NB-IoT下行物理信道

　　1、NPBCH信道

　　NPBCH信道与LTE的PBCH不同，广播周期为640ms，重复8次发送，如下图，终端接收若干个子帧信号进行解调。

　　NPBCH以64个无线帧为循环，在mod 64=0的无线帧上的0号子帧进行传输，同样的内容在接下来连续的7个无线帧中的0号子帧进行重复传输，NPBCH不可占用0号子帧的前三个OFDM符号，以避免与LTE大网的CRS以及物理控制信道的碰撞。根据3GPP 36.211R13定义，一个小区的NPBCH需要传输1600bit，采取QPSK调制，映射成800个调制符号，而每8个无线帧重复传输，64个无线帧将这800个调制符号传完，意味着每8个无线帧重复传输100个调制符号，那么在这8个无线帧的每个0号子帧中需要传输这100个调制符号。这里进行一个简单的计算，一个NB-IoT子帧包含12X7X2=168个RE，去掉前三个OFDM符号，去掉NRS占用的RE，再去掉CRS占用的RE（假设为双端口发射），那么一共有168-12×3-4×4-4×2=100个RE，恰好对应100个QPSK调制符号，因此每个无线帧上的0号子帧恰好装满了NPBCH的符号。

　　2、NPDCCH信道

　　LTE的PDCCH固定使用子帧前几个符号，NPDCCH与PDCCH差别较大，使用的窄带控制信道资源（Narrowband Control Channel Element，NCCE）频域上占6个子载波。Standalone和 Guardband模式下，可使用所有OFDM符号；Inband模式下，需错开LTE的控制符号位置，如下图。

　　NPDCCH最重大次数可配，取值范围凡{1,2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024,2048}。

　　NPDCCH有两种格式（Format），如下图。

　　NPDCCH Format0的聚合等级（Aggregation Level），AL=1，占用NCCE0或NCCE1。

　　NPDCCH Format1的聚合等级AL=2，占用NCCE0和NCCE1。

　　相比LTE下行较多的物理控制信道，NB-IoT只有NPDCCH信道传递控制信息。窄带物理控制信道通过连续的一个或者聚合两个NCCE的方式进行传输。一个NCCE占据6个连续的子载波，其中NCCE0占据0～5子载波，NCCE1占据6～11子载波。每个NPDCCH是以R个连续的NB-IoT下行子载波进行重复传输的。

　　NPDCCH有三种搜索空间。

　　第一种是Typel-NPDCCH公共搜索空间，UE通过检测该搜索空间获取寻呼消息。

　　第二种是Type2-NPDCCH公共搜索空间，UE通过检测该搜索空间获取随机接入响应消息（RAR）。

　　第三种是UE专用NPDCCH搜索空间，UE通过检测专属空间获取专属控制信息。

　　仅在聚合等级AL=2时，可以配置重复传输。在无NPDCCH重复传输的情况下，任何子帧可选择3种盲检候选集；在 NPDCCH重复传输的情况下，子帧可选择4种盲检候选集。

　　NPDCCH的起始子帧位置，如果是Typel-NPDCCH公共搜寻空间模式，以k0为起始位置，这也是寻呼的起始位置。寻呼消息是在寻呼帧（Paging Frame，PF）的寻呼时刻（Paging Occasion，PO）上发出的，因此UE需要周期性地监听这些位置。如果defaultPaging Cycle=rf256，nB=twoT，SFN mod T=（T divN）*（UE ID mod N），i_s=floor（UE ID/N）mod Ns，UE ID=IMSI mod 4096（LTE UE ID=IMSI mod 1024）。例如IMSI为460003313889448，经过计算UEID为168，那么PF为mod256=168的无线帧，PO为0号子帧，那么UE就需要侦听无线帧为168，子帧0上是否有P-RNTI，并且以256无线帧为周期循环侦听P-RNTI。

　　UE还需侦听连续的R-1个子载波，获得可靠的重复发送NPDCCH，R是根据Rmax和DCI子帧连续数共同决定的。UE如果没有把连续的Rmax通过获取小区系统消息块SystemInformation Block Type2-NB中的控制信息radio Config Common中的参数npdcch- Num RepetitionPaging获取，该参数取值范围为{r1,r2,r4,r8,r16,r32,r64,r128,r256,r512,r1024,r2048}。

　　假设Rmax取值为64，DCI子帧重复数取值为3，对应R取值为8，那么根据以上寻呼起始位置的计算，意味着UE需要周期侦听无线帧168+256n（n=0,1,2,3…），子帧0，同时连续重复8个子帧获取NPDCCH中的寻呼消息。这里DCI子帧连续数并不是高层消息告知UE的，UE采取盲检机制逐步尝试检测所有的DCI模式。如果没有检测到连续的控制信息，UE会将已检测到的NPDCCH丢弃。由此可见，NB-IoT对于控制信道的解码可靠性较高。

　　当然，在网络侧实际配置NPDCCH时需要与NPBCH的时隙错开，因此UE会尝试在非子帧0的其他子帧开始检测NPDCCH。NB-1oT也可以采取多载波的方式进行数据传输，网络侧需要将NPSS，NSSS，NPBCH与UE专属NPDCCH分别配置在不同的载波。NPDCCH在子帧中的起始位置INPDCCHStart取决于SIB1-NB里的eutra RegionSize参数设置，对于Type2-NPDCCH和UE专属NPDCCH的起始位置确定方式与Type1有所不同。

　　3、NPDSCH信道

　　NPDSCH频域资源占12个子载波，如下图，Standalone和Guardband模式下，使用全部OFDM符号。Inband模式下需错开LTE控制域的符号，由于SIN1-NB中指示控制域符号数，因此如果是SIB1-NB使用的NPDSCH子帧，则需固定错开前3个符号。

　　NPDSCH调制方式为四相相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK），重复次数为{1,2,4,8,16,32,64,128,192,256,384,512,768,1024,1536,2048}。

　　NB-IoT对于NPDSCH的传输稳定性极为关注，通过重复传递同一NPDSCH的方式确保传输的质量，这也是NB-IoT宣称的强化覆盖技术手段之一。NPDSCH可以承载BCCH，例如承载系统消息，也可以承载一般的用户数据传输。对应这两种承载，传输信号加扰的方式有所不同。同时，子帧重复传输的模式也有所不同。

　　承载NPDSCH的子帧以及占位有一定规则，NPDSCH的子帧不可以与NPBCH、NPSS或者NSSS的子帧复用。另外，承载子帧中NRS和CRS的位置既不作为NPDSCH，也不作为符号匹配。

　　在收到传输NPDCCH以及DCI的最后一个子帧n后，UE尝试在n+5子帧为其之后的N个连续下行子帧（不含承载系统消息的子帧）进行对应NPDSCH的解码。这N个连续下行子帧的计算方法是：N=Nrep×NSF，其中，Nrep是指每一个NPDSCH子帧总共重复传输的次数，NSF是指待传数据需要占用的子帧数量。这两个因素都是根据对应的DCI解码得出的，在协议中可以查表得出对应关系（36.213 R13 16.4.1.3）。需要注意的是，DCI有两种不同的格式，即N1格式和N2格式。在UE预期的n+5子帧以及实际传输NPDSCH的起始子帧之间存在调度延迟，如果是N2格式，该调度延迟为0；如果是NI格式，可以根据DCI的延迟指示Idelay和NPDCCH的最大重传Rmax，依据协议规定（36.213R13表16.4.1-1）共同确定调度延迟。另外在UE通过NPUSCH上传数据之后的三个下行子帧之内不传输NPDSCH数据。另外一种在物理层体现延迟传输NPDSCH的技术是设置GAP，GAP的长度由系统消息中的公共资源配置参数决定，这也为半双工FDD数据传输模式提供了更多的缓冲机制。

　　NPDSCH承载系统消息和承载非系统消息数据的物理层流程以及帧结构有所不同。承载非系统消息数据的NPDSCH每个子帧先重复发送，直到N=Nrep×NSF个子帧都传输完。而承载系统消息的NPDSCH先传输NSF个子帧，再循环重复，直到N=Nrep×NSF个子帧都传输完。这两种传输方式占用资源的方式相似，之所以在重复传输机制上有所差异，可能主要还是考虑UE对于系统消息响应的及时程度。对于承载非系统消息数据的NPDSCH，是通过对应NPDCCH加扰的P-RNTI、临时C-RNTI或者C-RNTI进行解码的，同时NPDSCH持续占用的子帧情况也是通过解码DCI予以明确的。与之不同的是，承载系统消息的NPDSCH起始无线帧以及重复传输占用子帧情况是通过解码小区ID和MIB-NB消息中的schedulingInfoSIBI参数获得的，当然这样承载系统消息的NPDSCH是通过SI-RNTI进行符号加扰的。SIB1-NB是在子帧4进行传输的。在子帧内具体的起始位置则取决于组网方式，如果NPDSCH承载SIBI-NB并且是带内组网模式，则从第4个OFDM符号开始（避开前三个OFDM符号），其他组网模式从第一个OFDM符号（0号OFDM符号）开始。如果 NPDSCH承载其他信息，说明此时已经正确解码了SIB1-NB，那么通过解读SIB1-NB中的eutraControlRegionSize参数来获取起始位置，如果该参数没有出现，那么从0号OFDM符号开始传输。

　　除了承载系统消息以及非系统消息（一般用户数据、寻呼信令等），NPDSCH还承载对上行信道NPUSCH的ACK/NACK消息，位置是NPUSCH传完子帧之后的第4个子帧。

　　通过对于整个NB-IoT下行物理层结构以及流程的了解，NB-IoT利用了延迟以及重传帧结构设计保障了数据传输的稳定性以及可靠性，提升了覆盖性能。这表明技术标准的发展方向是满足应用需求，而不是以技术本身的指标为考量。

　　4、窄带参考信号NRS

　　如同LTE的CRS，窄带参考信号也是NB-IoT里面重要的物理层信号，作为信道估计与网络质量评估的重要参考依据。在UE没有解读到MIB-NB里面的operation Modelnfo字段时，UE默认NRS（窄带参考信号）分别在子帧0、4和9（不包含NSSS）上进行传输。当UE解码MIB-NB中的operation Modelnfo字段指示为Guardband或者Standalone模式后，在UE进一步解码SIB1-NB前，UE默认NRS在子帧0,1,3,4和9（不包含NSSS）上进行传输。解码SIB1-NB后，UE默认NRS在每个不含NPSS或者NSSS的NB-IoT下行子帧进行传输。当UE解码MIB-NB中的operation Modelnfo字段指示为inband-SamePCI或者inband-DifferentPCI模式后，在UE解码SIBI-NB之前，UE默认NRS在子帧0,4,9（不包含NSSS）上进行传输。当UE解码SIB1-NB之后，UE默认在每个不含NPSS或者NSSS的NB-IoT的下行子帧进行传输。

　　5、主同步信号

　　NB-IoT的主同步信号（NPSS）仅作为小区下行同步使用。在NB-IoT中主同步信号传输的子帧是固定的，同时对应的天线端口号也是固定的，这也意味着在其他子帧传输的主同步信号的端口号并不一致，如下图。

　　图中黑色部分为CRS的位置，灰色部分为NPSS位置。值得注意的是，传输NPSS的5号子帧上没有NRS窄带参考信号。另外如果在带内组网模式下与CRS（小区参考信号）重叠，重叠部分不计作NPSS，但是仍然作为NPSS符号的一个占位匹配项。

　　6、辅同步信号

　　与NPSS位置部署原则大体一致，辅同步信号（NSSS）部署在每个无线帧的9号子帧上，从第4个OFDM符号开始，占满12个子载波。该9号子帧上没有NRS（窄带参考信号），另外如果在带内组网模式下雨CRS（小区参考信号）重叠，重叠部分不计作NSSS，但是仍然作为NSSS符号的一个占位匹配项，如下图。

　　图中黑色部分为CRS的位置，灰色部分为NSSS的位置。与LTE大王中PCI需要通过PSS和SSS联合确定不同，窄带物联网的物理层小区ID仅仅需要通过NSSS确定（依然是504个唯一标识），这意味着NSSS的编码序列有504组。

　　从UE角度看，NB-IoT下行是半双工传输模式，子载波带宽间隔是固定的15kHz，每一个NB-IoT载波只有一个资源块（Resource Block，RB）下行窄带参考信号被布置在每个时隙的最后两个OFDM符号中，每个下行窄带参考信号都对应一个天线端口，NB-IoT天线端口是1个或者2个。物理层同样被分配了504个小区ID，UE需要确认NB-IoT的小区ID与LTE大网PCI是否一致，如果二者一致，那么对于同频的小区，UE可以通过使用相同天线端口数的LTE大网小区的CRS（小区参考信号）来进行解调或者测量。UE除了通过NSSS确定小区物理ID之外，还需要像LTE大网小区驻留流程一样，根据这两个同步信号进行下行同步，NPSS位于每个无线帧的第6子帧的前11个子载波处，NSSS位于每个无线帧的第10子帧上的全部12个载波处。