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首页NB-IoT物理层协议详解与设计探讨
"《NB-IoT协议深度解析》 这份文档深入探讨了窄带物联网(NB-IoT)物理层协议的关键要素,主要针对3GPP Release 14的标准。NB-IoT是Release 13中引入的一种低功耗物联网技术,专为满足大规模连接和低能耗应用设计。它在物理层上与常规的LTE协议有所区别,旨在简化设计,降低用户设备(UE)的功耗和复杂性,同时保持与现有LTE网络的兼容。 第1章首先介绍了NB-IoT的基本方案设计。这一部分详细分析了NB-IoT的基本要求,如使用的小带宽(180kHz)和两种子载波间隔(3.75kHz和15kHz),以及其与LTE协议的独立性。物理层的设计原则着重于低功耗和易用性。物理层协议的核心部分,如控制和测量上报、传输信道的提供,主要在TS36.211、TS36.212、TS36.213和TS36.214中找到,而RRC和MAC层的协议,如TS36.331和TS36.321,也与物理层紧密相关。 第二章深入解析了基本方案设计的细节。2.1节简述了NB-IoT如何基于LTE网络构建,强调了其窄带特性对功耗和复杂性的减小。图2-1展示了物理层在整体协议架构中的位置,负责控制、测量上报和数据传输服务的实现。物理层协议的结构图(图2-2)进一步明确了各个协议的作用和交互。 总结来说,这份文档通过详细解读NB-IoT物理层协议,为理解其工作原理、设计决策和与其他层的协作提供了深入视角。对于那些对NB-IoT技术感兴趣的开发者和研究者,这是一份宝贵的参考资料,有助于他们在实际项目中更好地应用和优化NB-IoT通信技术。"
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含义
)(
,CMAX
iP
c
第
c
个
carrier
上的
UE
最大上行信号发射功率,单位
dBm
M
NPUSCH,c
(i)
NPUSCH 占据的 RB 个数
P
O_PUSCH,c
(j)
NPUSCH 数据基本发送功率,与调度类型相关,
P
O_PUSCH,c
(j) = P
O_NOMINALPUSCH,c
(j)+P
O_UE_PUSCH,c
(j)
P
O_NOMINALPUSCH,c
(1)
和
P
O_UE_PUSCH,c
(1)
均有高层配置;
P
O_UE_PUSCH,c
(2)=0
,
sg3PREAMBLE_MO_PREc_NPUSCH,O_NORMINAL
)2( PP
,P
O_PRE
和
PREAMBLE_Msg3
均由高层配置
)(j
c
路损补偿权重,
j=1
且使用
NPUSCH format 2
时,取值为
0
j=1
且使用
NPUSCH format 1
时,由高层配置
j=2 时,取值为 0
c
PL
路损
NOTE
:
j=1
对应动态调度数据;
j=2
对应
MSG 3
相比常规 LTE 协议中的 PUSCH 发射功率计算公式,这里没有 TPC 调整量
)(if
c
,
以及 UL-SCH 与 UCI 同时传输的调整量
)(
cTF,
i
,其他各项含义与常规 LTE 协议定义的
一致。
此时 UE 仍然需要上报 PHR 用于支持 eNB 的相关测量和统计,PHR 由下式计算
得到,
c CMAX, O_NPUSCH,c
( ) ( ) (1) (1)
c c c
PH i P i P PL
3.3.2.2. NPRACH
与常规
LTE
协议类似,
NPRACH
使用开环功控,如图
3-3
所示,若没有收到响应
该 preamble 的 RAR,则增加功率继续发送,
图 3-3 NPRACH 开环功控示意图
NPRACH 发射功率如下式所示,
NPRACH
rep
NPRACH
repcCMAX
NPRACH
rep
NPRACH
repcTARPREAMBLENBcCMAX
NPRACH
NNiP
NNPLPiP
P
min_,
min___,
)(
}),(min{
其中
ul
ꩰʴለ萘
表示 preamble 的重 复传输次数 ,
ul
ꩰʴለ萘
为上层配 置的用于确 定
NPRACH
发射功率的门限,
TARPREAMBLENB
P
__
由
MAC
层计算,与
preamble
的重发次数
相关,详见
MAC
层协议
TS36.321
,
5.1.3
小节,本文不做分析。
3.3.3 下行功控流程
3.3.3.1. NPBCH/NPDCCH/NPDSCH
与常规
LTE
协议不同,
NB-IoT
协议中不再支持半静态调整下行信道发射功率(即
调整
ለ
和
),所有下行信道(NPBCH/NPDCCH/NPDSCH)都适用于固定倍数于
NRS 发射功率进行传输。
单天线场景:发射功率相对于
NRS
偏移
0dB
双天线场景:发送功率相对于 NRS 偏移-3dB
3.3.3.2. CRS
IBSP 模式下,UE 可能需要基于 CRS 进行信道测量。CRS 的发射功率由高层参数
nrs-CRS-PowerOffset 配置。
若没有配置该参数,则默认
CRS
发射功率与
NRS
一致。
3.3.3.3. NRS
NRS 发射功率有上层配置参数确定:nrs-Power + nrs-PowerOffsetNonAnchor,前
者表示
anchor carrier
上的
NRS
发射功率,后者表示
non-anchor carrier
上的 发射功率偏
置,没有配置时取值为 0。
注意:若 IBSP 模式下配置的 nrs-CRS-PowerOffset 不为整数,则 nrs-Power 取值比
上层指示的 值大
0.23dBm
。
3.3.3.4. NPRS
当前物理层协议没有规定 NPRS 的发送功率。
3.4
随机接入
3.4.1 概述
与常规 LTE 协议的设计类似,UE 完成下行同步并接收到对应小区的 SI(包括
MIB 和 SIB)信息后,可由上层触发随机接入流程。
随机接入处理中,物理层的相关处理流程包括,
Preamble 传输流程
RAR 传输流程
类似的,
NB-IoT
中的随机接入流程包括竞争随机接入和非竞争随机接入两类。
竞争随机接入可以由 UE 自行触发或 eNB 触发,前者用于 UE 初始(或重新)接
入小区和申请上行数据传输(SR)。其流程如下图 3-4 所示,完整的竞争随机接入流程
包括 触发 、发 起、 竞争 解决 和结 束四 个子 过程 ,与 物理层 相关 的为 过程 ,包 括
preamble
和
RAR
的传输。
非竞争随机接入只能由 eNB 触发,此时 eNB 通过 PDCCH order 指示 UE 按照指定
的 NPRACH 资源发起随机接入。此时 eNB 也可通过 PDCCH order 指示 UE 发起竞争
随机接入。
图 3-4 竞争随机接入流程图
3.4.2 时序
随机接入过程中的时序如下图 3-5 所示,
图 3-5 随机接入时序
其中,
若随机接入为
PDCCH order
触发,
UE
需要在相应的
NPDCCH
传输完成
8ms
后,选择指示的 PRACH 资源发送 preamble;
若 UE 没 有 收 到 承 载 在 NPDCCH 上 的 RAR 调 度 信 息 , UE 只 能 在 RAR
window 结束 12ms 后,选择合适的 PRACH 资源发送 preamble;
若
UE
没有收到期望的
RAR
或解析
RAR
失败(已收到
RAR
调度信息),
UE
只能在 RAR 结束 12ms 后,选择合适的 PRACH 资源发送 preamble;
若 preamble 重复发送的次数小于 64,RAR window 与 preamble 之间的 GAP 期
长度为
3ms
,否则为
40ms
;
承载 RAR 的 DCI 必须在 RAR window 中传输, RAR 可能不在 RAR window
中传输,
RAR window
长度由高层配置,
ra-ResponseWindowSize
,与
CE level
相关
3.4.3 PDCCH order
PDCCH order
承载在
NPDCCH
上,主要承载以下信息
NPRACH 的起始子载波序号 n
sc
,等于 DCI 中的 I
sc
字段取值,其等效于常规
LTE 协议中的 preamble ID;
NPRACH
的重复发送次数
N
rep
,由
DCI
中的
I
rep
指示,对应关系如下 表
3-3
所示,其中 R
1
、R
2
、R
3
由高层配置,R
1
<R
2
<R
3
;
NPRACH 发 送 载 波 , 该 信 息 为 可 选 配 置 , 仅 在 高 层 配 置 了 nprach-
MultiCarrierConfig
的场景下对支持
multiCarriere-NPRACH
的
UE
生效;
表 3-3 N
rep
取值表
Rep
I
Rep
N
0
R1
1
R2
2
R3
3
Reserved
3.4.4 preamble
与常规 LTE 协议不同,NPRACH 的传输基于跳频实现。NPRACH 也不遵循上行
子帧结构,而是按照自己的格式在约定的时间内发送。
NPRACH
以特别定义的
symbol
group 为基本单位进行传输,这意味着 NPRACH 传输时只要求开始传输时间点与子帧
边界对齐。
每个
symbol group
包含
1
个
CP
和
5
个
symbol
,一次
preamble
的传输需要连续传
输 4*
NPRACH
rep
N
次 preamble group,本文记 4 次 preamble group 为一个 preamble block,如
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