深挖NB-IoT技术，究竟有哪些神奇之处？

NRS与承载NPBCH、NPDCCH和NPDSCH的子帧中的信息承载符号时频复用，每天线端口每子帧使用8个RE。

上行

对于上行链路，NB-IoT定义了两种物理信道：
①NPUSCH，窄带物理上行共享信道。
②NPRACH，窄带物理随机接入信道。
还有DMRS，上行解调参考信号。

NPRACH

由于LTE的PRACH信道带宽为1.08MHz，这远远高于NB-IoT上行带宽，因此需重新设计。

和LTE的Random Access Preamble使用ZC序列不同，NB-IoT的Random Access Preamble是单频传输（3.75KHz子载波），且使用的Symbol为一定值。一次的Random Access Preamble传送包含四个Symbol Group，一个Symbol Group是5个Symbol加上一CP（如下图）。
 

一个NPRACH preamble（前导码）由四个Symbol Group组成。每个Symbol Group之间会有跳频。选择传送的Random Access Preamble即是选择起始的子载波。

 
▲NPRACH跳频

当CP长度为66.67s (Format 0) 时，小区覆盖半径达10公里。当CP长度为266.7s (Format 1) ，覆盖半径达40公里。为了扩展覆盖，NPRACH preamble可重复128次。

NPUSCH

NPUSCH用来传送上行数据以及上行控制信息，传输可使用单频或多频传输（前面介绍过）。

NPUSCH定义了两种格式：Format 1和Format 2。

Format 1为UL-SCH上的上行信道数据而设计，使用与LTE相同的Turbo码纠错，其资源块大小远低于LTE，不大于1000 bits。

Format 2用于NPDSCH的HARQ确认信令，传送上行控制信息（UCI），使用重复码来纠错。

映射到传输快的最小单元叫资源单元（RU，resource unit），它由NPUSCH格式和子载波空间决定。

有别于LTE系统中的资源分配的基本单位为子帧，NB-IoT根据子载波和时隙数目来作为资源分配的基本单位，如下表所示：
 

对于NPUSCH format 1，当子载波空间为3.75 kHz时，只支持单频传输，一个RU在频域上包含1个子载波，在时域上包含16个时隙，所以，一个RU的长度为32ms。

当子载波空间为15kHz时，支持单频传输和多频传输，一个RU包含1个子载波和16个时隙，长度为8ms；当一个RU包含12个子载波时，则有2个时隙的时间长度，即1ms，此资源单位刚好是LTE系统中的一个子帧。资源单位的时间长度设计为2的幂次方，是为了更有效的运用资源，避免产生资源空隙而造成资源浪费。

对于NPUSCH format 2，RU总是由1个子载波和4个时隙组成，所以，当子载波空间为3.75 kHz时，一个RU时长为8ms；当子载波空间为15kHz时，一个RU时长为2ms。

NPUSCH format 2调制方式为BPSK。

NPUSCH format 1调制方式分为以下两种情况：

●包含一个子载波的RU，采用BPSK和QPSK。
●其它情况下，采用QPSK。

这地方有点绕，换句话来理解：

①NPUSCH支持15 kHz或3.75 kHz单频传输，为了降低峰均功率比（PAPR），单频传输则使用π/2 BPSK或π/4 QPSK。

②NPUSCH若支持多频传输，则使用QPSK。

（补充：NB-IoT下行调制采用QPSK，下行信道编码采用TBCC，上行信道编码为Turbo码）

DMRS

DMRS用于信道估计。NPUSCH Format 1格式与LTE PUSCH时隙结构相同，每时隙7个OFDM符号，中间一个符号作为DMRS。Format 2格式同样为每时隙7个OFDM符号，但将中间3个符号用作DMRS。
 

5.4 资源映射

在本节中，我们将描述NB-IoT资源映射如何部署在LTE载波中，以确保与LTE的最佳共存性能。实质上，通过避免将NB-IoT信号映射到已经由传统LTE信号已经使用的资源元素来保持与LTE信号的正交性。

为了确保与LTE系统共存，必须避免NB-IoT信号映射到LTE已使用的RE（Resource Element，LTE物理资源中最小的资源单位），以保持两者间的正交性。
 

如上图所示，每一列表明一个OFDM符号中的RE，每个OFDM符号有12个RE（对应12个子载波）。

对于独立部署和保护带部署模式，不需要保护LTE资源。因此，NPDCCH, NPDSCH和NRS可以使用PRB中的所有资源。

对于带内部署模式，NPDCCH, NPDSCH和NRS不能映射到已被LTE CRS和PDCCH占用的RE上。

NB-IoT终端通过小区搜索来获知部署模式（带内/保护带/独立部署）和CI，然后确定哪些RE被LTE使用，终端再映射NPDCCH和NPDSCH符号到可用RE。NPSS，NSSS和NPBCH在初始同步和获取主系统信息时，并不知道部署模式，为此，NPSS，NSSS和NPBCH避免使用每一子帧的前三个OFDM符号，因为这些资源可能会被LTE PDCCH使用。

5.5 同步

同步是蜂窝通信系统中一个重要环节。当终端第一次开机后，需要检测一个"合适的小区"(suitable cell)来驻留，然后获取符号、子帧、帧定时以及与载波频率同步。为了频率同步，终端需要从基站获取同步信息，同步调校，以纠正因本地振荡器不精准而引起的频率偏差。另外，由于存在多个小区，终端需基于NB-PCID识别其指定小区。

因此，整个同步过程实际包括时间同步校准，频偏校正，获取CI和子帧和帧号参考。

NB-IoT的特点是低成本和强覆盖。低成本意味着NB-IoT终端配置低成本的晶振，其初始载波频偏可高达20 ppm。加之我们前文所述的带内和保护带部署模式下会引入额外的2.5KHz或7.5KHz栅格偏移，这会进一步加大载波频偏。对于NB-IoT的另一个特点———增强覆盖，意味着很多终端位于地下室一类的非常低的SNR网络环境。

如何在载波频偏和低SNR环境下完成精准的同步呢？尽管NB-IoT的同步过程和LTE相似，但为了解决上述两个问题，NB-IoT对同步序列进行了改动。

如前所述，NPSS和NSSS被用来完成同步，NPSS占用每帧的子帧＃5，NSSS占用每个偶数帧的子帧＃9。 NPSS用于获取符号定时和载波频偏，NSSS用于获取NB-PCID，时长为80ms块。对于超低SNR环境下的终端，要完成检测，单个10ms时间是不够的，需要一个累计的过程，多个10ms才行。NPSS就是基于这样的时间累计来设计的，其原理就是用时间来换精确性，用加权累积过程来纠正频偏。覆盖信号越差的终端，需要的累加次数越高。

NPSS和NSSS同步完成后，终端获取了符号定时、载波频偏和NB-PCID等信息。然后，终端获取MIB信息，其通过位于每帧中的子帧#0的NPBCH信道广播。NPBCH由8个自解码子块组成，每个子块重复8次，每个子块占用8个连续帧的子帧＃0，这样设计的目的就是为了让处于深度覆盖的终端成功获取信息。

通过以上设计，NB-IoT有效的补偿了载波频偏，并完成NPSS和NSSS同步、获取MIB信息。至于栅格偏移，尤其是7.5KHz的偏移，有点不好解决。

7.5kHz栅格偏移会导致5.33秒（假设载波频率为900 MHz）的符号定时漂移，这大于了循环前缀的持续时间，会破坏OFDM的下行链路的正交性。唯一的办法就是牺牲成本，提升计算复杂度，以提高检测性能。

所以，这里解决了那道作业题"联通900M只有6M带宽这种情况，怎么办？"。

至于较小的栅格偏移，由于每10个子帧中只有一个NPBCH子帧，是可实现的。

5.6 随机接入

当需建立无线链路和调度请求时，NB-IoT会执行随机接入。随机接入的一个主要目的是实现上行链路同步，以保持上行正交性。

类似于LTE，NB-IoT基于竞争的随机接入包括四个步骤：