如何練好通信童子功，先把NB-IoT物理層幀結(jié)構(gòu)搞清

吳老司上篇已經(jīng)談到 NB 的 ST、IB、GB 三種部署方式，本篇開始將深入分析 NB 的物理層結(jié)構(gòu)（有時(shí)候也俗稱為幀結(jié)構(gòu)）。

 

對于通信系統(tǒng)來說，物理層結(jié)構(gòu)是最底層的設(shè)計(jì)之一，它直接關(guān)聯(lián)咱們在低成本章節(jié)已經(jīng)談過的雙工方式，另外還決定了資源分配的基本原則。理解好物理層結(jié)構(gòu)是理解后續(xù)技術(shù)細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)，可以說它是練通信功夫的童子功，咱們必須打好這個(gè)基礎(chǔ)，否則后面學(xué)習(xí)信道的時(shí)候你會(huì)徹底睡暈！

 

先闡述一個(gè)基本的概念：物理層結(jié)構(gòu)包含兩塊，一是頻域結(jié)構(gòu)，一是時(shí)域結(jié)構(gòu)（這才是幀結(jié)構(gòu)出處），大家不要混為一談，以下吳老司在談具體細(xì)節(jié)的時(shí)候也將遵循頻、域時(shí)域兩分看這個(gè)思路，當(dāng)然實(shí)際工作中我們說物理層幀結(jié)構(gòu)也就基本等同于在說物理層結(jié)構(gòu)，沒這么嚴(yán)格區(qū)分。

 

1   下行物理層結(jié)構(gòu)

根據(jù) NB 的系統(tǒng)需求，終端的下行射頻接收帶寬是 180KHZ。由于下行采用 15KHZ 的子載波間隔，因此 NB 系統(tǒng)的下行多址方式、幀結(jié)構(gòu)和物理資源單元等設(shè)計(jì)盡量沿用了原有 LTE 的設(shè)計(jì)。

 

頻域上：NB 占據(jù) 180kHz 帶寬（1 個(gè) RB），12 個(gè)子載波（subcarrier），子載波間隔（subcarrier spacing）為 15kHz，如下圖所示：

 

 

 

時(shí)域上：NB 一個(gè)時(shí)隙（slot）長度為 0.5ms，每個(gè)時(shí)隙中有 7 個(gè)符號(hào)（symbol），如下圖所示。

 

 

 

 

NB 基本調(diào)度單位為子幀，每個(gè)子幀 1ms（2 個(gè) slot），每個(gè)系統(tǒng)幀包含 1024 個(gè)子幀，每個(gè)超幀包含 1024 個(gè)系統(tǒng)幀（up to 3h）。這里解釋下，不同于 LTE，NB 中引入了超幀的概念，原因就是以前在談到小功耗特點(diǎn)時(shí)候講過的 eDRX（詳見 NB-IOT 小功耗之太極拳篇章），為了進(jìn)一步省電，擴(kuò)展了尋呼周期，終端通過少接尋呼消息達(dá)到省電的目的。

 

 

 

上面這個(gè)圖有木有暈掉？其實(shí)不難，從上往下看就是啦：

 

1 個(gè) signal 封裝為 1 個(gè) symbol-》

 

7 個(gè) symbol 封裝為 1 個(gè) slot-》

 

2 個(gè) slot 封裝為 1 個(gè)子幀 -》

 

10 個(gè)子幀組合為 1 個(gè)無線幀 -》

 

1024 個(gè)無線幀組成 1 個(gè)系統(tǒng)幀（LTE 到此為止了）-》

 

1024 個(gè)系統(tǒng)幀組成 1 個(gè)超幀，over。

 

這樣計(jì)算下來，1024 個(gè)超幀的總時(shí)間=(1024*1024*10)/(3600*1000)=2.9h.

 

還木有理解？那么如果你是一個(gè)剁手黨的話，何不將以上的幀結(jié)構(gòu)的封裝想象為快遞的包裝呢，小盒子裝大盒子，大盒子再套更大的盒子呢？道理是一樣一樣的呀。

 

 

2   上行物理層結(jié)構(gòu)

看到這里的時(shí)候，下面的小同學(xué)已經(jīng)在扔臭雞蛋了。So easy 嘛！

 

但是且慢四分之一柱香之后，等你看完上行的話，也許你就會(huì)陷入對吳老司深深的熱愛中。

 

 

頻域上：

 

?占據(jù) 180kHz 帶寬（1 個(gè) RB），可支持 2 種子載波間隔：

 

◢15kHz：最大可支持 12 個(gè)子載波：如果是 15KHZ 的話，那就真是可以洗洗睡了。因?yàn)閹Y(jié)構(gòu)將與 LTE 保持一致，只是頻域調(diào)度的顆粒由原來的 PRB 變成了子載波。關(guān)于這種子幀結(jié)構(gòu)不做細(xì)致講解。

 

◢ 3.75kHz：最大可支持 48 個(gè)子載波：如果是 3.75K 的話，首先你得知道設(shè)計(jì)為 3.75K 的好處是哪里?？傮w看來有兩個(gè)好處，一是根據(jù)在《NB-IOT 強(qiáng)覆蓋之降龍掌》談到的，3.75K 相比 15K 將有相當(dāng)大的功率譜密度 PSD 增益，這將轉(zhuǎn)化為覆蓋能力，二是在僅有的 180KHZ 的頻譜資源里，將調(diào)度資源從原來的 12 個(gè)子載波擴(kuò)展到 48 個(gè)子載波，能帶來更靈活的調(diào)度。

 

 

?支持兩種模式：

 

◢ Single Tone （1 個(gè)用戶使用 1 個(gè)載波，低速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，針對 15K 和 3.75K 的子載波都適用，特別適合 IOT 終端的低速應(yīng)用）

 

◢Multi-Tone （1 個(gè)用戶使用多個(gè)載波，高速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，僅針對 15K 子載波間隔。特別注意，如果終端支持 Multi-Tone 的話必須給網(wǎng)絡(luò)上報(bào)終端支持的能力）

 

?兩種模式與兩種子載波間隔的關(guān)系如下圖：

 

 

 

tips:

需要注意的是，無論是 Single Tone 還是 Multi-Tone 的發(fā)送方式，NB 在上行都是基于 SC-FDMA 的多址技術(shù)。

 

時(shí)域上：

 

?基本時(shí)域資源單位都為 Slot，小同學(xué)們一定要注意，對于上行已經(jīng)不再提子幀的概念了，而是 slot 的概念。

 

對于 15kHz 子載波間隔，濤聲依舊，1 Slot=0.5ms，與 LTE 保持一致，在此不細(xì)談。

但是對于 3.75kHz 子載波間隔，1 Slot=2ms，這就大不一樣了，如下圖對比：

 

 

這一點(diǎn)在初學(xué) NB 幀結(jié)構(gòu)的時(shí)候務(wù)必要引起重視。

 

tips:

這里不妨思考下，是否有什么內(nèi)在聯(lián)系？吳老司的理解是頻域上子載波間隔 3.75K 是 15K 的 1/4，而時(shí)域上時(shí)隙 2ms 正好是 0.5ms 的 4 倍，兩者其實(shí)是等效的。

 

下圖是 3.75KHZ 時(shí)上行幀結(jié)構(gòu)示意圖，不過這次咱們看圖應(yīng)該跟下行倒過來，從下往上看，請同學(xué)們自己試著去理解，請注意都是時(shí)域上 4 倍的關(guān)系哦。

 

 

3   上行資源單元 RU

對于 NB 來說，上行因?yàn)橛袃煞N不同的子載波間隔形式，其調(diào)度也存在非常大的不同。NB-IoT 在上行中根據(jù) Subcarrier 的數(shù)目分別制訂了相對應(yīng)的資源單位 RU 做為資源分配的基本單位?；菊{(diào)度資源單位為 RU（Resource Unit），各種場景下的 RU 持續(xù)時(shí)長、子載波有所不同。這里特別再強(qiáng)調(diào)下，理解 RU 的時(shí)候應(yīng)該注意到：時(shí)域、頻域兩個(gè)域的資源組合后的調(diào)度單位才為 RU。

 

 

上表中可以看出，NPUSCH 根據(jù)用途被劃分為了 Format 1 和 Format 2. 其中 Format 1 主要用來傳普通數(shù)據(jù) .，類似于 LTE 中的 PUSCH 信道，而 Format 2 資源主要用來傳 UCI，類似于 LTE 中的 PUCCH 信道（其中一個(gè)功能）。

 

3.75KHz Subcarrier Spacing 只支持單頻傳輸，而 15KHz Subcarrier Spacing 既支持單頻又支持多頻傳輸。

 

 

對 Fomat1 而言，3.75KHz Subcarrier Spacing 的資源單位的帶寬為一個(gè) Subcarrier，時(shí)間長度是 16 個(gè) Slot，也就是 32ms 長，而 15KHz Subcarrier Spacing 單頻傳輸，帶寬為 1 個(gè) Subcarrier 的資源單位有 16 個(gè) Slot 的時(shí)間長度，即 8ms。從上可以看出，實(shí)際上 Format 1 兩種單頻傳輸占用的時(shí)*頻資源的總和是一樣的。對于 15KHzSubcarrier Spacing 多頻傳輸來說，共計(jì)有三種情況，實(shí)際上這三種情況最終占用的時(shí)*頻資源的總和也是一樣一樣的。另外，12 個(gè) Subcarrier 的資源單位則有 2 個(gè) Slot 的時(shí)間長度，即 1ms，此資源單位即是 LTE 系統(tǒng)中的一個(gè) Subframe。

 

對 Fomat2 而言，僅僅支持單頻傳輸，3.75KHzSubcarrier Spacing 的資源單位和 15KHzSubcarrier Spacing 資源單位占用的時(shí)*頻資源的總和也是一樣的。

 

tips:

這里再次強(qiáng)調(diào)，對于下行，濤聲依舊，時(shí)域上仍然采用 subframe 作為調(diào)度單位。

 

4  結(jié)束語

本篇主要講到 NB 的物理層結(jié)構(gòu)，它將是理解 NB 技術(shù)細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)，細(xì)節(jié)非常多，理解也比較困難，需要花心思理解，為后續(xù)技術(shù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。