NB-IoT时域资源

时间: 2019-08-26  来源: 网络 

 

1、引言


NB-IoT技术源于LTE,因此它与LTE有很多共同点,尤其是在下行方向,NB-IoT与LTE时域资源分配几乎一致。但由于帧结构、空口特性不同,一般认为NB-IoT与LTE属于不同的RAT。本文在介绍NB-IoT基本时域资源的同时,会适当介绍LTE的时域资源。


2、下行时域资源


NB-IoT的最小时间单位是TS,1TS大约是32.5ns,最大时间单位是超帧H-SFN,1个H-SFN大约是10.24s。主要涉及的时间单位有:TS、OFDM/SC-FDMA符号、Symbol、slot、子帧、无线帧、超帧。

 

 

 


一眼看去好像挺复杂,不过我们按照顺序自上往下梳理:


H-SFN即超帧,一个超帧包含1024个SFN。


SFN即系统帧,又叫无线帧(描述无线帧的时候,强调的是帧的结构,描述系统帧的时候,是强调各无线帧之间的顺序关系),即1H-SFN=1024 SFN。1个系统帧包含10个子帧:1SFN=10sf。


sf即子帧,1个子帧包含2个时隙,需要注意:无线帧中的不同子帧的时隙号是连续编号的。


Slot即时隙,1个时隙中包含7个symbol。


OFDM是真正下行的有用的符号,加上循环前缀(CP)组成1个symbol,每个ofdm符号长度是2048个TS。


在1个时隙的7个symbol中,只有第一个symbol中的CP稍微长点,达到160 TS,后面6个smybol中的CP只有144 TS。这是由于1个slot长度是15360TS,但15360不能被7整除导致的。


3、上行时域资源


NB-IoT占用的资源的时域长度与其占用的频域宽度有关,而NB-IoT中上行子载波带宽有3.75kHz和15kHz两种,其中15kHz又支持single-tone和multi-tone两种模式,multi-tone又分3tones、6tones、12tones,在频域占用的带宽资源各不相同,导致其时域的长度也不尽相同。


对于15kHz的子载波间隔,上行调度的1个PRB的12tones,在时域上是1ms,频域上是15KHz子载波与LTE类似,与下行方向一致,不在此多说。


对于3.75kHz的载波间隔来说1个slot占2ms,因此与下行存在较大的不同,主要体现在无线帧到SCFDMA符号层级上的区别。具体如下图所示:

 

 

 


SFN即无线帧与下行一样,1个SFN=5 slot=10ms。


Slot即时隙,对3.75kHz的子载波带宽来说,其占用2ms,即1 slot=2ms。


symbol即上行符号,1symbol=CP+SC-FDMA与下行不同的是,每个slot除了7个symbol外,还有1段保护间隔GUARD。其中GUARD长度为2304 TS。


SC-FDMA即为有效的符号,长度为8192 TS。


这样总的来算,1slot=7 symbols+guard=7*(CP+SC-FDMA)+guard=7*(256+8192)+2304=61440TS=2ms。


4、随机接入


NB-IoT的随机接入信道固定使用single-tone传输,也固定使用3.75kHz子载波间隔。对于NPRACH而言,支持两种不同的CP大小,短CP长度为66.67us,长CP长度为266.67us。无论使用短CP,还是长CP,有效的symbol都是266.67us,5个symbol及1个CP组成1个symbol group。每个preamble均由4个symbol group组成。

 

 

 


其实可以发现短CP刚好是长CP的1/4,而长CP与有用的symbol长度相同。这样:


对短CP来说,1个symbol group长度=(2048+8192*5)TS=2048*21 TS=21/15000 S=1.4ms,4个group就是4*1.4=5.6ms。


对于长CP来说,1个symbol group长度=(8192+8192*5)=8192*6 TS=2048*24 TS =24/15 ms=1.6ms,4个group就是4*1.6=6.4ms。


实际上无论长CP,还是短CP,premble最终会占用8ms,剩余的部分都用作GT。


对于NPRACH来说,CP的长度决定了其上行覆盖。长CP是短CP的4倍,也就意味着覆盖范围是其4倍,对应的距离分别是10km、40km。在实际建网中,覆盖瓶颈并不在CP上,而在于损耗上,因此现网一般使用短CP以提供更多的保护。


5、LTE的不同特性


LTE与NB-IoT的时域资源基本是相同的,但也有略微的区别,具体的体现见本节内容介绍。

 

5.1 超帧


在LTE中,无论TDD还是FDD都没有超帧的概念,也就没有最上面一级时域资源单位。当然LTE中,系统帧编号仍然是0-1023,全部的系统帧总长度仍然和NB-IoT中1个超帧长度相同。


5.2 半帧


在LTE TDD中存在半帧的概念。每个系统帧包含两个半帧,每个半帧包含5ms,总的还是10ms,每个子帧还是1ms。

 

 

 


h-sfn表示半帧,与上面的H-SFN用大小写的不同来区分,不过事实上半帧只存在于TDD中,而超帧只存在于NB-IoT中,NB-IoT又使用的是FDD,因此并不会在一起出现,即使不使用大小写区分,也不会引起误解。每一个半帧包含5ms,每毫秒对应1个sf。


但对于TDD而言,如果使用5ms转换点,每个半帧的第二个子帧是特殊子帧,对应的它所包含的时隙也叫特殊时隙。常规子帧与LTE FDD和NB-IoT都是一样的,每个子帧1ms,每个时隙0.5ms。只是每个特殊子帧包含3个时隙:DwPTS、GP、UpPTS,其总的时域长度也是1ms,也认为其包含14个Symbol。但是每个时隙的长度是可配置的,其中DwPTS最长可配置到12个符号,最短3个符号;GP最长10个符号,最短1个符号;UpPTS最长2个符号,最短1个符号。具体的配置即TDD的特殊子帧配比,以及给网络带来的影响,这里不再赘述。


5.3 扩展CP


在LTE中存在两种CP长度,一种常见的叫常规CP,时长144TS,大约4.6875us;一种是扩展CP,比较少见,时长512TS,大约16.67us。在LTE中CP有个重要的作用,就是避免符号间干扰,这对小区的半径有重要的影响。较短的CP意味着较小的覆盖半径,较长的CP意味着较大的覆盖半径。所以内陆地区一般都使用较小的CP,由于建筑物阻挡,造成路径损耗大,根本不能覆盖很远的距离。而在海面,或者沙漠、平原地区则可以使用扩展CP,以增加覆盖范围。实际可以推测,要么是珠海、青岛这种沿海城市,要么是西藏,蒙古这种地广人稀的区域使用扩展CP,其他地区一般不使用。

 

 

 


使用扩展CP时,每个时隙只有6个OFDM符号。由于每个时隙长度15360TS,15360/6=2560,可以看到15360能被6整除,因此每个symbol都是一样长,持续2560个TS,扣除OFDM符号2048TS,剩下的每个CP长度是2560-2048=512 TS,大约16.67us。

 

5.4 调度带宽


LTE上下行采用一样的调度方式,最小调度单位是RB,即带宽总是180K及其整数倍,每个子载波总是固定的15kHz(PRACH和MBSFN子帧除外),不存在单tone、多tone的概念。其传输的方式与NB-IoT下行类似,因此这里不再赘述。

 

5.5 LTE的随机接入


在LTE中Preamble同样由3部分构成:CP、Tseq、GT。但没有group这个层级,因此整个Preamble只有1个CP,而不同于NB-IoT中每个group中只有1个CP。

 

 

 


在LTE中有5中不同的preamble长度,对应着不同的CP和Tseq,同样将剩余的长度作为GT。具体的5种如下表所示:

 

 

 

 

除了格式4只支持LTE TDD以外,其余4种同时支持TDD/FDD。实际上CP反映了这个UE到基站的最大距离,从而限制小区半径,而GT则限制了两个用户之间的保护,在实网建设中不仅要考虑CP,还要考虑GT带来的小区半径的限制。

 

(本文作者:饶晨)

 

【参考资料】
[1]《深入理解NB-IoT》基于R13版本 温金辉 4.1/5.1/7.3.2
[2]《深入理解LTE-A》基于R10版本 温金辉 21.2
[3] 3GPP TS36.211 Physical channels and modulation(Release 15)
[4]《Cell Size Configuration in RACH (II) – Cyclic Shift》 by Hongyan
[5] 《NB-IoT从原理到实践》电子工业出版社 吴细刚

浏览过的新闻