摩拜、ofo抢着用的NB-IoT技术，听说你还不知道！？

图1 蜂窝物联网（IoT）的应用场景

NB-IoT是一种新的3GPP无线电接入技术，因为它不能完全向后兼容现有的3GPP设备。然而，它旨在实现与传统GSM，通用分组无线业务（GPRS）和LTE技术的出色的共存性能。对于下行链路和上行链路NB-IoT分别都需要180 kHz的最小系统带宽。最小系统带宽的选择可以帮助实现多种部署选择。

GSM运营商可以使用NB-IoT替换一个GSM载波（200 kHz）。 LTE运营商可以通过将180 kHz的物理资源块（PRB）中的一个分配给NB-IoT来部署，即在LTE载波内承载NB-IoT。我们后面将会介绍NB-IoT的空中接口被优化，以确保与LTE的协调共存，因此LTE载波内NB-IoT的这种“带内”部署不会影响LTE或者NB-IoT的性能。 LTE运营商还可以选择在LTE运营商的保护频段内部署NB-IoT。

NB-IoT广泛地重用LTE设计，包括数字下行链路的正交频分多址（OFDMA：orthogonal frequency-division multiple-access），以及数字上行链路的单载波频分多址（SC-FDMA：single-carrier frequency-division multiple-access），信道编码，速率匹配，交织等这大大减少了开发完整规格所需的时间。此外，同样对于现有的LTE设备和软件供应商而言，预计他们开发NB-IoT产品所需的时间将大大减少。 3GPP的NB-IoT工作项目的规范制定阶段于2015年9月开始实施，核心规范于2016年6月完成制定。

NB-IoT的商用产品和服务的推出时间大致在2016年底和2017年初，日前在上海开幕的2017CES Asia（亚洲消费电子展）上，中国移动了推出一款目前全球尺寸最小eSIM NB-IoT通信模组M5310，　M5310是中国移动自主研发的NB-IoT工业级通信模组，为目前世界上同类产品中最小尺寸，仅19×18.4×2.7mm，节省布板面积达30%以上。模组采用的是海思Hi2110芯片，支持eSIM技术以及OneNET平台协议，这使其适合物联网终端的无线连接，能够有效解决当前物联网的诸多问题，适用于智能抄表、智能停车、智能楼宇、智能家居等行业，助推中国移动在物联网领域业务的有效落地。

此外，中国移动还发布了NB-IoT/Emtc/GSM三模通信模组A9500，以及2G模组M6312。其中A9500采用高通MDM9206芯片，支持语音通话以及TCP/IP协议。而工业级的M6312还支持FOTA、OpenCPU功能，适用于电力、石油、燃气、物流、金融等领域。

在本文中，我们提供NB-IoT空中接口的最新概述，重点介绍NB-IoT与传统LTE不同的关键方面。特别地，我们强调有助于实现上述设计目标的NB-IoT功能。

NB-IoT的传输方案和部署选项

2.1

下行传输方案

NB-IoT的下行链路基于与LTE相同的15kHz子载波间隔的OFDMA。与LTE中相同，其时隙，子帧和帧持续时间分别为0.5ms，1ms和10ms。此外，在循环前缀（CP）持续时间和每时隙的OFDM符号数量以及时隙格式方面也与LTE中的相同。实质上，NB-IoT载波在频域中使用一个LTE PRB（ PHYSICAL RESOURCE BLOCK），即总共180kHz的十二个15kHz子载波。NB-IoT重用与LTE相同的OFDM处理机制，可确保其在下行链路中实现与LTE的共存性能。例如，当NB-IoT部署在LTE载波内时，在下行链路中保持了NB-IoT PRB与所有其他LTE PRB之间的正交性。

2.2

上行传输方案

NB-IoT的上行链路支持多音和单音传输。多音传输基于具有与LTE相同的15kHz子载波间隔，0.5ms时隙和1ms子帧的SC-FDMA传输模式。单音传输支持两个数字子载波带宽，15 kHz和3.75 kHz。 15 kHz的处理机制与LTE相同，从而在上行链路中实现与LTE的最佳共存性能。 3.75 kHz单音命令使用2ms时隙。类似于下行链路，上行链路NB-IoT载波使用180kHz的总系统带宽。

2.3

部署选项

NB-IoT可以使用超过180 kHz的任何可用频谱作为独立载波部署。也可以在LTE载波内或在保护频带内的LTE频谱分配内部署。这些不同的部署场景如图2所示。然而，当首次打开用户设备（UE）并搜索NB-IoT运营商时，采用的是独立的，带内或保护带的部署场景应该是透明的。类似于现有的LTE UE，NB-IoT UE仅需要在100kHz的分辨率上搜索载波。旨在促进UE初始同步的NB-IoT载波被称为锚载波（anchor carrier）。 100 kHz UE搜索光栅意味着对于带内部署，锚定载波只能放置在某些PRB中。例如，在10MHz LTE载波中，与100kHz网格最佳对准并且可以用作NB-IoT锚定载波的PRB的索引为4,9,14,19,30,35,40， PRB索引从索引0开始，在LTE系统带宽内占用最低频率的PRB。

图3 NB-IoT下行物理信道与信号之间的时间复用

NPSS和NSSS由NB-IoT UE用于执行小区搜索，其包括时间和频率同步以及小区识别检测。由于传统的LTE同步序列占用6个PRB，所以NB-IoT不能重用这些PRB。因此引入了新的设计。

NPSS在每10ms帧的子帧＃5中使用子帧中的最后11个OFDM符号来发送。从UE的观点来看，NPSS检测是计算量最大的操作之一。为了有效实施NPSS检测，NB-IoT使用分层序列。对于子帧中的11个NPSS OFDM符号中的每一个，发送或－，其中是基于具有根索引5的长度为11的Zadoff-Chu（ZC）序列生成的基本序列。长度为11的ZC序列映射到NB-IoT PRB内的最低11个子载波上。

NSSS具有20ms的周期性，并且在子帧＃9中传输，也使用由总共132个资源元素组成的最后11个OFDM符号。 NSSS是一个长度为132的频域序列，每个元素映射到资源元素。 NSSS通过ZC序列和二进制加扰序列之间的元素乘法生成。 ZC序列的根和二进制加扰序列由窄带物理单元标识（NB-PCID）确定。 ZC序列的循环移位进一步由帧号决定。

NPBCH携带主信息块（MIB），并在每帧的子帧＃0中发送。在640 ms传输时间间隔（TTI）中，MIB保持不变。

NPDCCH承载下行链路和上行链路数据信道的调度信息。它还携带用于上行链路数据信道的HARQ确认信息以及寻呼指示和随机接入响应（RAR）调度信息。 NPDSCH携带来自较高层的数据以及寻呼消息，系统信息和RAR消息。如图3所示，存在可以分配用于承载NPDCCH或NPDSCH的多个子帧。为了降低UE复杂度，所有下行链路信道都使用LTE尾部卷积码（TBCC）。此外，NPDSCH的最大传输块大小为680位。相比之下，没有空间复用的LTE支持的最大TBS大于70,000比特。

NRS用于为下行链路信道的解调提供相位参考。 NRS与携带NPBCH，NPDCCH和NPDSCH的子帧中的信息携带符号进行时间和频率复用，每个天线端口每个子帧使用8个资源元素。

3.2

上行

NB-IoT在上行链路中包括以下信道：

窄带物理随机接入信道（NPRACH：Narrowband Physical Random Access Channel）

窄带物理上行链路共享信道（NPUSCH：Narrowband Physical Uplink Shared Channel）

NPRACH是新设计的信道，因为传统的LTE物理随机接入信道（PRACH）使用1.08MHz的带宽，大于NB-IoT上行带宽。一个NPRACH的preamble（前导码）由4个符号组组成，每个符号组由一个CP和5个符号组成。当覆盖小区的半径高达10公里时，CP长度为66.67?us（格式0），而当覆盖小区的半径最大为40公里时，CP的长度为266.7 us（格式1）。具有固定符号值1的每个符号在3.75kHz音调下调制，符号持续时间为266.67?us。然而，单音频率指数从一个符号组变到另一个符号组。 NPRACH前导码的波形被称为单音频跳频。图4中示出了NPRACH跳频的一个例子。为了支持覆盖扩展，NPRACH前导码（preamble ）可以重复128次。