NB-IoT学习（2）物理层之信号

若使用单一的频率传输信号，当发送码元的频率过高时，可能发生码间串扰现象，即相邻两波形混在一起，难以判别。如果同时使用多个频率传输信号，就相当于将串行的信号改成了并行的，每条线传输速度不变的情况下，提高带宽了，加大了传输的数据量。而且同时使用多个频率传输，还能防止特定频率受到干扰（常表现为多径衰落），便于后续使用纠错码还原被干扰的数据。

当然了，并不是每个频率都发送一个波形那么简单，要实现OFDM还需要相位的调制。具体的就不赘述了。

子载波 Subcarry：可以理解为其中一个频率。

OFDM Symbol：表示某一时刻的某一子载波频谱。

时频结构图概述

时频结构图往往使用纵轴表示频率，横轴表示时间，来交织成一个表格。其中每一个小格为RE (Resource Element)。一个Slot表示几个间隙构成的一段时间。RB表示可以资源分配的最小单位。

频段带宽

频段是指可以使用的所有的频率（如LTE标准表示为B1、B2、B3等，5G表示为N1、N2等），可包含多个RB。比如说LTE频段带宽为20Mbps，每个RB使用带宽200kbps，那么一个频段内可以同时使用100个RB。LTE技术中，还可同时使用多个频段，叫做载波聚合，可以同时利用多个频段。

ZC序列

ZC序列全称Zadoff-Chu Sequence。ZC序列有优良的性质如：循环移位后与原序列正交、具有恒定幅度特性。因此可以被用来区分同小区的不同用户等用途。

生成公式：

x_q(m)=exp(-j\frac{\pi qm(m+1)}{N_{ZC}^{RS}}), 0\leq m \leq Z_{ZC}^{RS}-1

其中q为“根序列的索引”，（就像生成随机数所需的seed值一样），必须有q才能生成这个序列。

m表示这个序列第m+1个序列点的值。

现在看起来可能有点晕，之后还会提到如何使用ZC序列，不用担心。

工作带宽、三种空口部署方式

NB-IoT的工作带宽为180KHz，这样设计是为了能沿用200KHz的GSM频点、并且能兼容LTE1个RB的带宽。

NB-IoT下行子载波间隔为15kHz，数量为12个，与LTE标准一致；上行子载波间隔为3.75kHz，数量为48个。二者总带宽均为180kHz。上行使用3.75kHz载波间隔是为了进一步提升覆盖范围。

所以，NB-IoT有三种空口部署方式，分别为“独立Stand-Alone”、“带内In-Band”、“保护带Guard-Band”。对应为取代一个GSM频段、使用LTE频段中的一个RB、使用LTE两个频段之间的保护带。

帧格式

首先看NB-IoT帧结构的总览图：

其中一个Slot，或者一个“半帧”，为基本的调度单位。正如上面提到过的时频结构图，一个Slot表示如下：

一个最小的单元，即一个RE被称为signal
每个频率上的signal和起来形成一纵列，形成一symbol
7个symbol形成一个slot，为“半帧”，时间为0.5ms
2个slot构成一个子帧，时间为1ms
10个子帧构成一个无线帧（10ms）
1024个无线帧构成一个系统帧（SFN）
1024个系统帧构成一个超帧（OVER/H-SFN），时间可长达2.9h

而对于载波间隔为3.75kHz的方式，1 slot变成2ms，由5个slot构成一帧。一个帧为10ms，其他的相同。

可以看到，载波数量变为4倍的同时，也调整帧率为1/4，两种载波间隔的方式传输数据的速率是相等的。

还需要注意的一点是，由于部分NB-IoT可以按照IB方式部署（带内部署，见上一小节），为了与LTE协议区分，就需要避开LTE某些帧定义的数据，具体的做法是在上面的slot内选着使用。具体打孔打在哪里，后面再具体介绍。不过可以肯定的是，每一个子帧的前3个符号、以及最高频率的那个11号子载波都是不能使用的。

频域调度

NB-IoT标准中，将频率的管理继续细化，细化到子载波的程度。（相比于LTE管理RBG-RB Group，不能继续细化到子载波的程度）

Single-Tone表示使用单个子载波，Multi-Tone表示使用多个子载波。Multi-Tone适用于带宽要求较高的IoT设备，且只支持15kHz间隔的子载波。也就是说若设备使用3.75kHz的频段，则只能使用1个子载波。

由于不同NB-IoT设备的需求不同，那么如何协调各种使用不同子载波的设备呢？

对于下行数据，只有一种载波方式，即载波间隔为15kHz。频域上的调度最小单位为子载波，时域上最小单位为子帧（即TTI=1ms）。

而对于上行数据，由于不同设备使用不同载波方式（3.75kHz或15kHz间隔），且可选择使用Single-Tone或者Multi-Tone方式，所以制定了一个新的单位——RU（Resource Unit），并以此来调度。

使用15kHz子载波间隔时，若使用所有12个子载波，则规定每个RU含有2个slots，则可以计算出每个RU持续1ms。以此为基准，保持数据量不变的原则，可以得出以下表格：

入网流程

物理信道

下行主同步信号NPSS

NPSS概述

NPSS处于0-9中的第5号子帧，并且占用该帧全部内容。根据之前的知识，可以看出重复间隔为10ms。对于第5帧中的具体内容，为了在IB部署中避开LTE协议，仅仅能使用部分RE。具体如图：

NPSS作用：协助终端实现频率和时间同步。设备上电开机后，首先要做的就是帧听NPSS帧，进行同步。

NPSS生成

我们使用基础序列长度为11的ZC序列生成公式生成：

d_l(n)=S(l)\cdot exp(-j\frac{\pi un(n+1)}{11}), n=0,1, \cdots, 10

其中规定固定u=5；S(l)伪随机码：

S([3:13])=1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1

具体地解释到底如何将这些数字放到填进每个RE：

简单地说，先取时域序号（3-13）为l，查表S(l)得值，再取频域序号（0-10），全部待入上式，就可得每个RE的值。对于IB部署，被占用的几个RE可忽略，匹配剩余的RE即可。

下行辅同步序号NSSS

NSSS概述

NSSS处于每个偶数帧中0-9中的第9号子帧，并且占用该帧全部内容，意味着周期为20ms。同样地，IB部署中，需要挖孔避免与LTE冲突。

可见时域上可用3-13，频域上可用全部。

NSSS作用是：

便于终端获取504个小区信息（PCI）
便于终端获取80ms的定时信息（80ms分界线）

NSSS生成

小区信息PCI为0-503的整数，表示为N。

首先使用N生成不同128位的扰码b：

q=\lfloor N_{ID}^{Ncell}\rfloor

扰码表来源3GPP TS 36.211 R15 Table 10.2.7.2.1-1

然后使用N生成不同长度为132的ZC序列rp：

r_p=exp(-j\frac{\pi un'(n'+1)}{131}) \\ n = 0, 1, \cdots, 131 \\ n'=n\mod 131 \\ u = N_{ID}^{Ncell} \mod 126 + 3

最后因为80ms的帧定时，加上帧定时循环移位（每一个值都移相nf/2*pi/2+n*(pi/2/132)）：

r = exp(-j2\pi \theta_f n) \\ \theta_f = \frac{33}{132} (n_f/2) \mod 4

和起来就是这样一个公式：

d(n)=b_q(m)exp(-j2\pi \theta_fn)exp(-j\frac{\pi un'(n'+1)}{131})

其中：

n=0,1,\cdots,131 \\ n' = n \mod 131 \\ m = n \mod 128 \\ u = N_{ID}^{Ncell} \mod 126 + 3 \\ q = \lfloor \frac{N_{ID}^{Ncell}}{126}\rfloor \\ \theta_f = \frac{33}{132}(n_f/2)\mod 4

下行参考信号NRS

NRS与NPBCH/NPDCCH/NPDSCH信道混用同一帧，且只能在0、4、非NSSS的9号子帧上出现。

RE使用如下：

NRS作用是保持同步、下行质量测量，可用于小区重选

NRS先介绍到这里，具体的以后再补充。

参考文献

[1] 樊昌信, 曹丽娜. 通信原理[M]. 第六版. 北京:国防工业出版社, 2019 :251-256.

相关基础知识

频点

正交频分复用OFDM[1]