NB-IoT上行使用SC-FDMA，考虑到NB-IoT终端的低成本需求，在上行要支持单频（Single Tone）传输，子载波间隔除了原有的15kHz之外，还新定了3.75kHz的子载波间隔，共48个子载波。
当采用15kHz子载波间隔时，资源分配和LTE一样。当采用3.75kHz的子载波间隔时，15kHz为3.75kHz的整数倍，对LTE系统干扰较小。由于下行的帧结构与LTE相同，为了使上行与下行相容，子载波空间为3.75kHz的帧结构中，一个时隙同样包含7个Symbol，共2ms长，刚好是LTE时隙长度的4倍。
此外，NB-IoT系统中的采样频率（Sampling Rate）为1.92MHz，子载波间隔为3.75kHz的帧结构中，一个符号（Symbol）的时间长度为512Ts，Ts为采样时间（Sampling Duration），加上16Ts的循环前缀（Cyclic Prefix，CP）长度，共528Ts。因此，一个时隙包含7个Symbol再加上保护区间（Guard Period）共3840Ts，即2ms长。
1、NPRACH
NPRACH子载波间隔为3.75kHz，占用1个子载波，有前导码格式0和前导码格式1两种格式，对应66.7μs和266.7μs两种循环前缀（CP）长度，对应不同的小区半径。1个符号组（Symbol group）包括1个CP和5个符号，4个Symbol Group组成1个NPRACH信道，如下图。
NPRACH信道
NPRACH信道通过重复获得覆盖增强，重复次数可以是{1,2,4,8,16,32,64,128}。
随机接入过程是UE从空闲态获取专用信道资源转变为连接态的重要手段。在NB-IoT中没有了同步状态下的SR流程对于调度资源的申请，NB-IoT主要靠随机接入流程申请调度资源。随机接入使用3.75kHz子载波间隔，同时采取在单子载波跳频符号组的方式发送不同循环前缀的前导码（Preamble）。它由5个相同的OFDM符号与循环前缀拼接而成。随机接入前导序列只在前面加循环前缀，而不是在每个OFDM符号前都加（如NB-IoT的 NPUSCH上行共享信道），主要原因是其并不是多载波调制，因此不用通过循环前缀来CCP保持子载波之间的正交性，节省下CP的资源可以承载更多的前导码信息，基站侧通过检测最强路径的方式确认随机接入前导码。随机接入前导码包含两种格式，两种格式的循环前缀不一样，前导码参数配置如下表。
前导码参数配置
一个前导码（Preamble）包含了4个符号组，通过一系列的时频资源参数配置，随机接入前导码占据预先分配的时频资源进行传输。UE通过解读SIB2-NB消息获取这些预配置参数，如下图。
SIB2-NB消息
假设nprach-Periodicity=1280ms，那么发起随机接入的无线帧号应该是128的整倍数，即0,128,256…，当然这个取值越大，随机接入延迟越大，但是这对于物联网NB-IoT来说并不太敏感。窄带物联网终端更需要保证的是数据传递的准确性，对于延迟可以进行一定的容忍。 nprach-StartTime决定了具体的起始时刻，假设prach-StartTime=8，那么前导码可以在上述无线帧的第4号时隙上发送（8ms/2ms=4）。这两组参数搭配取值也有一定的潜规则，如果 nprach-Periodicity取值过小，nprach- StartTime取值过大，建议可以进行适当的调整。
一个前导码占用4个符号组，假设numRepetitionsPerPreamble Attempt=128（最大值），这就意味着前导码需要被重复传递128次，这样传输前导码实际占用时间为4×128×（TCP+TSEQ）TS（时间单位），而协议规定，每传输4X64（TCP+TSEQ）TS，需要加入40×30720Ts间隔（36.211R1310.1.6.1），假设采取前导码格式0进行传输，那么传输前导码实际占用时间为796.8ms，相比LTE的随机接入，这是一个相当大的时间长度，物联网终端随机接入需要保证用户的上行同步请求被正确解码，而对于接入时延来讲依然不那么敏感。
频域位置分配给前导码的频域资源不能超过频域最大子载波数，即prach-SubcarrierOffset+prach-NumSubcarriers<=48，超过48则参数配置无效。这两个参数决定了每个符号中NPRACH的起始位置，NPRACH采取在不同符号的不同单子载波跳频，但是有一个限制条件，就是在起始位置以上的12个子载波内进行跳频。
nprach-NumCBRA-StartSubcarriers和nprach-SubcarrierMSG3-RangeStart这两个参数决定了随机过程竞争阶段的起始子帧位置，如果prach-SubcarrierMSG3-RangeStart取值为1/3或者2/3，那么指示UE网络侧支持multi-tone方式的msg3传输。
UE在发起非同步随机接入之前，需要通过高层获取NPRACH的信道参数配置。在物理层的角度看来，随机接入过程包含发送随机接入前导码和接收随机接入响应两个流程。其余的消息，比如竞争解决及响应（msg3，ms4），认为在共享信道传输，因此不认为是物理层的随机接入过程。
2、NPUSCH
NPUSCH用来传送上行数据以及上行控制信息。NPUSCH传输可使用单频或多频传输。
NPUSCH上行子载波间隔有3.75kHz和15kHz两种，上行有两种传输方式：单载波传输（Singleton）、多载波传输（Multitone），其中Singleton的子载波带宽包括3.75kHz和15kHz两种，Multitone子载波间隔为15kHz，支持3、6、12个子载波的传输。
如果子载波间隔是15kHz，那么上行包含连续12个子载波；如果子载波间隔是3.75kHz，那么上行包含连续48个子载波。对于通过OFDM调制的数据信道，如果在同样的带宽下，子载波间隔越小，相干带宽越大，那么数据传输抗多径干扰的效果越好，数据传输的效率就高。当然，考虑到通过快速傅里叶逆变换（IFFT）的计算效率，子载波也不能设置得无限小。同时，也要考虑与周围LTE大网的频带兼容性，选取更小的子载波也需要考虑与15kHz子载波间隔的兼容性。当上行采取Singleton模式3.75kHz带宽传输数据时，物理层帧结构最小单位为基本时长2ms时隙，该时隙与FDD LTE子帧保持对齐。每个时隙包含7个OFDM符号，每个符号包含8448个Ts（时域采样），其中这8448个Ts含有256Ts个循环校验前缀（这意味着IFFT的计算点数是8448-256=8192个，恰好是2048（15kH）的4倍），剩下的时域长度（2304Ts）作为保护带宽。Singleton和Multitone的15kHz模式与FDD LTE的帧结构是保持一致的，最小单位是时长为0.5ms的时隙。而区别在于NB-IoT没有调度资源块，Singleton以12个连续子载波进行传输，Multitone可以分别按照3、6、12个连续子载波分组进行数据传输。
相比LTE中以PRB作为基本资源调度单位，NB-IoT的上行共享物理信道 NPUSCH的资源单位是以灵活的时频资源组合进行调度的，调度的基本单位称作资源单位（Resource Unit，RU）。 NPUSCH有两种传输格式，其对应的资源单位不同，传输的内容也不一样。NPUSCH格式1用来承载上行共享传输信道UL-SCH，传输用户数据或者信令，UL-SCH传输块可以通过一个或者几个物理资源单位进行调度发送。所占资源单位包含Singleton和Multitone两种格式。
NPUSCH格式2用来承载上行控制信息（物理层），例如ACK/NAK应答。根据3.75kHz、8ms或者15kHz、2ms分别进行调度发送。
Singleton和Mulittone的RU（Resource Unit，资源单位）定义如下，调度RU数可以为{1,2,3,4,5,6,8,10}，在NPDCCH NO中指示。
NPUSCH的RU定义
NPUSCH采用低阶调制编码方式MCSO～11，重复次数为{1,2,4,8,16,32,64,128}。
NB-IoT没有特定的上行控制信道，控制信息也复用在上行共享信道（NPUSCH）中发送。所谓的控制信息指的是与NPDSCH对应的ACK/NAK的消息，并不像LTE大网那样还需要传输表征信道条件的CSI以及申请调度资源的SR（Scheduling Request）。
（1）对于NPUSCH格式1
当子载波间隔为3.75kHz时，只支持单频传输，一个RU在频域上包含1个子载波，在时域上包含16个时隙，所以，一个RU的长度为32ms。
当子载波间隔为15kHz时，支持单频传输和多频传输，一个RU包含1个子载波和16个时隙，长度为8ms；当一个RU包含12个子载波时，则有2个时隙的时间长度，即1ms，此资源单位刚好是LTE系统中的一个子帧。资源单位的时间长度设计为2的幂次方，是为了更有效地运用资源，避免产生资源空隙而造成资源浪费。
（2）对于 NPUSCF格式2
RU总是由1个子载波和4个时隙组成的，所以，当子载波间隔为3.75kHZ时，一个RU时长为8ms；当子载波空间为15kHz时，一个RU时长为2ms。
对于NPUSCH格式2，调制方式为BPSK。
对于NPUSCE格式1，在包含一个子载波的RU情况下，采用BPSK和QPSK调制方式；其他情况下，采用QPSK调制方式。
由于一个TB可能需要使用多个资源单位来传输，因此在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了指示上行数据传输所使用的资源单位的子载波的索引（Index）之外，也会包含一个TB对应的资源单位数目以及重传次数指示。
NPUSCH格式2是NB-IoT终端用来传送指示NPDSCH有无成功接收的HARQ-ACK/NACK，所使用的子载波的索引（Index）是在由对应的NPDSCH的下行分配（Downlink Assignment）中指示的，重传次数则由RRC参数配置。
NPUSCH目前只支持天线单端口，NPUSCH可以包含一个或者多个RU。这个分配的RU数量由NPDDCH承载的针对NPUSCH的DCI格式N0（format N0）来指明。NPUSCH采取“内部切片重传”与“外部整体重传”的机制保证上行信道数据的可靠性。对于格式2承载的一些控制信息，由于数据量较小，未采取内部分割切片的方式，而是数据NPUSCH承载的控制信息传完以后再重复传输以保证质量。NPUSCH在传输过程中需要与NPRACH错开，NPRACH优先度较高，如果与NPRACH时隙重叠，NPUSCH需要延迟一定的时隙再传输。在传输完NPUSCH或者NPUSCH与NPRACH交叠需要延迟256ms传输，需要在传输完NPUSCH或者 NPRACH之后加一个40ms的保护间隔，而被延迟的NPUSCH与40ms保护间隔交叠的数据部分则认为是保护带的一部分。
NPUSCH具有功率控制机制，通过“半动态”调整上行发射功率使得信息能够成功在基站侧被解码。上行功控的机制属于“半动态”调整的方式，与LTE功控机制类似，是由于在功控过程中，目标期望功率在小区级是不变的，UE通过接入小区或者切换至新小区的重配消息来获取目标期望功率，功控中进行调整的部分只是路损补偿。UE需要检测NPDCCH中的UL grant以确定上行的传输内容（NPUSCH格式1/2或者Msg3），不同内容路损的补偿的调整系数有所不同，同时上行期望功率的计算也有差异。上行功控以时隙作为基本调度单位，值得注意的是，如果NPUSCH的RU重传次数大于2，那么意味着此时NB-IoT正处于深度覆盖受限环境，上行信道不进行功控，采取最大功率发射时，该值不超过UE的实际最大发射功率能力。对于Class3，UE最大发射功率能力是23dBm；对于Class5，UE最大发射功率能力是20dBm。
3、DMRS
不同格式的RU对应产生不同的解调参考信号。主要按照N BU/SC=1（一个RU包含的子载波数量）和N RU/SC>1两类来计算。另外 NPUSCH两种格式的解调参考信号也不一样，格式1每个NPUSCH传输时隙包含一个解调参考信号，而格式2每个传输时隙则包含3个解调参考信号。这种设计的原因是承载控制信息的NPUSCH的RU中空闲位置较多，而且分配给控制信息的RU时域资源相对较少，因此每个传输时隙通过稍多的解调参考信号进行上行控制信息的解调保障。对于包含不同子载波的RU而言，可以参考Singleton与Multitone分类，需要保证每个子载波至少有一个DMRS参考信号以确定信道质量，同时DMRS的功率与所在NPUSCH信道的功率保持一致。对于Multitone中如何生成参考信号，既可以通过解读系统消息SIB2-NB中的NPUSCH-ConfigCommon-NB信息块中的参数（可选）获取，也可以根据小区ID通过既定公式计算获取。解调参考信号可以通过序列组跳变（Group hopping）的方式避免不同小区间上行符号的干扰。序列组跳变并不改变DMRS参考信号在不同子帧的位置，而是通过编码方式的变化改变DMRS参考信号本身。
对于N BU/SC=1的RU，RU内部的每个时隙中的序列组跳变是一样的；而对于N RU/SC>1的RU，RU内部每隔偶数时隙的序列组的计算方式就要重新变化一次。DMRS映射到物理资源的原则是确保RU内每个时隙的每个子载波至少有一个参考信号。这个也很好理解，通俗来说就是保证每个时隙上的子载波能够被正确解调，同时又不由于过多地分配DMRS导致资源消耗太多，物理层设计的时候也进行了相应的权衡。当然在物理资源映射分配上格式1与格式2的DMRS还是有些差异。格式1在每个时隙每个子载波上只分配1个DMRS参考信号，格式2在每个时隙每个子载波上分配3个DMRS参考信号。
NB-IoT上行SC-FDMA基带信号对于单子载波RU模式需要区分是BPSK还是QPSK模式，即基于不同的调制方式和不同的时隙位置进行相位偏置。这一点与LTE是不同的，LTE上行的SC-FDMA主要是由于考虑到终端上行的PAPR问题采取在IFFT前加离散傅里叶变换（DFT），同时分配给用户频域资源中不同子载波的功率是一样的，这样PAPR问题得到了有效的缓解。而对于NB-IoT而言，一个NPUSCH可以包含多个不同格式的RU，一个终端可能同时包含发射功率不同的多个 NPUSCH，这样会使得PAPR问题凸显，因此通过基于不同调制方式数据的相位偏置可以进行相应的削峰处理，同时又不会像简单的clipping技术一样使得频域旁瓣发生泄漏，产生带外干扰。
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