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.NB-IOT技术及优化目录1.NB-IOT关键技术51.1 强覆盖:51.2 低成本:51.3 小功耗:71.4 XX接:82.NB-IOT帧结构92.1 下行物理层结构92.2 上行物理层结构102.3 上行资源单元RU113.NB-IOT网络架构123.1 CP和UP传输方案133.2 CP和UP方案传输路径对比143.3 CP和UP协议栈对比143.3.1 CP方案的控制面协议栈143.3.2 UP方案的控制面协议栈152.4 状态转换154.信令流程184.1 CP传输方案端到端信令流程184.2 RRC连接建立过程204.3 UP传输方案端到端信令流程224.4 RRC挂起流程Suspend Connection procedure244.5 RRC恢复流程Resume Connection procedure254.6 CP/UP方案网络协商流程265.覆盖优化285.1 弱覆盖285.2 SINR差285.3 重叠覆盖问题点285.4 覆盖指标要求:286.重选优化286.1 重选时延统计方法:296.2 判断小区重选是否成功:296.3 重选成功率统计:296.4 脱网重搜时延统计:297. 参数优化:30覆盖等级门限30SIB1 重复次数30SIB2 周期30同频重选测量门限配置标示31同频小区重选指示31加密算法优先级31完整性保护算法优先级32MIB 和 SIB 加扰开关33eDRX开关33定时器 T30033定时器 T31034UE 不活动定时器341.NB-IOT关键技术NB-IOT属于LPWA技术的一种,它具备强覆盖、低成本、小功耗、XX接这四个关键特点。1.1强覆盖:较GSM有20db增益,1、采用提升IOT终端的发射功率谱密度PSD,Power spectral density ;2、通过重复发送,获得时间分集增益,并采用低阶调制方式,提高解调性能,增强覆盖;3、天线分集增益,对于1T2R来说,比1T1R会有3db的增益。20db= 7db功率谱密度提升+ 12db重传增益+ 0-3db 多天线增益1.2低成本:NB-IOT基于成本考虑,对FDD-LTE的全双工方式进行阉割,仅支持半双工。带来的好处当然是终端实现简单,影响是终端无法同时收发上下行,无法同时接收公共信息与用户信息。上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行;基站/终端在不同的时间进行信道的发送/接收或者接收/发送 ;H-FDD与F-FDD的差别在于终端不允许同时进行信号的发送与接收,终端相对全双工FDD终端可以简化,只保留一套收发信机即可,从而节省双工器的成本;NB-IOT终端工作带宽仅为传统LTE的1个PRB带宽180K,带宽小使得NB不需要复杂的均衡算法。带宽变小后,也间接导致原有宽带信道、物理层流程简化。下面仅粗略讲解,以后单独成系列篇讲解物理层。下行取消了PCFICH、PHICH后将使得下行数据传输的流程与原LTE形成很大的区别,同样一旦上行取消了PUCCH,那么必然要解决上行控制消息如何反馈的问题,这也将与现网LTE有很大的不同。终端侧RF进行了阉割,主流NB终端支持1根天线协议规定NRS支持1或者2天线端口天线模式也就从原来的1T /2R变成了现在的1T/1R,天线本身复杂度,当然也包括天线算法都将有效降低FD全双工阉割为HD半双工,收发器从FDD-LTE的两套减少到只需要一套低采样率,低速率,可以使得缓存Flash/RAM要求小28 kByte低功耗,意味着RF设计要求低,小PA就能实现直接砍掉IMS协议栈,这也就意味着NB将不支持语音注意实际上eMTC是可以支持的各层均进行优化PHY物理层:信道重新设计,降低基本信道的运算开销。比如PHY层取消了PCFICH、PHICH等信道,上行取消了PUCCH和SRS。 MAC层:协议栈优化,减少芯片协议栈处理流程的开销。 仅支持单进程HARQ相比于LTE原有的最多支持8个进程process,NB仅支持单个进程。; 不支持MAC层上行SR、SRS、CQI上报。没了CQI,LTE中的AMC自适应调制编码技术功能不可用 不支持非竞争性随机接入功能; 功控没有闭环功控了,只有开环功控如果采用闭环功控,算法会麻烦得多,调度信令开销也会很大。RLC层:不支持RLC UM这意味着没法支持VoLTE类似的语音、TM模式在LTE中走TM的系统消息,在NB中也必须走AM;PDCP:PDCP的功能被大面积简化,原LTE中赋予的安全模式、RoHC压缩等功能直接被阉割掉;在RRC层:没有了mobility管理NB将不支持切换;新设计CP、UP方案简化RRC信令开销;增加了PSM、eDRX等功能减少耗电。1.3小功耗:PSM技术原理,即在IDLE态下再新增加一个新的状态PSMidle的子状态,在该状态下,终端射频关闭进入冬眠状态,而以前的DRX状态是浅睡状态,相当于关机状态但是核心网侧还保留用户上下文,用户进入空闲态/连接态时无需再附着/PDN建立。在PSM状态时,下行不可达,DDN到达MME后,MME通知SGW缓存用户下行数据并延迟触发寻呼;上行有数据/信令需要发送时,触发终端进入连接态。终端何时进入PSM状态,以及在PSM状态驻留的时长由核心网和终端协商。如果设备支持PSMPower Saving Mode,在附着或TAUTracking Area Update过程中,向网络申请一个激活定时器值。当设备从连接状态转移到空闲后,该定时器开始运行。当定时器终止,设备进入省电模式。进入省电模式后设备不再接收寻呼消息,看起来设备和网络失联,但设备仍然注册在网络中。UE进入PSM模式后,只有在UE需要发送MO数据,或者周期TAU/RAU定时器超时后需要执行周期TAU/RAU时,才会退出PSM模式,TAU最大周期为310小时。eDRX DRX状态被分为空闲态和连接态两种,依次类推eDRX也可以分为空闲态eDRX和连接态的eDRX。不过在PSM中已经解释,IOT终端大部分呆在空闲态,所以咱们这里主要讲解空闲态eDRX的实现原理。eDRX作为Rel-13中新增的功能,主要思想即为支持更长周期的寻呼监听,从而达到节电目的。传统的2.56s的寻呼间隔对IOT终端的电量消耗较大,而在下行数据发送频率小时,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,从而达到省电的目的。1.4XX接:每个小区可达50K连接,这意味着在同一基站的情况下,NB-IoT可以比现有无线技术提供50100倍的接入数。第一:NB的话务模型决定。NB-IoT的基站是基于物联网的模式进行设计的。它的话务模型是终端很多,但是每个终端发送的包小,发送包对时延的要求不敏感。基于NB-IoT,基于对业务时延不敏感,可以设计更多的用户接入,保存更多的用户上下文,这样可以让50k左右的终端同时在一个小区,大量终端处于休眠态,但是上下文信息由基站和核心网维持,一旦有数据发送,可以迅速进入激活态。第二:上行调度颗粒小,效率高。2G/3G/4G的调度颗粒较大,NB-IoT因为基于窄带,上行传输有两种带宽3.75KHz和15KHz可供选择,带宽越小,上行调度颗粒小很多,在同样的资源情况下,资源的利用率会更高。第三:减小空口信令开销,提升频谱效率。NB-IoT在做数据传输时所支持的CP方案实际上NB还支持UP方案,不过目前系统主要支持CP方案做对比来阐述NB是如何减小空口信令开销的。CP方案通过在NAS信令传递数据DoNAS,实现空口信令交互减少,从而降低终端功耗,提升了频谱效率。2.NB-IOT帧结构2.1 下行物理层结构根据NB的系统需求,终端的下行射频接收带宽是180KHZ。由于下行采用15KHZ的子载波间隔,因此NB系统的下行多址方式、帧结构和物理资源单元等设计尽量沿用了原有LTE的设计。频域上:NB占据180kHz带宽1个RB,12个子载波subcarrier,子载波间隔subcarrier spacing为15kHz。时域上:NB一个时隙slot长度为0.5ms,每个时隙中有7个符号symbol。NB基本调度单位为子帧,每个子帧1ms2个slot,每个系统帧包含1024个子帧,每个超帧包含1024个系统帧up to 3h。这里解释下,不同于LTE,NB中引入了超帧的概念,原因就是eDRX为了进一步省电,扩展了寻呼周期,终端通过少接寻呼消息达到省电的目的。1个signal封装为1个symbol7个symbol封装为1个slot2个slot封装为1个子帧10个子帧组合为1个无线帧1024个无线帧组成1个系统帧LTE到此为止了1024个系统帧组成1个超帧,over。这样计算下来,1024个超帧的总时间=/=2.9h.2.2 上行物理层结构频域上:占据180kHz带宽1个RB,可支持2种子载波间隔:15kHz:最大可支持12个子载波:如果是15KHZ的话,那就真是可以洗洗睡了。因为帧结构将与LTE保持一致,只是频域调度的颗粒由原来的PRB变成了子载波。关于这种子帧结构不做细致讲解。 3.75kHz:最大可支持48个子载波:如果是3.75K的话,首先你得知道设计为3.75K的好处是哪里。总体看来有两个好处,一是根据在NB-IOT强覆盖之降龙掌谈到的,3.75K相比15K将有相当大的功率谱密度PSD增益,这将转化为覆盖能力,二是在仅有的180KHZ的频谱资源里,将调度资源从原来的12个子载波扩展到48个子载波,能带来更灵活的调度。支持两种模式: Single Tone 1个用户使用1个载波,低速物联网应用,针对15K和3.75K的子载波都适用,特别适合IOT终端的低速应用Multi-Tone 1个用户使用多个载波,高速物联网应用,仅针对15K子载波间隔。特别注意,如果终端支持Multi-Tone的话必须给网络上报终端支持的能力时域上:基本时域资源单位都为Slot,对于15kHz子载波间隔, 1 Slot=0.5ms,对于3.75kHz子载波间隔,1 Slot=2ms。2.3 上行资源单元RU对于NB来说,上行因为有两种不同的子载波间隔形式,其调度也存在非常大的不同。NB-IoT在上行中根据Subcarrier的数目分别制订了相对应的资源单位RU做为资源分配的基本单位。基本调度资源单位为RUResource Unit,各种场景下的RU持续时长、子载波有所不同。时域、频域两个域的资源组合后的调度单位才为RU。NPUSCH format子载波间隔子载波个数每RU Slot数每Slot持续时长ms每RU持续时长ms场景1普通数传3.75 kHz116232Single-Tone15 kHz1160.58384Multi-Tone64212212UCI3.75kHz1428Single-Tone15kHz140.52NPUSCH根据用途被划分为了 Format 1和Format 2.其中Format 1主要用来传普通数据.,类似于LTE中的PUSCH信道,而Format 2资源主要用来传UCI,类似于L
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