1、NB-IOT 技术及优化目录1.NB-IOT 关键技术 .51.1 强覆盖： .51.2 低成本： .51.3 小功耗： .71.4 大连接： .82.NB-IOT 帧结构 .92.1 下行物理层结构 .92.2 上行物理层结构 .102.3 上行资源单元 RU .113.NB-IOT 网络架构 .123.1 CP 和 UP 传输方案 .133.2 CP 和 UP 方案传输路径对比 .143.3 CP 和 UP 协议栈对比 .143.3.1 CP 方案的控制面协议栈 .143.3.2 UP 方案的控制面协议栈 .152.4 状态转换 .154.信令流程 .184.1 CP 传输方案端到端信令流
2、程 .184.2 RRC 连接建立过程 .204.3 UP 传输方案端到端信令流程 .224.4 RRC 挂起流程（Suspend Connection procedure） .244.5 RRC 恢复流程（Resume Connection procedure） .254.6 CP/UP 方案网络协商流程 .265.覆盖优化 .285.1 弱覆盖 .285.2 SINR 差 .285.3 重叠覆盖问题点 .285.4 覆盖指标要求: .286.重选优化 .286.1 重选时延统计方法： .296.2 判断小区重选是否成功： .296.3 重选成功率统计： .296.4 脱网重搜时延统计： .
3、297. 参数优化： .30覆盖等级门限 .30SIB1 重复次数 .30SIB2 周期 .30同频重选测量门限配置标示 .31同频小区重选指示 .31加密算法优先级 .31完整性保护算法优先级 .32MIB 和 SIB 加扰开关 .33eDRX 开关 .33定时器 T300 .33定时器 T310 .34UE 不活动定时器 .341.NB-IOT 关键技术NB-IOT 属于 LPWA 技术的一种，它具备强覆盖、低成本、小功耗、大连接这四个关键特点。1.1 强覆盖：较 GSM 有 20db 增益，1、采用提升 IOT 终端的发射功率谱密度（PSD，Power spectral density
4、） ；2、通过重复发送，获得时间分集增益，并采用低阶调制方式，提高解调性能，增强覆盖；3、天线分集增益，对于 1T2R 来说，比 1T1R 会有 3db 的增益。20db= 7db（功率谱密度提升）+ 12db（重传增益）+ 0-3db （多天线增益）1.2 低成本：NB-IOT 基于成本考虑，对 FDD-LTE 的全双工方式进行阉割，仅支持半双工。带来的好处当然是终端实现简单，影响是终端无法同时收发上下行，无法同时接收公共信息与用户信息。上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行；基站/终端在不同的时间进行信道的发送/ 接收或者接收/发送 ；H-FDD 与 F-FDD 的差别在于终端不允许同时
5、进行信号的发送与接收，终端相对全双工 FDD 终端可以简化，只保留一套收发信机即可，从而节省双工器的成本；NB-IOT 终端工作带宽仅为传统 LTE 的 1 个 PRB 带宽（ 180K） ，带宽小使得 NB不需要复杂的均衡算法。带宽变小后，也间接导致原有宽带信道、物理层流程简化。下面仅粗略讲解，以后单独成系列篇讲解物理层。下行取消了 PCFICH、PHICH 后将使得下行数据传输的流程与原 LTE 形成很大的区别，同样一旦上行取消了 PUCCH，那么必然要解决上行控制消息如何反馈的问题，这也将与现网 LTE 有很大的不同。终端侧 RF 进行了阉割，主流 NB 终端支持 1 根天线（协议规定
6、NRS 支持 1 或者 2 天线端口）天线模式也就从原来的 1T /2R 变成了现在的 1T/1R，天线本身复杂度，当然也包括天线算法都将有效降低FD 全双工阉割为 HD 半双工，收发器从 FDD-LTE 的两套减少到只需要一套低采样率，低速率，可以使得缓存 Flash/RAM 要求小（28 kByte）低功耗，意味着 RF 设计要求低，小 PA 就能实现直接砍掉 IMS 协议栈，这也就意味着 NB 将不支持语音（注意实际上 eMTC 是可以支持的）各层均进行优化PHY 物理层：信道重新设计，降低基本信道的运算开销。比如 PHY 层取消了PCFICH、PHICH 等信道，上行取消了 PUCCH
7、 和 SRS。 MAC 层：协议栈优化，减少芯片协议栈处理流程的开销。仅支持单进程 HARQ（相比于 LTE 原有的最多支持 8 个进程 process，NB仅支持单个进程。 ） ；不支持 MAC 层上行 SR、SRS、CQI 上报。没了 CQI，LTE 中的 AMC（自适应调制编码技术）功能不可用 不支持非竞争性随机接入功能；功控没有闭环功控了，只有开环功控（如果采用闭环功控，算法会麻烦得多，调度信令开销也会很大） 。RLC 层：不支持 RLC UM（这意味着没法支持 VoLTE 类似的语音） 、TM 模式（在 LTE 中走 TM 的系统消息，在 NB 中也必须走 AM） ；PDCP ：PD
8、CP 的功能被大面积简化，原 LTE 中赋予的安全模式、 RoHC 压缩等功能直接被阉割掉；在 RRC 层：没有了 mobility 管理（NB 将不支持切换） ；新设计 CP、UP 方案简化 RRC 信令开销；增加了 PSM、eDRX 等功能减少耗电。1.3 小功耗：PSM 技术原理，即在 IDLE 态下再新增加一个新的状态 PSM（idle 的子状态） ，在该状态下，终端射频关闭（进入冬眠状态，而以前的 DRX 状态是浅睡状态） ，相当于关机状态（但是核心网侧还保留用户上下文，用户进入空闲态/连接态时无需再附着/PDN 建立） 。在 PSM 状态时，下行不可达，DDN 到达 MME 后，M
9、ME 通知 SGW 缓存用户下行数据并延迟触发寻呼；上行有数据/信令需要发送时，触发终端进入连接态。终端何时进入 PSM 状态，以及在 PSM 状态驻留的时长由核心网和终端协商。如果设备支持 PSM（Power Saving Mode） ，在附着或 TAU（Tracking Area Update）过程中，向网络申请一个激活定时器值。当设备从连接状态转移到空闲后，该定时器开始运行。当定时器终止，设备进入省电模式。进入省电模式后设备不再接收寻呼消息，看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中。UE 进入 PSM 模式后，只有在 UE 需要发送 MO 数据，或者周期 TAU/RAU 定时器超时后
10、需要执行周期TAU/RAU 时，才会退出 PSM 模式，TAU 最大周期为 310 小时。eDRX(Extended DRX) DRX 状态被分为空闲态和连接态两种，依次类推 eDRX 也可以分为空闲态 eDRX 和连接态的 eDRX。不过在 PSM 中已经解释，IOT 终端大部分呆在空闲态，所以咱们这里主要讲解空闲态 eDRX 的实现原理。eDRX 作为 Rel-13 中新增的功能，主要思想即为支持更长周期的寻呼监听，从而达到节电目的。传统的 2.56s 的寻呼间隔对 IOT 终端的电量消耗较大，而在下行数据发送频率小时，通过核心网和终端的协商配合，终端跳过大部分的寻呼监听，从而达到省电的目
11、的。1.4 大连接：每个小区可达 50K 连接，这意味着在同一基站的情况下，NB-IoT 可以比现有无线技术提供 50100 倍的接入数。第一：NB 的话务模型决定。NB-IoT 的基站是基于物联网的模式进行设计的。它的话务模型是终端很多，但是每个终端发送的包小，发送包对时延的要求不敏感。基于 NB-IoT，基于对业务时延不敏感，可以设计更多的用户接入，保存更多的用户上下文，这样可以让 50k 左右的终端同时在一个小区，大量终端处于休眠态，但是上下文信息由基站和核心网维持，一旦有数据发送，可以迅速进入激活态。第二：上行调度颗粒小，效率高。2G/3G/4G 的调度颗粒较大，NB-IoT 因为基于
12、窄带，上行传输有两种带宽 3.75KHz 和 15KHz 可供选择，带宽越小，上行调度颗粒小很多，在同样的资源情况下，资源的利用率会更高。第三：减小空口信令开销，提升频谱效率。NB-IoT 在做数据传输时所支持的 CP方案（实际上 NB 还支持 UP 方案，不过目前系统主要支持 CP 方案）做对比来阐述NB 是如何减小空口信令开销的。CP 方案通过在 NAS 信令传递数据（DoNAS） ，实现空口信令交互减少，从而降低终端功耗，提升了频谱效率。2.NB-IOT 帧结构2.1 下行物理层结构根据 NB 的系统需求，终端的下行射频接收带宽是 180KHZ。由于下行采用15KHZ 的子载波间隔，因此
13、 NB 系统的下行多址方式、帧结构和物理资源单元等设计尽量沿用了原有 LTE 的设计。频域上：NB 占据 180kHz 带宽（ 1 个 RB） ，12 个子载波（subcarrier） ，子载波间隔（subcarrier spacing）为 15kHz。时域上：NB 一个时隙（slot）长度为 0.5ms，每个时隙中有 7 个符号（symbol ） 。NB 基本调度单位为子帧，每个子帧 1ms（2 个 slot） ，每个系统帧包含 1024 个子帧，每个超帧包含 1024 个系统帧（up to 3h） 。这里解释下，不同于 LTE，NB 中引入了超帧的概念，原因就是 eDRX 为了进一步省电，
14、扩展了寻呼周期，终端通过少接寻呼消息达到省电的目的。1 个 signal 封装为 1 个 symbol7 个 symbol 封装为 1 个 slot2 个 slot 封装为 1 个子帧10 个子帧组合为 1 个无线帧1024 个无线帧组成 1 个系统帧（LTE 到此为止了）1024 个系统帧组成 1 个超帧，over 。这样计算下来，1024 个超帧的总时间=(1024*1024*10)/(3600*1000)=2.9h.2.2 上行物理层结构频域上：占据 180kHz 带宽（1 个 RB） ，可支持 2 种子载波间隔：15kHz：最大可支持 12 个子载波：如果是 15KHZ 的话，那就真是
15、可以洗洗睡了。因为帧结构将与 LTE 保持一致，只是频域调度的颗粒由原来的 PRB 变成了子载波。关于这种子帧结构不做细致讲解。 3.75kHz：最大可支持 48 个子载波：如果是 3.75K 的话，首先你得知道设计为3.75K 的好处是哪里。总体看来有两个好处，一是根据在NB-IOT 强覆盖之降龙掌谈到的，3.75K 相比 15K 将有相当大的功率谱密度 PSD 增益，这将转化为覆盖能力，二是在仅有的 180KHZ 的频谱资源里，将调度资源从原来的 12 个子载波扩展到 48 个子载波，能带来更灵活的调度。支持两种模式： Single Tone （1 个用户使用 1 个载波，低速物联网应用，针对 15K 和 3.75K的子载波都适用，特别适合 IOT 终端的低速应用）Multi-Tone （1 个用户使用多个载波，高速物联网应用，仅针对 15K 子载波间隔。特别注意，如果终端支持 Multi-Tone 的话必须给网络上报终端支持的能力）
