NB-IOT引导书

zhangwl0921

NB-IOT引导书
1、        NB-IOT阐述
NB-IOT，是窄带物联网Narrow Band Internet of Things的简写，最早提出在2017年5月，构建于蜂窝网络，仅占用200k（包含保护带）带宽；NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支撑低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。NB-IoT支撑待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接，终端设备电池寿命提高至至少10年，提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
1.1        NB-IOT的特点
1.1.1        广覆盖
为了与LTE系统共存，NB-IoT引入全新的信道结构设计:Standalone、Inband、Guard-Band三种模式，联通当前采用Standalone单独组网。终端功率谱比GSM增强5.3倍；上下行都采用重传机制获取增益；

1.1.2        低功耗
NB终端从刚一开始的定位就是超低功耗，超长待机，要求待机10年以上，因此NB-IOT采用了多种方式来实现：
○1采用DRX（Disabilitycontinuous Reception，不连续接受技术），该技术应用于当前主流通信系统LTE，在此不多做阐述；值得注意的是LTE设定了长周期DRX与短周期DRX，但NB-IOT仅支撑长周期DRX。
○2 采用eDRX（Extended DRX）技术，由于NB-IOT下行数据发送频率较小，传统DRX2.56s寻呼间隔对于NB终端过于豪侈，通过核心网和终端的协商配合，终端跳过大部分的寻呼监听，从而达到盛典的目的；
○3采用PSM（Power Saving Mode）技术，该技术为NB-IOT新增加的状态，即终端进入休眠模式，相当于关机，但核心网侧保留终端上下文，终端再次进入空闲态或连接态，无需再次Attach。
1.1.3        小成本
○1采用FDD半双工模式，NB-IOT仅支撑FDD半双工，终端天线简化为1T1R，天线的复杂度以及算法都得到简化；收发器减少为1套；低速率减小了对RAM的要求；低功耗可采用小功放；简化IMS协议栈，不再支撑语音功能；
○2采用窄带带宽，简化信道以及物理层：去除PHICH、PCFICH、PUCCH、SRS等信道/信号；简化盲检次数至4次；减小最大TBS传输块降低峰值速率；简化调制编码为QPSK、BPSK，不再支撑16QAM、64QAM；
○3简化协议栈：MAC层大面积简化，仅支撑单进程的HARQ，不再支撑上行SR、SRS、CQI上报，不再支撑非竞争性随机接入，仅支撑开环功控；RLC层不在场支撑UM、TM模式；PDCP层不再支撑ROHC功能，控制面舍弃PDCP层；RRC层不再支撑切换功能，新增eDRX、PSM功能；

○4硬件资源共享，NB-IOT网络的RRU与天线可以与现网的L900复用，节省了建设成本，无需重新进行基础建设；
1.1.4        大连接
NB-IOT的基站是基于物联网的话务模型进行设计，由于终端发送的包较小，且对时延不敏感，大部分时间处于PSM模式，因此基站可以接纳更多的用户。单小区可以容纳5万次连接。
1.2        NB-IOT端到端的网络架构
NB-IoT网络架构如下：
NB-IoT终端：当前已经开展的业务终端，例如智能烟感、智能水表、智能电表、地磁停车、智能门磁等，智能垃圾桶、智能燃气表等，通过Uu口与NB-IoT基站互联；
NB-IoT接入网：主要承担空口接入处理，小区管理等相关功能，并通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理，可独立组网，也可与EUTRAN融合组网；
MME、SGW、PGW：共同组成核心网，承担与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理；
NB-IoT平台：通过IP承载网获取信令数据，并实现与BOSS、CRM、BI系统之间的对接，最终用来支撑业务运营。实现用户账号管理、业务信息管理、账单明细管理、异常状态管理、缴费管理、实时监测管理、平台接口管理等功能。
1.2.1        NB网元变化
NB-IoT网元，除了新引入SCEF（ Service Capability ExposureFunction）以及S11-U、T6a接口外，整体网络架构与LTE网络相同；
SCEF功能是在控制面上传送非IP数据包,并为鉴权等网络服务提供了一个抽象的接口；引入SCEF后，NB-IoT EPS在控制面进行了优化，上行数据数据可分为两条链路进行传输：
其一：上行数据经eNodeB传输到MME后，通过T6a接口传输到SCEF后达到IoT平台；数据传输流程如下：

其二：上行数据经eNodeB传输到MME后，通过新增的S11-U接口传输到SGW，再传输到PGW，再到IoT平台。数据传输流程如下：
    数据经MME传输至SCEF，仅能传输Non-IP数据；数据经MME传输至SGW，再传输到PGW可传输IP数据，也可传输Non-IP数据。
NB-IoT针对控制面优化，进行数据传输时，不需要再建立数据无线承载，数据包直接在信令无线承载上发送，适合非频发的小数据包传送。
NB-IoT针对用户面优化，物联网的数据传输方式一样，需要建立数据无线承载，由S1-U传送到SGW再到PGW，数据包序列传送更快，但会产生额外的开销；当前NB-IoT网络采用控制面传输方案。
1.2.2        NB接口变化
NB-IoT网络较LTE网络，核心网新增了两个接口：S11-U和T6a；
S11-U接口：传统LTE的核心网S11接口只存在在控制面上，用于传送控制面信息，不能传输数据；NB-IoT网络新增S11-U接口（接口协议GTP-U），用来支撑控制面功能优化的IP数据传输，MME收到物联网数据后会通过S11-U接口转发给SGW。
T6a接口：T6a接口（采用Diameter协议）是NB-IoT网络新增的接口，位于MME和SCEF之间，用来支撑控制面功能优化的Non-IP数据传输。
S1-MME：S1-MME与传统LTE相比有所变化，除了传输控制面消息，也能传输物联网的数据（IP、Non-IP）。
S1-U接口、Uu接口、S5\S8等接口与传统LTE网络功能相同。
2、        NB的基本过程
NB-IoT网络相比LTE有了明显的精简，NB的基本过程也相应的减少了，比如移动型管理，仅支撑空闲态重选功能，不支撑连接态重选功能。下面将讲述NB-IoT的移动性管理，随机接入过程、附着过程等；
2.1        NB-IoT移动行管理过程
2.1.1        小区选择准则
NB-IoT终端选择初始主流小区必须同时满足下面两个条件：
Squal=Qqualmeas-Qqualmin>0
Srxlev=Qrxlevmeas-Qrxlevmin>0
其中，Qqualmin和Qrxlevmeas在SIB1 NB中广播，缺省值分别是-34db和-70*2=-140dbm。
2.1.2        小区测量准则
NB-IoT小区重选测量准则与LTE一样。也是基于当前服务小区的信号强度变化而定：
(1)        当前服务小区信号强度大于指定门限，即Srxlev>SIntrasearch，UE不启动测量过程。
(2)        当前服务小区信号强度小于或等于制定门限，即Srxlev<=SIntrasearch,UE启动测量过程；
(3)        SIB3 NB系统消息中如果没有广播Sintrasearch，UE一直启动测量过程；
异频小区启动测量过程同同频小区测量启动过程，其中：
Srxlev=Qrxlevmeas（dbm）-Qrxlevmin；同频启动测量门限SIntrasearch、异频启动测量门限SnonIntrasearch同在SIB3 NB系统小区中广播。Srxlevmin在SIB1 NB中广播；如果SIntrasearch和SnonIntrasearch取值相同，即为同频异频小区取值相同（上海全域同频组网）。
2.1.3        小区重选准则
NB-IoT进行小区重选，其重选流程图如下：

NB-IoT小区重选满足R准则，UE将为所有满足S准则的小区按R准则定级排队，如果某个小区排队为最佳小区UE将进行重选。
小区重选R准则：
Rn>Rs,T>Treselection;
Rs=Qmeas，s+Qhyst；（Qmeas，s：服务小区重选时测得RSRP值；Qhyst，服务小区重选迟滞值）
Rn=Qmeas，n-Qoffset；（Qmeas，n：邻小区重选时测得RSRP值；Qoffset，邻小区重选偏移值）
即：Qmeas，n- Qmeas，s > Qhyst + Qoffset,且持续时长大于Treselection，就重选到目标小区。
2.2        RRC连接管理过程
2.2.1        NB-IoT协议栈
NB-IoT协议栈基于LTE设计，根据物联网的需求，减少了协议栈处理流程，也是为了降低功耗以及成本，NB-IoT的空口协议栈如下：
NB-IoT对协议进行了简化：

（1）        NB-IoT定义了SRB0、SRB1，没有定义SRB2，但新定义了SRB1bis；SRB0只用来传输RRC消息，再逻辑信道上CCCH传输；SRB1既用来传输RRC消息，也会包含NAS信令消息，其在逻辑信道DCCH上传输。SRB1bis配置基本上一致。NB-IoT在EPS控制面采用SRB1bis传输用户数据；
（2）        接入层精简了PDCP层，接入层不再对用户数据加密，数据加密由NAS完成；
（3）        RLC层不再支撑UM模式；
（4）        MAC层同时只支撑一个HARQ进程，降低终端并行处理要求和缓冲区大小。
（5）        NB-IoT下行数据调度是跨子帧的（Cross-Subframe Schedulling），但不支撑跨载波调度（Cross-Carrier Scheduling）。
（6）        物理层支撑新的同步信号（NPSS&NSSS）和参考信号（NRS）格式。
NB-IoT用户面协议栈他那个LTE一样，协议栈如下（上海联通现网不支撑用户面优化）：








2.2.2        RRC状态变化
从接入网来看，NB-IoT的终端工作状态与LTE基本一样，但由于NB-IoT主要为非频发小数据包流量二涉及，所以RRC状态管理更简单。
控制面优化数据传输模式，UE侧和eNodeB侧仅有连接态和空闲态，另种状态的转换如下:

用户面优化数据传输模式，UE和MME侧分别定义了3种状态，他们分别是：连接态（Connected）、暂停态（Suspended）和空闲态（Idle），ECM和RRC状态迁移过程如下：

2.3        NB-IoT随机接入过程
当终端根据自己所支撑的频段和工作模式，通过小区搜索和小区选择过程驻留到某个合适的NB-IoT小区并进入到空闲状态后，当需要进行数据发送或收到寻呼时，就会启动随机接入过程。
2.3.1        随机接入等级
随机接入不成功，会导致信令重发，降低了资源使用效率，也导致终端功耗增加。为了提高终端单次随机接入成功率，NB-IoT配置了3个不同的覆盖增强接入等级。
发起随机接入前，NB-IoT终端会通过测量NRS获取小区下行强度值RSRP，然后根据SIB2 NB系统消息中RSRP_TH1和RSRP_TH2两个门限值来确定覆盖等级（CE Level），并使用相应的覆盖等级指定的NPRACH资源发送随机接入前导码发起随机接入。
一旦随机接入前导码发送失败，NB-IoT终端会提升覆盖等级重新尝试，直到尝试完所有的覆盖等级NPRACH资源位置，流程如下：

    当NB-IoT基站接收到MSG1后，会根据NPRACH信道测量结果决定选择配置NPUSCH的子载波类型（3.75Khz或15Khz），并通过MSG2通知终端所选择的子载波类型及其他必须的上行调度信息，UE进而发送MSG3消息。
2.3.2        随机接入步骤
UE在NB-IoT网络发起基于竞争的随机接入过程如下：

基于竞争的随机接入步骤如下：
步骤一：UE发送MSG1-前导（Preamble）
（1）选择前导索引（Preamble Index）：Preamble ID是由UE从48个可用的子载波中随机选择一个接入，即Preamble ID就是所选择的子载波索引。会出现多个UE碰巧选择相同的子载波和相同的NPRACH发送时间。不过发送NPRACH时间仍然需要由UE自己选择决定。
（2）决定NPRACH资源：NPRACH资源特指再时域上发送周期（起始无线帧）和起始时间（子帧），因为频域上的NPRACH都是固定的48个子载波即1个PRB。小区配置的NPRACH发送周期和开始时间分别分别由SIB2 NB中的NPRACH Perriodicity-r13和NPRACH-StartTime-r13参数决定；发送前导Preamble的格式（Format）同样由SIB2-NB中广播的参数NPRACH-CP-Length-r13指定。
     （3）确定对应的RA-RNTI
UE根据发送签到的NPRACH起始无线帧号（SFN）计算处RA-RNTI的值：RA-RNTI=1+SFN/4。UE发送了Preamble之后，会在RAR时间窗内根据这个RA-RNTI值来监听对应的NPDCCH。（4）决定目标接收功率：PreambleInitialReceivedTargetPower + DELTA_PREAMBLE + (Preamle_Transmission_Counter-1)×PowerRampingStep。其中PreambleInitialReceivedTargetPower和PowerRampingStep由SIB2 NB广播给小区内的所有UE。
步骤二：UE接受MSG2-RAR（Random Access Response）
UE发送Preamble后，会在RAR时间窗（RA Response Windows）内使用上面计算出的RA-RNTI值来监听NPDCCH，获取MSG2对应的调度信息DCI，进而解调NPDSCH信道，获取RAR及MSG3对应的调度信息DCI。如果多个UE碰巧都选用相同的时频资源发送Preamble，则同一个RA-RNTI对应的PDSCH MAC PDU可能服用多个UE的随机接入相应（RARs），MAC PDU头域中的多个子头域包含每个UE对应的RAPID（6bit），即UE可选择发送的Preamble Index。其中还可能包含一个特别的子头域即回退指示（Back off Indicator，BI）。
如果在此RAR时间窗内没有收到eNode B回复的RAR，或接收到的RAR中没有一个RAPID值与自己发送的Preamble Index值相同。如果接入失败，且为达到最大的随机接入尝试次数（Preamble TransMax），则UE将在上次发射功率的基础上提升功率（PowerRampingStep）来发送下次Preamble，以提高随机接入成功率。
UE等待时长为0至回退指示（BI）索引值内随机选取一个索引值的时间后，再次发送Preamble。BI的取值大小反映了小区的负荷情况；NB-IoT由于自身受限，避免拥塞，对于BI设置进行了扩展，最大能达到500多秒，才能最大化满足大量终端接入，避免拥塞；
RAR包含以下信息：上行传输定时提前量（Time Advance）；发送MSG3分配的上行资源授权信息（UL Grant Info）、K0值、子载波位置索引、个数以及子载波类型；临时C-RNTI。
如果多个UE同时选择同一个PRACH时频资源（即相同RA-RNTI值）和同一个Preamble,从而导致冲突的出现，因为使用相同的RA-RNTI和Preamble,因此不能确定该RAR是对哪个UE的响应，这时需要一个冲突解决机制来解决这个问题。冲突的存在也是RAR不使用HARQ的原因之一。
步骤三：UE接收MSG3
UE成功接收自己的RAR，在NPSUCH Foramat1 上发送MSG3,采用HARQ方式； MSG3可携带的上层信息如下：
如果是初次接入（Initial Access）,MSG3为在CCCH上传输的RRC Connection Request,且至少需要携带NAS UE标志信息（S-TMSI或IMSI）。
对于其他触发事件，则至少需要携带C-RNTI。
步骤四：UE接受MSG4-冲突解决（Contention Resolution）
UE发送MSG3后，会使用MSG3中携带的唯一的标志信息来监听解调NPDCCH,成功后再解调相应的NPDSCH以获取MSG4内容。eNB在冲突解决机制中，会在MSG4中携带该唯一的标志以指定胜出的UE。而其他没有在冲突解决机制中胜出的UE将重新发起随机接入。
2.4        NB-IOT附着过程
终端在NB-IOT网络中的附着过程基本与传统LTE网络的附着流程相似，NB-IOT网络附着过程也分为以下几大部分:RRC连接建立过程、鉴权过程（Authentication Procedure）、NAS层安全模式过程、PDN连接建立过程（可选）。
上海联通现网NB-IoT只支撑控制面的优化传输，没有DRB建立过程，即没有RRC连接重配置过程（RRC Connection Reconfiguration），见图。