NB-IoT詳細解讀

其中3.75KHz Subcarrier Spacing只支持單頻傳輸，資源單位的帶寬為一個Subcarrier，時間長度是16個Slot，也就是32ms長。15KHz Subcarrier Spacing支持單頻傳輸和多頻傳輸，帶寬為1個Subcarrier的資源單位有16個Slot的時間長度，即8ms。帶寬為12個Subcarrier的資源單位則有2個Slot的時間長度，即1ms，此資源單位即是LTE系統中的一個Subframe。資源單位的時間長度設計為2的冪次方是為了在排程上可有效的運用資源，較不易產生資源空隙而造成資源浪費。

表1中NPUSCH Format 1的資源單位是用來傳送上行數據的。NPUSCH Format 2是NB-IoT UE用來傳送指示NPDSCH有無成功接收的HARQ-ACK/NACK，所使用的Subcarrier的索引(Index)是在由排程對應的NPDSCH的下行配置(Downlink Assignment)中指示，重復傳送次數則是由無線資源控制模塊(Radio ResourceControl, RRC)參數配置。

同步訊號

NPSS(Narrowband Primary Synchronization Signal)為提供NB-IoT UE時間和頻率同步的參考訊號，但NPSS中并不帶有分區(Sector)ID。NSSS(Narrowband Secondary Synchronization Signal)帶有Physical Cell ID。NPSS與NSSS的資源位置避開了LTE系統中的控制區域，其資源位置如圖1。

圖1 承載NPSS和NSSS的資源位置

NPSS的周期是10ms，NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在尋找細胞(Cell Search)時，會先檢測NPSS，因此NPSS的設計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列，對于最初的訊號檢測和初步的同步復雜度較低且有好的效果。

窄頻參考訊號

NB-IoT下行最多支持兩個天線端口(Antenna Port)的參考訊號，資源的位置在時間上與LTE系統的細胞參考訊號(Cell-Specific Reference Signal, CRS)錯開，在頻率上則與之相同，因此在In-Band Operation若有檢測到CRS，可與NRS共同使用來做通道估測，如圖2。

圖2 NRS資源位置

因此，NB-IoT下行僅支持單天線(Single Antenna)和傳送分集(Transmit Diversity)這兩種傳送模式(TransmissionMode)。

系統信息

系統信息MIB-NB(Narrowband Master Information Block)承載于周期640ms之周期性出現的NPBCH(Narrowband Physical BroadcastChannel)中，其余系統信息如SIB1-NB(Narrowband System InformationBlock Type1)等則承載于NPDSCH中。SIB1-NB為周期性出現，其余系統信息則由SIB1-NB中所帶的排程信息做排程。

有效下行子訊框

在NB-IoT中，一般下行數據傳輸會傳送在NPDSCH中，下行控制訊息則是傳送在NPDCCH中，而若某一Subframe不為有效下行子訊框(Valid Downlink Subframe)，則原先該在此Subframe傳送的NPDSCH或NPDCCH會順延至下一個Valid DownlinkSubframe來傳送。任一Subframe若用來傳輸NPSS、NSSS、NPBCH、SIB1-NB，則不被視為一個Valid Downlink Subframe。

在In-Band Operation中，ENB可能因將資源做為其他用途而會把一個Subframe設定為非Valid DownlinkSubframe，此信息將會由承載于SIB1-NB中的一個Bitmap來指示。

Narrowband Physical Downlink Control Channel

Narrowband Physical Downlink Control Channel(NPDCCH)有別于LTE系統中的PDCCH，并非每個Subframe均有NPDCCH，而是周期性的出現。NPDCCH有三種搜索空間(Search Space)，分別用于排程一般數據傳輸、無線資源控制模塊(Random Access)程序相關信息傳輸，以及呼叫(Paging)信息傳輸。

各個Search Space有無線資源控制(RRC)配置相對應的最大重復次數Rmax，其Search Space的出現周期大小即為相對應之Rmax與RRC層配置的一參數之乘積。

RRC層亦可配置一偏移(Offset)以調整一Search Space的開始時間。在大部分的搜索空間配置中，所占用的資源大小為一PRB，僅有少數配置為占用6個Subcarrier。

一個DCI中會帶有該DCI的重復傳送次數，以及DCI傳送結束后至其所排程之NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時間，NB-IoT UE即可使用此DCI所在之Search Space的開始時間，來推算DCI之結束時間以及排程之數據的開始時間，以進行數據之傳送或接收。

Narrowband Physical Downlink Shared Channel

Narrowband Physical Downlink Shared Channel(NPDSCH)是用來傳送下行數據以及系統信息，NPDSCH所占用的帶寬是一整個PRB大小。一個傳輸塊(Transport Block, TB)依據所使用的調變編碼(MCS)，可能需要使用多于一個Subframe來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個TB對應的Subframe數目以及重復傳送次數的指示。

Narrowband Physical Uplink Shared Channel

Narrowband Physical Uplink Shared Channel(NPUSCH)是用來傳送上行數據以及上行控制信息。NPUSCH傳輸可使用單頻或是多頻傳輸，一個TB依據所使用的MCS，可能需要使用多于一個資源單位來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的上行允許(Uplink Grant)中除了指示上行數據傳輸所使用的資源單位的Subcarrier的Index，也會包含一個TB對應的資源單位數目以及重復傳送次數的指示。

Narrowband Physical Random Access Channel

有別于LTE中Random AccessPreamble使用ZC序列，NB-IoT中的Random Access Preamble是單頻傳輸(3.75KHzSubcarrier Spacing)，且使用的Symbol為一定值。一次的Random AccessPreamble傳送包含四個Symbol Group，一個Symbol Group是5個Symbol加上一CP，如圖3。

圖3 Radom AccessPreamble Symbol Group

每個Symbol Group之間會有跳頻(FrequencyHopping)。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的Subcarrier。

協議層的變更

依據3GPP的規劃，RAN2將NB-IoT在協議層規畫了兩種數據傳輸模式。分別是控制平面(Control Plane,CP)解決方案與使用者平面(User Plane, UP)解決方案。其中CP解決方案是必要支持，UP解決方案為額外支持的選項。

.CP解決方案

NB-IoT UE并不與基地臺建立DRB(Data Radio Bearer)而只透過建立的SRB(Signaling Radio Bearer)來傳遞少量的數據。

.UP解決方案

基地臺與NB-IoT UE之間新增了一個名叫Suspend-Resume的程序。其目的在于降低NB-IoT UE在RRC聯機模式(Connected Mode)與閑置模式(Idle Mode)之間切換時所需要交換的訊息數量，藉此節省NB-IoT UE的能源消耗(Power Consumption)。實際的作法如圖4，當基地臺在NB-IoT UE不需要RRC聯機時下達指令讓該裝置進入Suspend模式，而該Suspend指令中會夾帶一組Resume ID(如圖4，步驟11)。

不同于以往從RRC聯機模式至閑置模式的過程，基地臺與NB-IoT UE間會盡可能地保留在RRC聯機模式下所使用的無線資源分配以及相關安全性配置。當NB-IoT UE欲進行數據傳輸時，僅需要在Random Access程序中的第三道訊息(RRC ConnectionRequest)夾帶基地臺配給的Resume ID(如圖4，步驟4)，基地臺即可以在透過此Resume ID來辨識NB-IoT UE，并且跳過相關的配置訊息交換，直接進入數據傳輸。

圖4 Suspend-Resume程序

多載波運作模式

系統可以在一個Cell中同時間于多個載波上提供服務，但單一NB-IoT UE同一時間僅能在一個載波上面傳收數據。NB-IoT的載波可以分為兩類：提供NPSS、NSSS與承載NPBCH和系統信息的載波稱為Anchor Carrier，其余的載波則稱為Non-Anchor Carrier。

NB-IoT UE一律需要從Anchor Carrier上面進行Random Access，基地臺會在Random Access的第四道訊息傳遞Non-Anchor Carrier的排程信息以將NB-IoT UE卸除至Non-Anchor Carrier上進行后續的數據傳輸，避免Anchor Carrier的無線資源吃緊。

移動性

NB-IoT UE的主要應用場景皆屬于低移動性，因此為了兼顧NB-IoT的低復雜度與低成本的需求，在Release 13的規格當中將換手(Handover)程序給移除了。取而代之的是當發生NB-IoT UE在不同基地臺涵蓋范圍間移動時，會先進行RRC釋放(Release)，再重新與新的基地臺進行RRC聯機。

.系統信息方塊的減少

由于NB-IoT UE所支持的功能經過大量的簡化，相對應地在既有LTE無線通信系統中存在的系統信息方塊(SystemInformation Block, SIB)，對于NB-IoT UE來講并不需要。所以SIB的數量大幅減少至僅剩七個，且這些NB-IoT UE所需讀取的SIB在基地臺端是獨立傳送(SIB-NB)，并非夾帶在原有系統之SIB中。NB-IoT共有以下幾種SIB-NB。

SIB1-NB：存取有關之信息與其他系統信息方塊排程

SIB2-NB：無線資源分配信息

SIB3-NB：Cell Re-selection信息

SIB4-NB：Intra-frequency的鄰近Cell相關信息

SIB5-NB：Inter-frequency的鄰近Cell相關信息

SIB14-NB：存取禁止(Access Barring)

SIB16-NB：GPS時間/世界標準時間(Coordinated Universal Time, UTC)信息

Cell Reselection與閑置模式運作

對于NB-IoT來講，Cell Reselection的機制也做了適度的簡化，如圖5。由于NB-IoT UE并未支持緊急撥號的功能，所以當一NB-IoT UE遇到無法找到Suitable Cell之情況，該NB-IoT UE不會暫時駐扎(Camp)在Acceptable Cell，取而代之的是持續搜尋直到找到Suitable Cell為止。根據3GPP TS 36.304規格的定義，所謂的Suitable Cell為可以提供正常服務的Cell，而Acceptable Cell為僅能提供緊急服務的Cell。

圖5 NB-IoT CellReselection的程序

邏輯信道與傳送信道之對應

NB-IoT并不支持多媒體廣播多播服務(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)。所以在邏輯信道至傳送信道的對應上，即移除了所有的多播通道(MCCH, MTCH)。其余的廣播，數據與控制信道皆獲保留。

排程

由于NB-IoT UE是被預期為一種低復雜的裝置，故在硬件的規格等級與反應時間等能力皆較為低階。所以基地臺針對于NB-IoT UE的數據傳輸會強制采取跨子訊框(Cross Subframe)的排程方式，以替NB-IoT UE爭取更充足的時間做DCI的譯碼以及傳送與接收模式之間的轉換。

隨機存取

基地臺會針對各個CE Level去配置對應的NPRACH資源。Random Access程序(如圖6)開始之前，NB-IoT UE會藉由量測下行參考訊號來決定所在的CE Level，并使用該CE Level之NPRACH資源。但是當Random Access程序因Preamble傳輸階段未能成功時，NB-IoT UE會在更高一個CE Level的NPRACH資源重新進行Random Access程序，直到嘗試完所有CE Level的NPRACH資源為止。

圖6 NB-IoT Random Access程序

反之，但對于曾經進入第三道訊息傳輸階段的NB-IoT UE而言，當Random Access程序未能成功時，則是留在同樣的CE Level的NPRACH資源重新進行Random Access程序。此設計的原因是假若一個NB-IoT UE可以進入到第三道訊息傳輸階段，即代表該NB-IoT UE的CE Level選擇洽當，Preamble傳輸已可以讓基地臺順利接收。

另外，NB-IoT的Random Access程序會在第三道訊息(RRC Connection Request)中進行數據數量以及功率余裕回報(Data Volume and Power Headroom Report, DPR)。NB-IoT UE在進入RRC聯機模式之前，藉此通知基地臺自己數據傳輸狀態，以讓基地臺提前做適度的RRC資源分配。

未來趨向提高數據速率　減少重發以降低功耗

3GPP從第十版本的規格即開始討論機器型態通訊，替未來的行動通訊系統挹注進許多全新的挑戰。但由于MTC所采用的帶寬是MHz等級，仍無法真的落實降低成本的目標。

延伸到Release 13的NB-IoT，即以使用180KHz帶寬的限制去做設計，且為了增加此標準技術的使用普遍性，制定了三種運行模式。因為帶寬僅有相當于LTE系統中一個PRB的大小，因此NB-IoT中的物理層通道做了相當大的改變，且為了可與LTE系統一同運作，設計的原則以不影響LTE系統為主。協議層的程序則是將現有LTE系統中的程序做簡化，減少所需要交換的訊息量，但也新設計了相關程序以因應NB-IoT中的重復傳送行為以及CE Level間的變換等。

可以預期下一個版本的NB-IoT的設計目標會轉向進一步提升數據速率，以因應數據量需求較大的物聯網使用情境。目前觀察到的方向為增強Release 13中的多載波(Multi-Carrier)運行模式靈活性，使NB-IoT UE可同時在多個Carrier上數據傳收。

另外，NB-IoT利用重復傳送的行為達到延伸涵蓋范圍的目的，卻也帶來增加能源消耗的缺點。所以在未來會設計較為精準的數據重復傳送次數控制程序。例如，若基地臺在NB-IoT UE重復傳送結束前已成功接收數據，可提前通知NB-IoT UE停止剩余的重復傳送次數以節省電力。