NB-上行物理层技术.docx

相比 LTE 的上行物理信道，NB-IoT 的上行物理信道可谓简化了很多，因此一些流程机制也改变很多。由于不需

要在上行信道中传输 CSI 或者 SR，因此在上行信道结构设计中也不需要专门保留上行控制共享信道。NB-IoT 上

行信道包含两种物理信道，一个是窄带物理上行共享信道（NPUSCH），另外一个是窄带物理随机接入信道

（NPRACH），控制信息可以通过 NPUSCH 复用传输，这意味着 NPUSCH 不仅承载上行数据业务，同时也肩

负了类似 LTE 中 PUCCH 承载一些上行反馈信息的功能。另外，由于没有了上行资源调度的概念，同时为了简化

帧结构，作为全频段信道估计用的 Sounding Reference Signal(SRS)也被省略掉了，上行物理信号只保留了窄

带解调参考信号，这样不仅简化了物理层流程，同时也将有限的带宽资源尽可能预留给了数据传输。

NPUSCH（Narrowband Physical uplink shared channel）

上行传输有两种模式，一种是 single-tone,另一种是 multi-tone。对于 single-tone 传输模式，可以有两种子载

波间隔 3.75kHz 和 15kHz，资源块在这里并没有定义，这意味着并不以资源块作为基本调度单位。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。

我们知道，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，数据传输的效率更高，当然，考虑到通过 IFFT 的计算效率，子载波也不能设置

的无限小。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 的兼容性。

当上行采取 single tone 3.75kHz模式传输数据时，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（15kHz）的 4

倍），剩下的时域长度（2304Ts）作为保护带宽。single-tone 和 multi-tone 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，single-tone 以 12

个连续子载波进行传输，multi-tone 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 对进行基本资源调度单位，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）。NPUSCH 有两种传输格式，两种传

输格式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

single-tone 和 multi-tone 两种格式。其中

single-tone 3.75kHz 32ms, 15kHz8ms;

multi-tone 15kHz 3 子载波 4ms,6 子载波 2ms,12 子载波 1ms。

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

分别进行调度发送的。

NPUSCH 信道基本调度资源单位（Resource Unit）

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）。

NB-IoT 上行物理信道进行了简化

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 资源单位数量由

NPDDCH 承载的针对NPUSCH 的 DCI 格式 N0（format N0）来指明。这个 DCI 格式 N0 包含分配给 RU 的连

续子载波数量 n sc , 分配的 RU 数量 N RU ，重复发送的次数 N Rep 。UE 通过解读 DCI 格式 N0 获取相关 NPUSCH

上行传输的时间起点以及所占用的视频资源，上行共享信道子载波间隔与解码随机接入 grant 指示 Msg3 发送采

用的子载波间隔保持一致。另外 NPUSCH 上行具体的对应取值在协议中有明确的定义（见 36.213R13

16.5.1.1&16.5.1.2）。在子载波上映射的 NPUSCH 符号应该与上行参考信号错开。在映射了 N slots 个时隙后，为

了提升上行软覆盖，保证数据传输质量，这 N slots 个时隙需要被重复 次。具体的计算公式如下（36.211 R13

10.1.3.6）

我们进行一点简单的计算。

对于NPUSCH 格式 1 中子载波间隔 3.75kHz,RU 频域子载波数为 1 的情况，查表计算得出每个传输的时隙不需要重复。

这样NPUSCH 的待发符号会映射满一个 RU（1 个子载波，8 个时隙，持续 32ms），之后再重复

次；

对于NPUSCH 格式 2 中子载波间隔 15kHz,RU 频域子载波数为 1 的情况，查表计算出每 2 个时隙需要被重复发送，而

RU 内部重复次数 为 1，其实意味着和前一种情况一致了。NPUSCH 的待发信号映射满一个 RU（1 个

子载波，4 个时隙，持续 2ms），之后再重复 次；

对于NPUSCH 格式 1 中子载波间隔 15kHz，RU 频域子载波数为 6 的情况，查表计算出每 2 个时隙需要被重复发送，

假设通过解码 DCI 获得 的值为 4，那么经计算 为 2，那么实际情况是在该 RU 持续的 4

个时隙内，NPUSCH 符号先映射满 2 个时隙，然后 RU 内部一重复，这种映射方式直到 NPUSCH 符号被完全发送完，

之后NPUSCH 重复 3 次，也就是说每映射 2 个时隙的 NPUSCH 符号，实际总共需要 16 个时隙重传来保障上行数据接

受的可靠性。

通过这些例子的简单计算，我们可以摸清 NPUSCH 映射传输的一些规律，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，就没有采

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保证质量。NPUSCH 在传输过

程中需要与 NPRACH 错开，NPRACH 优先程度较高，如果与 NPRACH 时隙重叠，NPUSCH 需要延迟一定的

时隙传输（36.211 R13 10.1.3.6）。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了，换言之，这部分上传数据被废弃掉了。在 NPUSCH 的上行信道配

置中还同时考虑了与 LTE 上行参考信号 SRS 的兼容问题，这里通过 SIB2-NB 里面的

NPUSCH-ConfigCommon-NB 信息块中的 npusch-AllSymbols 和 srs-SubframeConfig 参数共同控制，如果

npusch-AllSymbols 设置为 false,那么 SRS 对应的位置记作 NPUSCH 的符号映射，但是并不传输，如

果 npusch-AllSymbols 设置为 true,那么所有的 NPUSCH 符号都被传输。对于需要兼容 SRS 进行匹配

的 NPUSCH，意味着一定程度上的信息损失，这也是与 LTE 采取带内模式组网时需要考虑的。

NB-IoT 上行共享信道具有功控机制，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。之

所以说上行功控的机制属于“半动态”调整（这里与 LTE 功控机制比较类似），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通过重配消息获取，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，具体计算公式可以参见 36.213 R13

16.2.1.1.1。上行功控以时隙作为基本调度单位，值得注意的是在如果 NPUSCH 的 RU 重传次数大于 2，那么意

味着此时 NB-IoT 进行深度覆盖受限环境，上行信道不进行功控，采取最大功率发射 ，

该值不超过 UE 的实际最大发射功率能力，对于 class3UE 最大发射功率能力是 23dBm,class5UE 最大发射功率

能力 20dBm。

DMRS(Demodulation reference signal)

不同格式的 RU 对应产生不同的解调参考信号。主要按照 （一个 RU 包含的子载波数量）和

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，这种设计可能源于承载控制信息的

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

解调参考信号予以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（当然我们也可以按照

single-tone,multi-tone 分类）需要保证每个子载波至少一个 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 multi-tone 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（36.211 R13 36.211）。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 的 RU，RU 内部的每个时隙中的序列组跳变是一样的，而对于

的 RU，RU内部每个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一个参考信号，这个也很好理解，通俗的说就说保证每个时隙上的

子载波能够被正确解调，同时又不由于过多的分配 DMRS 导致资源消耗够多，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 BPSK，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 DFT 变换，同时分配给用户频域资源中不同子载波功率是一致的，这样 PAPR 问题

得到了有效的缓解。而对于 NB-IoT 而言，对于 single-tone的这种单子载波传输的方式，功率谱密度更高，对

带外旁瓣泄露更加敏感，另外相比 multi-tone 传输方式，单 DFT 抽头抑制 PAPR 效果相对较弱，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 clipping 技术一样使得频域旁瓣产生

泄漏，产生带外干扰。

NPRACH(Narrowband physical random access channel)

窄带随机接入信道顾名思义就是传输随机接入请求的。随机接入过程是 UE 从空闲态获取专用信道资源转变为连

接态的重要方法手段。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。随机接入使用的 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 preamble。随机接入符号组如图所示，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

原因是由于其并不是多载波调制，因此不用通过 CP 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。

随机接入符号组

前导码参数配置

一个前导码（preamble）包含了 4 个符号组，同时被连续传输 。通过一些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。

如何通过这些配置参数确定前导码的起始位置？为了避免枯燥的参数解读与描述，我们通过简单的计算来说明。

起始

假设 nprach-Periodicity =1280ms,那么发起随机接入的无线帧号应该是 0,128,256....(128 的整数倍)，当然随

着这个取值越大，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，基于抄水表的物联网

终端更需要保证的是数据传递准确性，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 nprach-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。

重复

一个前导码占用 4 个符号组， 假设 numRepetitionsPerPreambleAttempt =128（最大值），意味前导码需要被重

复传递 128 次，这样传输前导码实际占用时间为 4*128*（ T CP + T SEQ ） T S (时间单位) ，而协议规定，每传输 4*64

（ T CP + T SEQ ） T S ，需要加入 40*30720 T S 间隔（36.211 R13 10.1.6.1），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 preamble 的频域资源不能超过频域最大子载波数，即

nprach-SubcarrierOffset + nprach-NumSubcarriers <= 48,超过 48 意味着参数配置无效。这两个参数，决定了每个

符号（ 注：我们这里并没有用 OFDM 符号这个词，由于随机接入前导码并没有采取 OFDM 调制技术，只是占用了 ODFM

符号的位置而已 ）中 NPRACH 的起始位置，NPRACH 采取在不同的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，具体的跳频位置计算比较复杂，可参见（36.311 R13

10.1.6.1）

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 nprach-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。

基带导频信号生成

基带导频信号的生成和每个符号组跳频的偏置相关，是个复信号，具体计算公式参见 36.311 R13 10.1.6.2。

随机接入过程

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。

过程 1:发送随机接入前导码（发送 Msg1）

随机接入信道为每个连续的前导码符号占用一个子载波。层 1 的随机过程是由高层的接入请求触发的，随机接入

的发射目标功率（随机信道受高层控制有功率抬升机制），对应的 RA-RNTI 和 NPRACH 资源分配也是由高层决

定的。

过程 2：接收随机接入响应获取 uplink grant（解码 Msg2,RAR）

UE 通过 RA-RNTI 解码下行 NPDCCH 获取被对应 RA-RNTI 加扰的 DCI，通过 DCI 获取对应 DL-SCH 资源传输

块，将资源块传递高层，高层解析资源块，并向物理层指明 N r -bit 的上行授权（uplink grant）。Nr=15，

这 15bit 包含了如下的相关信息（从左至右）

通过解读 NPDCCH 中 DCI 获得随机接入响应资源预留，规定了 Msg3 发送占用的资源以及调制方式

为了更直观的说明物理层随机接入过程，我们用流程图的方式进行了整理