域Zadoff-Chu序列生成，二進制加擾並根據無線電幀號循環移位。NCellID是一個額外的輸入參數，因此可以從序列中導出。與LTE類似，定義了504個PCI值。NSSS在每個偶數無線電幀的最後SF中發送。

對於帶內操作，NPSS和NSSS的傳輸以及下一節中描述的NPBCH只能在PRB上進行，如表3-1所示。選擇用於接收該信息的載波稱為錨載波。

使用這種結構，UE不能將NB同步信號與LTE系統發送的信號混淆。因此，不存在錯誤檢測的危險，並且具有任一技術的UE被自動路由到正確的頻率範圍。

3.2.4 窄帶物理廣播信道

NPBCH攜帶窄帶主信息塊（MIB-NB）。 MIB-NB包含34比特，並且在640ms的時間段內發送，即64個無線電幀。 其中提供了以下信息：

●4位表示系統幀號（SFN）的最高有效位（MSB），剩餘的最低有效位（LSB）從MIB-NB啟動中隱含地得出

●2比特，表示超幀號的兩個LSB

●4位用於SIB1-NB調度和大小

●5位表示系統信息值標籤

●1位，表示是否應用了訪問類限制

●7位表示具有模式特定值的操作模式

●11個備用位，用於將來擴展

圖3-7顯示了它到物理資源的映射：

在物理層基帶處理之後，將得到的MIB-NB分成8個塊。 第一個塊在第一個子幀（SF0）上發送，並分別在接下來的7個連續無線電幀的SF0中重複。 在以下無線電幀的SF0中，對BL2執行相同的過程。 繼續該過程直到傳輸整個MIB-NB。 通過將SF0用於所有傳輸，如果NB-IoT被部署為帶內操作，則避免NPBCH與LTE上的潛在MBSFN傳輸衝突。

NPBCH的SF結構如下圖所示：

符號映射在NRS和LTE CRS周圍，其中始終假設為NRS定義了兩個天線端口，為CRS定義了4個天線端口。 該假設是必要的，因為UE僅通過讀取MIB-NB來獲得實際的天線端口信息。 頻率範圍內的參考信號位置由NSSS提供的NCellID給出。 儘管NCellID在帶內操作中可能與PCI不同，但是其範圍受到限制以使其指向相同的頻率位置，因此UE已知頻率範圍內的CRS的循環移位。 同樣，省略前3個OFDM符號以避免與LTE的控制信道的可能衝突。

3.2.5 專用頻道

控制和共享信道的原理也適用於NB-IoT，定義窄帶物理下行鏈路控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行鏈路共享信道（NPDSCH）。 並非所有SF都可以用於傳輸專用DL信道。 在RRC信令中，可以用信號通知指示有效SF的10或40比特的位圖，其以週期性方式應用。 對於SF未被指示為有效的情況，專用DL信道傳輸被推遲到下一個有效SF。

3.2.5.1 控制信道NPDCCH

NPDCCH指示哪個UE在NPDSCH中存在數據，在哪裡找到它們以及它們重複的頻率。 此外，在其中提供UL授權，示出UE將用於UL中的數據傳輸的資源。 最後，NPDCCH中還包含諸如尋呼或系統信息更新之類的附加信息。 NPDCCH子幀設計如下圖所示：

用於NPDCCH的資源元素以綠色表示。 它們必須映射在藍色顯示的NRS周圍，並且還圍繞CRS（紫色）進行帶內操作。 參數lNstart（由NB-SIB1用信號通知的控制區域大小）指示OFDM起始符號。 這種方式可以避免帶內操作與LTE控制信道的衝突。 對於保護頻帶和獨立操作模式，控制區域大小默認為0，這為NPDCCH提供了更多的資源元素。

在每個SF上，定義了兩個窄帶控制信道單元（NCCE），NCCE0和NCCE1。 它們在圖3-9中以深綠色（NCCE0）和淺綠色（NCCE1）表示。 定義了兩種NPDCCH格式來使用它們：

●NPDCCH格式0採用一個NCCE。 因此，它們中的兩個可以在SF內傳輸。

●NPDCCH格式1同時採用NCCE。

為了使UE以合理的解碼複雜度找到控制信息，NPDCCH被分組到以下搜索空間中：

●Type-1公共搜索空間，用於分頁

●Type-2公共搜索空間，用於隨機訪問

●UE特定的搜索空間

每個NPDCCH可以用RRC配置的上限重複若干次。 另外，類型2公共搜索空間和UE特定搜索空間由RRC提供，而類型1公共搜索空間由尋呼機會SF給出，參見第4.7章“尋呼”。

為每個UE分配不同的無線電網絡臨時標識符（RNTI），一個用於隨機接入（RA-RNTI），一個用於尋呼（P-RNTI），以及在隨機接入過程中提供的UE特定標識符（CRNTI）。 NPDCCH的CRC中隱含地指示了這些標識符。 因此，UE必須在其搜索空間中查找該RNTI，並且如果找到，則對NPDCCH進行解碼。

版本13中定義了三種DCI格式，DCI格式N0，N1和N2 [10]：

當UE接收到NPDCCH時，它可以通過以下方式區分不同的格式：以用P-RNTI對CRC進行加擾的方式隱含地指示DCI格式N2。 如果用C-RNTI對CRC進行加擾，則消息中的第一位指示是否包含DCI格式N0或N1。 對於利用RA-RNTI對CRC進行加擾的情況，內容是受限制的DCI格式N1，其僅包括RACH響應所需的那些字段。

包括在DCI格式中的N0和N1是調度延遲，即NPDCCH結束與NPDSCH開始或NPUSCH開始之間的時間。 NPDSCH的延遲至少為5 SF，NPUSCH為8。 對於經由DCI格式N2的DL傳輸，調度延遲固定為10SF。

3.2.5.2 業務信道NPDSCH

NPDSCH SF具有與圖3-9中所示的NPDCCH相同的結構。它從可配置的OFDM符號lNstart開始，並圍繞NRS映射，並且對於帶內操作，映射為LTE CRS。lNstart由用於帶內操作的RRC信令提供，否則為0。

支持最大傳輸塊大小（TBS）680位。傳輸塊的映射跨越NSF SF。重複傳輸塊，提供NRep相同的副本，使用SF交織在UE處進行優化接收。兩個值NSF和NRep都在DCI中指示。生成的SF序列映射到為NPDSCH定義的NSF·NRep連續SF。

對於DL，沒有對傳輸的自動確認，eNB在DCI中指示這一點。如果這樣做，則UE使用NPUSCH格式2發送確認，參見章節3.3.2，“物理上行鏈路共享信道”，第19頁。相關的定時和子載波也在該DCI中指示。

對所有操作模式都有多載波支持，請參見第35頁上的第5.2.2節“多載波配置”，這意味著當UE處於連接狀態時可以使用另一個載波。在空閒狀態中，UE駐留在NB-IoT載波上，從該載波接收同步信號和廣播信息，即錨載波。它通過在SIB2-NB中提供的相關UL載波中發送前導碼，在那裡等待尋呼或開始對移動始發數據或信令的接入。

SIB1-NB傳輸

SIB1-NB通過NPDSCH傳輸。它有256個無線電幀的週期，重複4,8或16次。傳輸塊大小和重複次數在MIB-NB中指示。可以進行4,8或16次重複，並且分別定義4個傳輸塊大小208,328,440和680位。SIB1-NB啟動的無線電幀由重複次數和NCellID確定。SF4用於傳輸SIB1-NB的所有無線電幀中的SIB1-NB。由於其他傳輸參數也是固定的，因此控制信道中沒有相關的指示。

SIB1-NB內容可以僅在每個修改週期上改變，其具有4096個無線電幀的長度，即40.96秒。這對應於4個SFN週期，這就是為什麼在MIB-NB中指示超幀號的2個LSB。如果發生這樣的修改，則使用DCI格式N2在NPDCCH中指示。

儘管通過NPDSCH發送，但是SIB1-NB資源被映射為如圖3-8中所示的MIB-NB，即省略了前3個OFDM符號。這是必要的，因為UE知道從SIB1-NB開始的資源映射，因此它需要首先解碼該SIB。

3.3 上行鏈路

對於上行鏈路（UL），兩個物理信道

●NPUSCH，窄帶物理上行鏈路共享信道

●NPRACH，窄帶物理隨機接入信道和

●定義DMRS，解調參考信號。

物理信道與相關傳輸信道之間的連接如下圖所示：

除RACH傳輸外，所有數據都通過NPUSCH發送。 這還包括UL控制信息（UCI），其使用不同的格式發送。 因此，沒有相當於LTE中的PUCCH。

3.3.1 時隙結構

在UL中，應用單載波頻分多址（SC-FDMA），具有3.75kHz或15kHz子載波間隔。 eNB決定使用哪一個。 當應用15kHz子載波間隔時，UL的資源網格與DL的資源網格相同，請參見圖3-3。 對於3.75kHz子載波間隔，時隙的資源網格具有修改的結構：

同樣在一個時隙內有7個OFDM符號。 根據OFDM原理，3.75kHz子載波間隔的符號持續時間是15kHz的持續時間的四倍，這導致時隙長度為2ms。

3.3.2 物理上行鏈路共享信道

在物理UL共享信道NPUSCH上，定義了兩種格式。 NPUSCH格式1用於UL-SCH上的UL傳輸信道數據，傳輸塊不大於1000比特。 NPUSCH格式2攜帶UL控制信息（UCI），其在版本13中限於DL傳輸的確認。

映射傳輸塊的最小單元是資源單元（RU）。 其定義取決於PUSCH格式和子載波間隔。

對於NPUSCH格式1和3.75kHz子載波間隔，RU由頻率範圍中的1個子載波和時間範圍中的16個時隙組成，即RU具有32ms的長度。 在15 kHz子載波間隔上有4種選擇：

對於NPUSCH格式2，RU總是由一個長度為4個時隙的子載波組成。 因此，對於3.75kHz子載波間隔，RU具有8ms持續時間並且對於15kHz子載波間隔2ms。

對於NPUSCH格式2，調製方案始終為BPSK。 NPUSCH格式1允許的調製取決於所選的RU：

●對於具有一個子載波的RU，可以使用BPSK和QPSK

●對於所有其他RU，應用QPSK

通過DCI格式N0在NPDCCH中指示用於UL-SCH傳輸的許可。 在該DCI中指示NPUSCH的開始時間，重複次數，用於一個傳輸塊的RU的數量，以及包括它們在頻率範圍中的位置的子載波的數量。 此外，包含MCS索引，為一個子載波RU提供調製方案，另外，與RU的數量一起，提供傳輸塊大小。

最後，通過應用逆傅里葉變換並且在循環前綴（CP）之前預先創建時間信號。 對於15kHz子載波間隔，此CP與使用普通CP的LTE相同，而對於3.75kHz，它是256個樣本，對應於8.3μs。 對於後一種情況，每個時隙結束時的2304個採樣（75μs）的週期保持為空，這用作保護間隔。 對於帶內操作，該保護間隔可以用於在LTE系統中發送探測參考信號。

與DL傳輸相反，在可以配置是否應該確認傳輸的情況下，在相關DL中總是存在確認。

3.3.3 參考信號

在UL中，定義瞭解調參考信號（DMRS）。 它與數據複用，因此它僅在包含數據傳輸的RU中傳輸。 沒有為UL定義MIMO傳輸，因此所有傳輸都使用單個天線端口。

根據NPUSCH格式，DMRS以每個時隙的一個或三個SCFDMA符號發送。 對於NPUSCH格式1，這些是圖3-12中紅色標記的符號。

從該圖中可以看出，用於DMRS傳輸的SC-FDM符號取決於子載波間隔。 對於圖3-13中所示的NPUSCH格式2也是如此：

DMRS符號由基本序列乘以相位因子構成。 它們具有與相關數據相同的調製。 對於NPUSCH格式2，DMRS符號以與針對LTE PUCCH格式1,1a和1b定義的相同的正交序列進行擴展。

3.3.4 隨機接入信道

在隨機接入信道NPRACH中，發送前導碼。 第47頁第4.4章“隨機接入過程”中描述的相關隨機接入過程可用於向小區發信號通知UE駐留在其上並希望獲得接入。

前導碼基於單個子載波上的符號組。 每個符號組具有循環前綴（CP），後跟5個符號。 以下結構顯示了此序列：

定義了兩種前同步碼格式，格式0和格式1，它們的CP長度不同。 五個符號的持續時間為TSEQ = 1.333 ms，對於格式0，CP為TCP =67μs，對於格式1，CP為267μs，總長度分別為1.4 ms和1.6 ms。 要使用的前導碼格式在系統信息中廣播。

前導碼由無間隙發送的4個符號組組成。跳頻應用於符號組粒度，即每個符號組在不同的子載波上發送。通過構造，該跳躍被限制為連續的12個子載波集。取決於覆蓋水平，小區可以指示UE將在每次重複時使用相同的傳輸功率重複前導碼1,2,4,8,16,32,64或128次。

為每個CE組分別提供NPRACH資源。它們包括時間和頻率資源的分配，並且週期性地發生，其中可以配置40ms和2.56s之間的NPRACH週期。它們在一段時間內的開始時間在系統信息中提供。重複次數和前導碼格式決定了它們的結束。

在頻率範圍內，應用3.75kHz的子載波間隔。NPRACH資源佔用12,24,36或48個子載波的連續集合，並且位於一組離散的子載波範圍上。取決於小區配置，資源可以進一步劃分為由支持msg3的多音傳輸的UE和不支持它的UE使用的資源。

圖3-15顯示了重複至少4次的前導碼的示例。這裡，每個藍色矩形描述一個前導碼符號組，如圖3-14所示，因此前導碼重複由四個矩形組成。

在12種可能性中，如果eNB沒有針對有序前導碼傳輸的情況提供，則UE選擇用於傳輸第一前導碼符號組的子載波。接下來的3個符號組由算法確定，該算法僅取決於第一個符號的位置。對於下一次重複的第一符號組的子載波選擇，應用偽隨機跳頻，其中NCellID和重複次數用作輸入。以下符號組的子載波選擇再次僅取決於該結果。

該跳頻算法的設計方式是第一子載波的不同選擇導致從不重疊的跳頻方案。因此，存在與分配給NPRACH的子載波一樣多的不同的無擁塞前導碼。不對NB-IoT進行進一步的劃分，即，沒有像LTE中應用的前導碼索引那樣的概念。

前導序列建立在Zadoff-Chu序列上，該序列取決於子載波位置。對載波頻率的調製和上變頻以與LTE相同的方式完成。

3.4 功率控制

3.4.1 上行鏈路

在UL中，發射功率取決於小區特定參數，所選RU和UE測量參數的組合[11]。 對於最多重複2次的情況，時隙i的功率由下式給出

如果重複次數超過兩次，則傳輸功率通常由PCMAX，c（i）給出。

PCMAX，c（i）是時隙i上的小區特定最大發射功率。利用上述結構，發射功率可能永遠不會超過該閾值。MNPUSCH，c取決於所選RU的帶寬和子載波間隔，PO_NPUSCH，由RRC用信號通知的不同參數的組合，這取決於傳輸塊是用於UL-SCH數據（j = 1）還是用於RACH消息（j = 2）。PLc是UE估計的路徑損耗。該因子由αc（j）加權，對於NPUSCH格式1由RRC提供，否則應用固定值1。換句話說，該因子表示應補償路徑損耗的強度。

3.4.2 下行鏈路

DL傳輸功率是指NRS傳輸功率。其值被指示給UE以便估計路徑損耗。對於攜帶NRS和所有SF的所有資源元素，它是恆定的。

對於NPBCH，NPDCCH和NPDSCH，發射功率取決於傳輸方案。如果僅應用一個天線端口，則功率與NRS相同，否則減少3dB。

如果使用帶內操作模式並且samePCI值設置為true，則會出現特殊情況。然後，eNB可以另外用信號通知NRS功率與CRS功率的比率，使得UE也能夠使用CRS進行信道估計。

4 小區訪問

當UE接入小區時，其遵循與LTE相同的原理：它首先在適當的頻率上搜索小區，讀取相關的SIB信息，並開始隨機接入過程以建立RRC連接。 通過此連接，它通過NAS層向核心網絡註冊，如果尚未完成的話。 在UE返回到RRC_IDLE狀態之後，如果它具有要發送的移動始發數據，則它可以再次使用隨機接入過程，或者等待直到它被尋呼。

4.1 協議棧和信令承載

協議層的一般原則是從LTE協議開始，將它們降低到最小，並根據NB-IoT的需要增強它們。這樣，重複使用經過驗證的結構和過程，同時防止來自未使用的LTE特徵的開銷。因此，從協議棧的角度來看，NB-IoT技術也可以被視為一種新的空中接口，同時建立在完善的基礎之上。

其一個例子是承載結構。信令無線電承載部分地從LTE重用。存在用於通過CCCH邏輯信道發送的RRC消息的SRB0，以及用於使用DCCH邏輯信道的RRC消息和NAS消息的SRB1。但是，沒有定義SRB2。

另外，定義了新的信令無線承載，SRB1bis。它使用相同的配置隱含地配置SRB1，但是沒有PDCP。此通道扮演SRB1的角色，直到激活安全性，然後不再使用SRB1bis。這也意味著對於控制平面CIoT EPS優化，根本不使用SRB1bis，因為在此模式下沒有安全激活。

協議棧與LTE相同，具有針對NB-IoT優化的功能：

4.2 系統信息

與LTE類似，系統信息用於廣播對小區內的所有UE有效的信息。 由於廣播系統信息佔用資源並導致每個UE的電池消耗，所以它保持最小，以及其出現的大小。

因此，定義了一組系統信息塊（SIB），其是為LTE定義的SIB的子集。 這些如下表所示：

SIB用後綴NB表示。 這些SIB中的每一個都用減少和修改的信息元素集定義，然而，內容的類型與LTE中的相同，例如， SIB16-NB描述了時間信息。 即使在帶內操作的情況下，UE也專門使用這些SIB並忽略來自LTE的那些SIB。

UE始終必須具有通過SIB5-NB的有效版本的MIB-NB，SIB1-NB和SIB2NB。 如果操作需要其功能，則其他必須有效。 例如，如果在MIB-NB中指示接入禁止（AB），則UE需要具有有效的SIB14-NB。

系統信息獲取和改變過程僅應用於RRC_IDLE狀態。 期望UE在處於RRC_CONNECTED狀態時讀取SIB信息。 如果發生改變，則通過尋呼或直接指示通知UE。 eNB還可以將UE釋放到RRC_IDLE狀態以獲取修改的系統信息。

4.2.1 調度

MIB-NB和SIB1-NB按第3.2章“下行鏈路”中的說明進行傳輸。剩餘SIB信息的調度以與LTE類似的方式完成：SIB-NB消息被分組為SI消息，其中 然後在單獨的SI窗口中傳輸。 不同SI消息的SI窗口不重疊。 它們的長度在SIB1-NB中指示，並且對於所有SI消息是相同的。 每條SIB和SI消息的最大大小為680位。

在SI窗口內，SI消息通過2或8個連續有效DL SF發送，具體取決於它們的傳輸塊大小，並且可以重複多次。 調度信息在SIB1-NB中指示，因此在NPDCCH中沒有必要的指示並且不需要SI-RNTI。

4.2.2 變更通知

如“SIB1-NB傳輸”中已經提到的，系統信息可能僅在修改週期的時間邊界處改變並且用尋呼消息指示。一個例外是通過SIB14-NB指示的訪問限制（AB）的變化，該信息可以在任何給定的時間點改變。這種例外背後的原因是AB參數可能需要在更短的時間範圍內改變。當然，SIB16-NB沒有通過尋呼通知表示，因為它會定期更改其內容。

指示SIB1-NB或SI消息中的更改的另一種方式是值標記的概念。關聯字段systemInfoValueTag包含在MIB-NB中。該概念用於UE從覆蓋範圍外的位置返回到覆蓋範圍以及從更長的DRX週期返回的UE。在這些情況下，UE無法接收尋呼消息，因此它檢查值標籤。如果存在SIB更改，則會修改值標記。但是，如果超過24小時超出覆蓋範圍，則UE必須始終讀取系統信息。

4.2.3 總結SIB採集

UE首先從NSSS獲得NCellID。 通過讀取MIB-NB中的schedulingInfoSIB1，它知道SIB1-NB大小和重複次數，並且可以推斷其起始位置。 在SIB1中，指示其他SIB-NB消息的位置。 最後，藉助於從MIB-NB獲得的超幀號的2個LSB，UE知道何時檢查SIB更新，是否通過修改的值標籤或通過尋呼指示SIB改變。

4.3 小區選擇和移動性

NB-IoT設計用於UE和網絡之間的不頻繁和短消息。假設UE可以在從一個小區服務的同時交換這些消息，因此，不需要在RRC_CONNECTED期間的切換過程。如果需要這樣的小區改變，則UE首先進入RRC_IDLE狀態並重新選擇其中的另一個小區。

對於RRC_IDLE狀態，為頻率內和頻率間小區定義小區重選[12]。這裡，頻率間是指180kHz載波，這意味著即使在嵌入同一LTE載波的帶內操作中使用兩個載波，這仍然被稱為頻率間重選。

為了找到小區，UE首先測量NRS的接收功率和質量。然後將這些值與SIB-NB提供的小區特定閾值進行比較。S標準指出如果兩個值都高於這些閾值，則UE認為自己處於該小區的覆蓋範圍內。如果UE處於一個小區的覆蓋範圍內，則駐留在其上。

取決於所接收的NRS功率，UE可能必須開始小區重選。UE將該功率與重選閾值進行比較，該重選閾值對於頻率內和頻率間情況可以是不同的。從實際服務小區接收所有必需參數，不需要從其他小區讀取SIB-NB。

在滿足S標準的所有小區中，UE針對超過另一閾值的功率超出對小區進行排名。在該過程中添加滯後以防止過於頻繁的小區重選，並且還可以針對頻率內情況應用小區特定偏移。與LTE相反，不同頻率沒有優先級。UE最終選擇適合的最高等級的小區，即，它可以從其接收正常服務。

當UE離開RRC_CONNECTED時，它不一定選擇相同的載波來找到要駐留的小區。RRCConnectionRelease消息可以指示UE首先嚐試找到合適小區的頻率。僅當UE在該頻率上沒有找到合適的小區時，它還可以嘗試在不同的頻率上找到一個小區。

4.4 隨機訪問程序

RACH過程具有與LTE相同的消息流，但是，具有不同的參數[13]：

對於NB-IoT，RACH過程始終基於競爭，並從第3.3.4節“隨機接入信道”中概述的前導碼的傳輸開始。在來自eNB的相關響應之後，發送調度消息msg3，以便開始爭用解決過程。最後將相關的爭用解決消息發送到UE，以指示RACH過程的成功完成。

在發送前導碼時，UE首先根據傳輸時間計算其RA-RNTI。然後在PDCCH中查找用RA RNTI加擾的DCI格式N1，其中指示了隨機接入響應消息。UE期望在響應窗口內的該消息，其在最後的前導碼SF之後開始3個SF並且具有在SIB2-NB中給出的CE相關長度。

如果前導碼傳輸不成功，即沒有接收到相關聯的隨機接入響應（RAR）消息，則UE發送另一個消息。這可以達到最大數量，這又取決於CE級別。對於未成功達到該最大數量的情況，如果配置了該級別，則UE前進到下一個CE級別。如果達到訪問嘗試的總次數，則向RRC報告相關的故障。

利用RAR，UE除了臨時C-RNTI之外還獲得定時提前命令。因此，以下msg3已經是時間對齊的，這對於通過NPUSCH進行傳輸是必需的。此外，RAR為msg3提供UL授權，包含用於msg3傳輸的所有相關數據。

其餘過程如同在LTE中那樣完成，即UE發送標識，並且在接收到指示該標識的爭用解決時，隨機接入過程被成功完成。

4.5 連接控制

由於系統不支持切換到不同的技術，RRC的狀態模型變得非常簡單（圖4-3）。

如在LTE中，僅存在兩種狀態，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。 但是，沒有轉換到相關的UTRA和GSM狀態，因為不支持切換到這些技術。 也沒有切換到LTE，因為LTE被視為不同的RAT。

4.5.1 RRC連接建立

RRC連接建立具有與LTE系統相同的消息流：

利用RRCConnectionRequest，UE指示它想要連接到網絡以及用於什麼目的。此建立原因僅限於移動始發信令，移動始發數據，移動終止接入和特殊報告。延遲容忍流量沒有建立原因，因為在NB-IoT中，假設所有流量都是延遲容忍的。除了建立原因之外，UE還指示其支持多音調業務和多載波支持的能力。儘管這些功能通常在自己的過程中發出信號，請參見第4.6章“UE功能傳輸”，這些功能必須在此處發出信號，以便eNB可以將其應用於此過程中的UL授權。

在用RRCConnectionSetup消息響應時，eNB提供信令無線電承載（SRB1），多達2個數據無線電承載（DRB）和協議的配置。最後，在RRCConnectionSetupComplete消息中，UE包括其所選擇的PLMN和MME，並且可以搭載第一NAS消息。

在為用戶平面CIoT EPS優化建立連接之後，以與具有僅限於NB-IoT的功能的LTE相同的方式完成安全和RRC連接重新配置過程。此外，還為此情況定義了RRC連接重建過程。對於控制平面CIoT EPS優化，不應用這些過程。

當eNB釋放連接時，請參見第4.5.2章“RRC連接釋放”，它也可以暫停UE。在這種情況下，UE轉換到RRC_IDLE狀態並存儲當前AS上下文。它可以稍後恢復具有該上下文的RRC_CONNECTED狀態。自動設置無線承載，並使用更新的密鑰激活安全性。此外，可以更改AS上下文的部分內容。顯然，這為不頻繁的小數據分組的傳輸節省了相當大的信令開銷。

RRC連接恢復如下圖所示：

當UE被配置用於用戶平面CIoT EPS優化並且配置有至少一個DRB時，可以僅應用恢復請求。 在接收到RRCConnectionResumeRequest時，eNB確定它是否接受該請求或者是否應該開始傳統的RRC連接建立。 如果eNB不接受恢復請求，則切換回連接請求：

在這種情況下，UE釋放存儲的AS上下文，並且不再可能為稍後的連接恢復該AS上下文。

當eNB在MIB-NB中指示接入受制於接入類別限制並且廣播SIB14-NB時，UE在其嘗試建立之前首先在其想要連接移動發起的信令或數據時進行接入禁止檢查。或恢復RRC連接。商業上可用的UE具有從0到9的訪問類。在SIB14-NB中，存在關聯的位圖，其包含每個訪問類的一個位。如果設置了與訪問類關聯的位，則禁止訪問該單元。然後，UE必須等待SIB14-NB的更新以再次檢查實際禁止狀態。請注意，對於某些特殊數據，可能會跳過此訪問限制檢查，具體取決於SIB14-NB設置。

如果拒絕連接請求或恢復請求，例如因為不再有空閒資源，eNB會回覆RRCConnectionReject。然後，UE必須等待拒絕消息提供的時間量。這樣，當由於太多UE同時啟動網絡連接的任何原因，eNB可以防止過度干擾。如果拒絕是用於恢復過程，則eNB指示是否應當釋放當前UE上下文或者進一步保存當前UE上下文以用於後續恢復請求。

4.5.2 RRC連接釋放

RRC連接釋放由eNB發起，如圖4-7所示。

對於用戶平面CIoT EPS優化，eNB可以在此指示與rrcSuspend標誌的連接的暫停。 在這種情況下，UE存儲AS上下文並且可以如上所述請求RRC連接恢復，否則AS上下文被刪除並且UE可以僅使用完整的RRC連接建立來獲得另一個RRC連接。

在該過程完成之後，UE進入RRC_IDLE狀態。

4.6 UE能力轉移

當UE連接到網絡時，eNB既不知道UE建立在哪個版本上，也不知道其中支持的可選特徵中的哪個。 為了獲得此信息，定義了UE Capability Transfer procudure，如圖4-8所示：

UE能力傳輸總是由eNB發起，因為UE不能知道eNB是否已經來自網絡或來自先前會話的該信息。

這些功能包括UE構建的版本，UE類別，支持的頻段列表以及建立多個承載的能力。 另外，UE可以指示其是否支持UL中的多載波操作和多音調傳輸。 此外，可以包含最大數量的RoHC上下文會話和支持的配置文件。該消息通常比相應的LTE消息小得多，因為省略了NB-IoT中不支持的所有LTE特徵，如進一步的接入技術或載波聚合。

4.7 尋呼

尋呼用於觸發RRC連接並指示用於處於RRC_IDLE模式的UE的系統信息的改變。

尋呼消息通過NPDSCH發送，並且可以包含要被尋呼的UE的列表和信息，無論尋呼是用於連接建立還是系統信息已經改變。在該列表中找到其ID的每個UE將其被尋呼的前向層轉發到其上層，並且可以依次接收用於初始化RRC連接的命令。如果系統信息已經改變，則UE開始讀取SIB1-NB並且可以從那裡獲得信息，必須再次讀取哪些SIB。

處於RRC_IDLE狀態的UE僅監視關於尋呼的一些SF，無線電幀子集內的尋呼時機（PO），尋呼幀（PF）。如果應用覆蓋增強重複，則PO指的是重複內的第一次傳輸。PF和PO由SIB2-NB中提供的DRX週期和USIM卡提供的IMSI確定。DRX是用於節省電池壽命的DL控制信道的不連續接收。支持128,256,512和1024個無線電幀的週期，對應於1.28s和10.24s之間的時間間隔。

由於確定PF和PO的算法也取決於IMSI，不同的UE具有不同的尋呼時機，其在時間上均勻分佈。UE足以監視DRX週期內的一個尋呼時機，如果其中存在多個尋呼時機，則在它們中的每一箇中重複尋呼。

擴展DRX（eDRX）的概念也可以應用於NB-IoT。這是使用第3.2.1章“幀和時隙結構”中概述的超幀來完成的。如果支持eDRX，則UE不監視尋呼消息的時間間隔可能會大大延長，向上差不多3小時。相應地，UE必須知道在哪個HFN以及該HFN內的哪個時間間隔，尋呼時間窗口（PTW），它必須監視尋呼。PTW由啟動和停止SFN定義。在PTW內，PF和PO的確定以與未擴展DRX相同的方式完成。

5 數據傳輸

如第2.2.1章“核心網絡”中所述，數據傳輸有兩種方式，即控制平面CIoT EPS優化和用戶平面CIoT EPS優化。 MME表示支持每個優化。 對於移動始發數據，UE可以在支持的選項中進行選擇。 對於移動終止數據，MME選擇優化並且可以考慮UE優先級，其在附連過程中用信號通知網絡。

5.1 控制平面CIoT EPS優化

對於控制平面CIoT EPS優化，UE和eNB之間的數據交換在RRC級別完成。 在DL中，數據分組可以捎帶在RRCConnectionSetup消息中或RRCConnectionSetupComplete消息中的UL中。 如果這還不夠，可以使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer這兩個消息繼續數據傳輸：

所有這些消息中包含一個包含NAS信息的字節數組，在這種情況下，它對應於NB-IoT數據包。 因此，它對eNB是透明的，並且UE的RRC將所接收的DLInformationTransfer的內容直接轉發到其上層。 在eNB和MME之間，通過S1-MME接口交換dedicatedInfoNAS。

對於此數據傳輸方法，不應用AS級別的安全性。 由於也沒有RRC連接重新配置，它可以分別在RRC連接建立或恢復過程之後或期間立即開始。 當然，必須在RRC連接釋放之後終止RRC連接。

5.2 用戶平面CIoT EPS優化

在用戶平面CIoT中，EPS優化數據通過網絡在傳統用戶平面上傳輸，即eNB將數據轉發到S-GW或從該節點接收數據。 為了保持UE複雜度低，可以同時僅配置一個或兩個DRB。

必須區分兩種情況：當先前的RRC連接被釋放且指示可能的恢復操作時，請參見第4.5.2節“RRC連接釋放”，可以請求連接作為恢復過程，如圖4-5。 如果此恢復過程成功，則使用更新的密鑰建立安全性，並且像在先前的連接中那樣設置無線承載。 如果沒有先前釋放的恢復指示，或者如果eNB不接受恢復請求，則必須建立安全性和無線電承載，如下一節所示。

5.2.1 數據連接的建立和配置

建立RRC連接後，如圖4-4或圖4-6所示，第一步是建立AS級安全性。 這是通過初始安全激活過程完成的：

在SecurityModeCommand消息中，eNB向UE提供要應用於SRB1和DRB的加密算法，以及用於保護SRB1的完整性保護算法。 為LTE定義的所有算法也包括在NB-IoT中。 使用此消息，SRB1bis會自動更改為SRB1，SRB1用於以下控制消息。

激活安全性後，使用RRC連接重新配置過程設置DRB：

在重新配置消息中，eNB向UE提供無線承載，包括RLC和邏輯信道的配置。 後者包括用於根據實際要求平衡數據傳輸的優先級。 PDCP僅配置為DRB，因為SRB僅使用默認值。

在所包括的MAC配置中，提供緩衝器狀態報告（BSR），調度請求（SR），時間對準和DRX的配置。 最後，物理配置提供了將數據映射到時隙和頻率的必要參數。

5.2.2 多載波配置

RRCConnectionReconfiguration可以包含UL和DL中的附加載波的設置，非錨定載波。

當在DL中提供非錨定載波時，UE將接收該頻率上的所有數據。這排除了僅在錨載波上接收的同步，廣播信息和尋呼。可以提供指示允許的DL SF的位圖。非錨定載波可以包含相當多的SF用於數據，因為它不需要同步和廣播信息。

一旦配置了非錨定載波，UE就在其處於RRC_CONNECTED狀態時單獨監聽該錨定載波。因此，UE僅需要一個接收器鏈。

在UL中，同樣的原則適用。如果配置了額外的UL載波，則UE僅將該一個用於數據傳輸，在該載波和錨載波中不存在同時傳輸。

對於DL和UL兩者，當UE被釋放到RRC_IDLE狀態時，UE返回到其錨定載波。

調度示例如圖5-4所示：

UE1配置有錨載波，UE2與DL和UL中的其他載波，以及UE3僅在DL上具有不同的載波。為簡單起見，該圖既不考慮下一節中解釋的NPDCCH週期，也不考慮DL數據不允許的SF。它只能以示意圖的方式解釋。

即使在帶內操作中，分配的DL載波也不限於表3-1中所示的值。該限制僅適用於那些發送NPSS，NSSS和NPBCH的載波，即可用作錨載波的載波。對於提供的DL頻率，允許所有載波。

該結構允許推出NB-IoT寬帶網絡，儘管每個UE僅具有一個具有窄帶寬可用的發送器/接收器鏈。同步，DL中廣播和UL中的NPRACH資源的開銷可以限於一個或視圖對的載波，而其他的可以完全用於數據傳輸。由於接收和發送從不同時進行並且總是分別限制在一個頻帶，因此UE僅具有一個帶寬為180kHz的發送器/接收器鏈就足夠了。

5.2.3 接收控制信道

在RRC連接狀態中，UE僅監視UE特定搜索空間（USS）以獲得其UL授權和DL指派。 重新配置消息包含最大重複次數，其範圍從1到2048，以2為2的冪。但是，實際重複次數可能更小，如下表所示：

對於實際重複次數小於其最大次數的情況，剩餘的SF可以用於向另一個UE發送不同的NPDCCH。 例如，如果最大重複次數是4，則所有SF可以包含一個UE的DCI，或者兩個SF可以分別用於兩個UE中的每一個，或者每個SF用於不同的UE。 當然，UE必須監視所有這些候選者。

重配置消息還包含用於描述NPDCCH週期的參數。 關於此期間的開始，USS在開始時或在週期長度的1 / 8,1 / 4或3/8的偏移處開始。

5.2.4 傳輸UL數據信道

DCI格式N0指示用於在NPUSCH上傳輸的UL許可，包括所有相關參數。 一個傳輸塊可以重複多次。 重複的安排取決於一個RU的子載波的數量，子載波間隔和重複的數量。 首先應該用圖5-5所示的例子來說明：

對於15kHz子載波間隔的情況，在兩個RU（a）上發送稱為測試字（TW）的傳輸塊，其中每個RU具有8個時隙（b）上的3個子載波的格式。總共應用8次重複。在圖5-5中，Tn表示第一個RU的第n個時隙，Wm是第二個RU的第m個時隙。

在第一步驟中，發送兩個時隙T1和T2。該對重複三次，因此這些插槽有4次傳輸。然後用接下來的兩個插槽完成相同的過程。這一直持續到槽W7和W8成對傳輸四次。最後，由於現在有4次重複TW，傳輸序列再次重複，達到這種方式8次重複。

在一般情況下，對於15kHz的子載波間隔總是進行兩個時隙的第一次重複。在3.75 kHz子載波間隔上，分別為每個插槽完成。如果RU具有多於一個子載波，則第一次重複的總數是上限為4的總重複次數的一半，或者如果RU僅具有一個子載波，則為1次。在上面的例子中，這意味著如果有32次重複，序列生成將如圖5-5（c）所示，但總序列將重複7次。

通常，序列映射到一組連續的槽。大量重複會發生異常。更準確地說，在256ms的傳輸之後，在NPUSCH傳輸繼續之前產生40ms的間隙。該間隙是必要的，因為當UE在NPUSCH上發送時，它不能同時接收DL信道，並且可能因此失去與eNB的同步。在此間隙期間，再次微調同步。

5.2.5 接收DL數據信道

DCI格式N1指示DL分配，其描述在NPDSCH上在何處以及如何發送數據符號。其原理與UL基本相同，請參見圖5-5中的示例，但數據包不會先分組到RU中。如果沒有重複，則將數據分組連續映射到時隙中並在NPDSCH SF中發送。

對於存在重複的情況，映射類似於多音UL。首先將兩個時隙的數據映射到一個SF，現在以總重複次數重複，再次上限為4。然後以相同的方式繼續映射，直到發送所有SF。最後，重複整個結構，直到達到所需的重複次數。

當DL數據包含SIB-NB信息時有一個例外。在這種情況下，如圖5-5（b）中的例子那樣連續發送時隙，然後將整個塊重複適當的次數。

傳輸間隙可以由RRC配置用於具有大量重複的NPDSCH傳輸。RRCConnectionReconfiguration消息可以提供重複次數有多大的信息，以便觸發這種間隙，週期性和它們出現的長度。當間隙發生時，NPDSCH傳輸被推遲到間隙之後的下一個可用SF。這些間隙不適用於攜帶MIB-NB或SIB-NB信息的NPDSCH。

6 總結和展望

利用版本13中規定的NB-IoT技術，3GPP創建了一種新的蜂窩空中接口，完全適應典型機器類型通信的要求。它針對小的和不頻繁的數據包進行了優化，並且避免了為此目的不需要的蜂窩功能。這樣，UE可以以成本有效的方式保持並且僅需要少量的電池電力。

數據傳輸保持在180kHz的小頻帶。然而，由於多頻帶結構，可以使用廣譜頻率。信令部分可以減少到一個或僅少數NB-IoT載波，而其餘的可以完全用於數據傳輸。這樣，雖然單個UE僅具有相對窄帶的發送器和接收器，但是相當大量的帶寬用於數據傳輸。

隨著第14版，NB-IoT的發展將繼續[14]。根據目前的計劃，NB-IoT將擴展到包括定位方法，例如所需的多播服務。用於軟件更新或有關整個組的消息，移動性和服務連續性，以及用於增強NB-IoT技術應用領域的進一步技術細節。

7 參考文獻

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[3] 3GPP TS 23.401 V13.6.1, March 2016; General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

[4] 3GPP TS 23.682 V13.5.0, March 2016; Architecture enhancements to facilitate communications with packet data networks and applications

[5] 3GPP TS 36.331 V13.2.0, June 2016; Radio Resource Control (RRC); Protocol specification

[6] 3GPP TS 36.300 V13.4.0, June 2016; Overall description

[7] 3GPP TS 36.101 V13.4.0, June 2016; User Equipment (UE) radio transmission and reception

[8] 3GPP TS 36.201 V13.2.0, June 2016; LTE physical layer; General description

[9] 3GPP TS 36.211 V13.2.0, June 2016; Physical channels and modulation

[10] 3GPP TS 36.212 V13.2.0, June 2016; Multiplexing and channel coding

[11] 3GPP TS 36.213 V13.2.0, June 2016; Physical layer procedures

[12] 3GPP TS 36.304 V13.2.0, June 2016; User Equipment (UE) procedures in idle mode

[13] 3GPP TS 36.321 V13.2.0, June 2016; Medium Access Control (MAC) protocol specification

[14] 3GPP RP-161324 3GPP Work Item Description Enhancements of NB-IoT

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