NB-IoT技术详解：基本概念、帧格式与资源结构
NB-IoT技术详解：基本概念、帧格式与资源结构
NB-IoT（Narrowband Internet of Things）是一种基于蜂窝网络的窄带物联网技术，主要应用于对时延和速率要求较低但覆盖范围和通信距离要求较高的场景。本文将详细介绍NB-IoT的基本概念、帧格式、物理信道和信号、部署方式以及上下行时频资源结构。
一、综述
在3GPP 36和38协议中，除了蜂窝网主题的协议外，还有NBIoT的相关协议。NBIoT字面意思也就是窄带物联网，个人理解为轻量级的LTE/NR协议，依然属于OFDM系列技术。主要应用于对延、速率要求比较低，但覆盖强通信距离较长的场景中，比如远程抄表、智慧停车场、共享单车管理等。
NB-IoT的物理层依然是OFDM技术协议族，其时频概念与LTE/NR一致。
二、帧格式
与LTE一样，R16以前的版本，NB-IoT只支持FDD模式，帧格式与LTE FDD一样。上行信道支持15KHz和3.75KHz。一个frame定义为10ms的长度。15KHz子载波的系统包含20个slot，每个slot的长度为0.5ms；3.75KHz系统包含5个slot，每个slot的长度为2ms。常规CP一个slot包含7个OFDM符号。
NB-IoT下行只支持15KHz子载波间隔，帧格式与LTE FDD一样。下图展示的是不同子载波间隔的帧结构和时隙长度。
三、物理信道和信号
NB-IoT上下行的物理信道和物理信号总结如下表。
链路 | 物理信道 | 物理信号 |
|---|---|---|
上行 | NPRACH | 解调参考信号 |
NPUSCH | ||
下行 | NPDSCH | NRS(与LTECRS类似) |
NPDCCH | NPRS | |
NPBCH | NSS（同步信号） |
上行包含的物理信道为：
- NPRACH：NB上行随机接入信道
- NPUSCH：NB上行共享信道
上行包含的物理信号为：
- NDMRS：NB解调参考信号
下行包含的物理信道为：
- NPDSCH：NB下行共享信道
- NPDCCH：NB下行控制信道
- NPBCH：NB广播信道
下行包含的物理信号为：
- NRS：NB参考信号，一般用于下行信道估计
- NPRS：NB定位信号
- NSS：NB同步信号
四、NB-IoT的部署
NB-IoT的工作带宽为180KHz，对于LTE来讲，刚好是一个PRB的宽度。所以NB-IoT的部署有三种方式：In-Band（带内）、Guard-Band（保护带）、Standalone（独立部署）。In-Band顾名思义就是在LTE的工作带宽内部署；Guard-Band就是利用LTE工作带宽外边缘的保护带；Standalone就是独立部署，与LTE工作频段无关。三种部署的方式如下图所示，图中的蓝色为NB-IoT资源块使用的带宽。
In-Band就是在LTE总做带宽内，用特定的RB来传输NB-IoT的数据。由于LTE的CRS有特定的位置，因此不是所有的RB都能用于传输NB-IoT，3GPP协议给出的不同带宽下可，可以用于发送NB-IoT的RB索引表格如下：
Guard band就是利用LTE工作带宽两边的保护带来发送NB-IoT的数据。一般情况下，LTE 20MHz带宽实际使用是100个RB，实际上只有18MHz是有效数据。边缘各有部分RB用作过渡带，因为滤波器在实际工程中边缘不可能是直线陡降的。这些保护带可以用于发送NB-IoT数据。协议规定的不同带宽下可以用于发送NB-IoT的RB索引如下：
五、上行时频资源结构
5.1、频域
上行采用两种子载波间隔：15KHz/3.75KHz。15Khz子载波占用一个RB（12个RE），3.75Khz占用48个RB。采用3.75KHz的好处一是可以增强覆盖，二是可以调度的子载波数更多更灵活。协议36.211中关于上行频域参数部分描述如下：
5.2、时域
由于是从LTE衍生出来的协议，NB时域调度与LTE一致，上行信道支持15KHz和3.75KHz。一个frame定义为10ms的长度。15KHz子载波的系统包含20个slot，每个slot的长度为0.5ms；3.75KHz系统包含5个slot，每个slot的长度为2ms。常规CP一个slot包含7个OFDM符号。
协议36.211里面的关于上行时域的描述为：
5.3、RU（Resource Unit）
众所周知，LTE一般以RE、RB为资源格调度的单位。由于上行有两种不同的子载波间隔，一个TTI里面slot个数和长度都不同，因此引入了RU的概念，它是时域slot和频域子载波两个维度联合的变量。具体配置如下表，其中
表示可用的子载波个数，
表示一个RU内的slot个数。对于NPUSCH 格式1,3.75KHz频域上只支持1个子载波，一个RU包含16个slot；15KHz支持[1 3 6 12]个子载波，对应的RU内的slot个数为[16 8 4 2],频域子载波个数越少，时域RU内的slot就越多，格式1一般用于传输业务信息。对于NPUSCH格式2，两种子载波都只支持1个子载波，1个RU内的slot个数都为2,格式2一般用于传输上行控制信息。RU是后面重复的重要参数。
六、下行时频资源结构
与上行不同，NB-IoT的下行频域与时域的资源结构与LTE一致，只支持15KHz子载波，调度单位为子帧，时域为1ms，包含两个slot。