NB IoT技术原理
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19
Downlink (DL) operating band 下行频率范围
2110 MHz – 2170 MHz 1930 MHz – 1990 MHz 1805 MHz – 1880 MHz
869 MHz – 894MHz 925 MHz – 960 MHz 729 MHz – 746 MHz 746 MHz – 756 MHz 734 MHz – 746 MHz 860 MHz – 875 MHz 875 MHz – 890 MHz 791 MHz – 821 MHz 859 MHz – 894 MHz 758 MHz – 803 MHz 2110 MHz – 2200 MHz
• UP模式和传统LTE系统架构类似，用户数据必须通过用户面承载来发送。
• 考虑到在用户面承载建立/释放过程中的信令开销，对NB-IoT小数据包 业务来说，显得效率很低。
• 因此UP模式增加了一个新的重要流程，RRC连接挂起和恢复流程。 即UE在无数据传输时，RRC连接并不直接释放，而是eNB缓存UE的AS
带宽增益
GSM/LTE
内部公开▲
下行PSD 增益 =10log (发射功率 A/带宽 A) /(发射功率 B/带宽 B)
NB-IoT 200KHz
重复
重复增益=10 log 重复次数
9~12dB 增益
下行 8 次重复 上行16次重复
上行4R接收
7
站间UL CoMP
3dB 增益(vs 2R)
GSM 1T2R NB-IoT 1T2R NB-IoT 2T4R
自 动 上 报 智能水气电表, 20到200字节之 50% 的 上 行 1 天 (40%),
(MAR)
智能农业，
间。
数 据 的 ACK为 2 小时(40%),
周期上报 智能环境
超过200也假定 0字节
1 小时 (15%),
为200
30 分钟 (5%)
网络命令
开关，
0 - 20 bytes 20 bytes
Case Urban
Household Density per Sq
km 1517
Inter-site Distance (ISD)
(m) 1732 m
Number of
Number of
devices within a devices within a
household
cell site sector
NB-IOT技术原理
孙英
第一部分 简介
第二部分 系统架构
第三部分 无线接口技术 无线接口总体介绍 下行物理信道 上行物理信道
第四部分 相关流程及关键技术
IOT（Internet of Things）
3
内部公开▲
Machine to Machine (M2M) Machine-Type Communications (MTC)
© ZTE All rights reserved
16
NB-IoT UP模式 协议栈总体示意图：
UE APP
NAS RRC
PDCP
RLC
MAC
PHY
eNB
RRC PDCP RLC MAC PHY
S1AP X2AP SCTP IP GTPU UDP
信令流 数据流
© ZTE All rights reserved
•深度覆盖 •广域覆盖 •电池寿命 •结构简单 •网络复用 •价格便宜 •海量终端 •低吞吐量 •时延较大 •低移动性 •少量频谱
Cellular IoT (CIoT): Internet of Things using 3GPP technology.
© ZTE All rights reserved
定为2000
假定为2000
© ZTE All rights reserved
4
网络容量
The cellular IoT device density per cell site sector is calculated by assuming 40 devices per household. The household density is based on the assumptions of TR 36.888 [3] for London in Table E.1-1. Calculation
上下行信息，释放RRC连接，使UE进入了挂起状态。这个过程也称为AS上 下文缓存。
© ZTE All rights reserved
15
NB-IoT UP模式
内部公开▲
• UP模式下，信令和用户数据传输示意图 • UP模式下，建立S1-U承载，用户数据通过S1-U和S-GW 收发，和LTE原理一致。
© ZTE AllOT应用目标小结：
内部公开▲
•深度覆盖—MCL额外增加20dB
Coverage Enhancement Level (CEL)覆盖等级
normal, extended, extreme
144dB
154dB
164dB
•大容量—每小区5万用户
差异包括： •R13 版本的NB-IoT，仅支持FDD双工方式，不支持TDD。 •NB-IoT信道带宽为180kHz，相当于LTE中的一个RB占用的带宽。 •NB-IoT下行信道只使用一种循环前缀，Normal CP，没有扩展CP。 小结：NB-IoT下行物理层设计的总体思路是尽量沿用LTE已有技术，适当简化，便于网络 和终端最大继承LTE的物理层处理机制，快速实现产品。
业务模型
3GPP TR 45.820定义的C-IoT业务模型如下表
内部公开▲
业务类别
Application UL Data Size DL Data
Frequency
example
Size
自 动 上 报 烟 雾 告 警 ， 智 能 20字节
0字节
每几个月甚至
(MAR)
仪表电源失效通
几年
异常上报 知，闯入通知
•广域覆盖—达到35km小区半径
•低移动性—终端主要用于静态场景
•低速率应用—在达到20dB覆盖增益情况，160bps边缘速率
© ZTE All rights reserved
8
第一部分 简介
第二部分 系统架构
第三部分 无线接口技术 无线接口总体介绍 下行物理信道 上行物理信道
第四部分 相关流程及关键技术
40
52547
© ZTE All rights reserved
5
覆盖增强
用Maximum Coupling Loss (MCL)表示覆盖性能 •UL MCL = UL Max Tx power - eNB Sensitivity •DL MCL = DL Max Tx power - UE Sensitivity
#0
#1
#2
#3
#18
#19
One subframe
22
© ZTE All rights reserved
内部公开▲
•路损= RS发射功率（eNB） – RSRP（UE）
eNB
UE
假定 RS发射功率为 20dBm，
终端接收电平RSRP为 -80dBm
则路损PL = 100 dB
•GSM/GPRS UL MCL 约为144dB左右
© ZTE All rights reserved
6
覆盖增强原理
功率谱密度
© ZTE All rights reserved
10
NB-IoT两种传输模式
内部公开▲
• Control plane CIoT EPS optimization
• 为更有效的传输小数据包业务，引入了控制面C-IoT EPS优化，简称CP模式。 • CP模式包括一系列增强方式，其中最核心内容为，用户数据可以通过控制 面来传输，不建立用户面承载。 • CP模式下，UE的用户数据和NAS层信令一起发送至MME（C-SGN），由 MME（C-SGN）转发到SGW/PGW。
SCEF
PTP IP tunnel for Non-IP Data
UE
MME xGw
AS
S1-MME
IP Data
SMSC IWMSC
CP模式下，支持Non IP传输和SMS传输。
© ZTE All rights reserved
14
内部公开▲
NB-IoT UP模式
内部公开▲
• User plane CIoT EPS optimization—用户面C-IoT EPS 优化，简称UP模式。
17
内部公开▲
MME NAS S1AP SCTP IP
SGW GTPU UDP IP
第一部分 简介
第二部分 系统架构
第三部分 无线接口技术 无线接口总体介绍 下行物理信道 上行物理信道
第四部分 相关流程及关键技术
NB-IoT 支持的频段
E-UTRA Operating Band
1 2 3 5 8 12 13 17 18 19 20 26 28 66
© ZTE All rights reserved
20
NB-IoT 物理层下行总体特点
内部公开▲
NB-IoT和Legacy LTE（R8）相同点包括： •下行方向，使用了LTE的基础技术，OFDM正交频分复用。 •子载波间隔都是15kHz。 •下行帧结构和LTE帧结构类型1（FDD）一致，即10ms帧，1ms子帧，和0.5ms时隙。
出 发 设 备 上 报 数 50% 情 况 请 求
据
上行响应
请求读表数据
1 天 (40%), 2 小时(40%), 1 小时 (15%), 30 分钟 (5%)
软件升级/重 软件补丁升级 配置模型
200 到 2000 字 200到2000字 180 天
节之间
节之间
超 过 2000 也 假 超 过 2000 也
协议要求，NB-IoT终端和网络必须支持CP模式。
© ZTE All rights reserved
11
NB-IoT CP 模式
内部公开▲
• CP模式下，用户数据传输示意图 • CP模式下，不建立S1-U承载，用户数据随NAS信令发送， 由MME转发。
© ZTE All rights reserved
© ZTE All rights reserved
21
NB-IoT 下行时域资源
一个NB-IoT无线帧长度为10ms，一个子帧长度为1ms，
内部公开▲
一个子帧包含2个时隙，0.5ms为一个时隙。
One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms One slot, Tslot = 15360Ts = 0.5 ms
12
NB-IoT CP模式 协议栈总体示意图：
UE
eNB
NAS
RRC
RRC
PDCP
PDCP
RLC
RLC
MAC
MAC
PHY
PHY
内部公开▲
MME NAS
CP模式时，用户数据承载在NAS层中，PDCP层功能旁路，不生效。
© ZTE All rights reserved
13
NB-IoT CP模式 CP模式业务示意图
© ZTE All rights reserved
内部公开▲
NB-IoT 无线接口总体
内部公开▲
NB-IoT 首要特性是使用180kHz的无线信道带宽，下行使用15kHz子载 波间隔，上行使用3.75kHz和15kHz两种子载波间隔。
三种操作模式： Standalone， Guardband， In-band
内部公开▲
R ISD
Cell site sector area
Figure E.1-1: Cell site Sector area definition Calculation: Inter-site Distance (ISD) = 1732m Cell site sector radius, R = ISD/3 = 577.3m Area of cell site sector (assuming a regular hexagon) = 0.86 Sq Km Number of devices per cell site sector = Area of cell site sector*Household density per Sq km*number of devices per household = 52547 Table E.1-1: Device density assumption per cell
C-IOT总体架构
CIoT UE Uu
CIoT RAN
内部公开▲
CIoT CN
S1*
(EPC)
和LTE相比，C-IoT小区业务具有两个明显特点：
• 终端数量远大于LTE终端数 • C-IoT用户面数据总流量远小于LTE用户面数据量，但业务模型特点决 定控制面的建立和释放次数远高于LTE。
因此，从系统架构这个层面上，控制面和用户面的效率都需要针对CIoT做增强和优化。
Downlink (DL) operating band 下行频率范围
2110 MHz – 2170 MHz 1930 MHz – 1990 MHz 1805 MHz – 1880 MHz
869 MHz – 894MHz 925 MHz – 960 MHz 729 MHz – 746 MHz 746 MHz – 756 MHz 734 MHz – 746 MHz 860 MHz – 875 MHz 875 MHz – 890 MHz 791 MHz – 821 MHz 859 MHz – 894 MHz 758 MHz – 803 MHz 2110 MHz – 2200 MHz
• UP模式和传统LTE系统架构类似，用户数据必须通过用户面承载来发送。
• 考虑到在用户面承载建立/释放过程中的信令开销，对NB-IoT小数据包 业务来说，显得效率很低。
• 因此UP模式增加了一个新的重要流程，RRC连接挂起和恢复流程。 即UE在无数据传输时，RRC连接并不直接释放，而是eNB缓存UE的AS
带宽增益
GSM/LTE
内部公开▲
下行PSD 增益 =10log (发射功率 A/带宽 A) /(发射功率 B/带宽 B)
NB-IoT 200KHz
重复
重复增益=10 log 重复次数
9~12dB 增益
下行 8 次重复 上行16次重复
上行4R接收
7
站间UL CoMP
3dB 增益(vs 2R)
GSM 1T2R NB-IoT 1T2R NB-IoT 2T4R
自 动 上 报 智能水气电表, 20到200字节之 50% 的 上 行 1 天 (40%),
(MAR)
智能农业，
间。
数 据 的 ACK为 2 小时(40%),
周期上报 智能环境
超过200也假定 0字节
1 小时 (15%),
为200
30 分钟 (5%)
网络命令
开关，
0 - 20 bytes 20 bytes
Case Urban
Household Density per Sq
km 1517
Inter-site Distance (ISD)
(m) 1732 m
Number of
Number of
devices within a devices within a
household
cell site sector
NB-IOT技术原理
孙英
第一部分 简介
第二部分 系统架构
第三部分 无线接口技术 无线接口总体介绍 下行物理信道 上行物理信道
第四部分 相关流程及关键技术
IOT（Internet of Things）
3
内部公开▲
Machine to Machine (M2M) Machine-Type Communications (MTC)
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NB-IoT UP模式 协议栈总体示意图：
UE APP
NAS RRC
PDCP
RLC
MAC
PHY
eNB
RRC PDCP RLC MAC PHY
S1AP X2AP SCTP IP GTPU UDP
信令流 数据流
© ZTE All rights reserved
•深度覆盖 •广域覆盖 •电池寿命 •结构简单 •网络复用 •价格便宜 •海量终端 •低吞吐量 •时延较大 •低移动性 •少量频谱
Cellular IoT (CIoT): Internet of Things using 3GPP technology.
© ZTE All rights reserved
定为2000
假定为2000
© ZTE All rights reserved
4
网络容量
The cellular IoT device density per cell site sector is calculated by assuming 40 devices per household. The household density is based on the assumptions of TR 36.888 [3] for London in Table E.1-1. Calculation
上下行信息，释放RRC连接，使UE进入了挂起状态。这个过程也称为AS上 下文缓存。
© ZTE All rights reserved
15
NB-IoT UP模式
内部公开▲
• UP模式下，信令和用户数据传输示意图 • UP模式下，建立S1-U承载，用户数据通过S1-U和S-GW 收发，和LTE原理一致。
© ZTE AllOT应用目标小结：
内部公开▲
•深度覆盖—MCL额外增加20dB
Coverage Enhancement Level (CEL)覆盖等级
normal, extended, extreme
144dB
154dB
164dB
•大容量—每小区5万用户
差异包括： •R13 版本的NB-IoT，仅支持FDD双工方式，不支持TDD。 •NB-IoT信道带宽为180kHz，相当于LTE中的一个RB占用的带宽。 •NB-IoT下行信道只使用一种循环前缀，Normal CP，没有扩展CP。 小结：NB-IoT下行物理层设计的总体思路是尽量沿用LTE已有技术，适当简化，便于网络 和终端最大继承LTE的物理层处理机制，快速实现产品。
业务模型
3GPP TR 45.820定义的C-IoT业务模型如下表
内部公开▲
业务类别
Application UL Data Size DL Data
Frequency
example
Size
自 动 上 报 烟 雾 告 警 ， 智 能 20字节
0字节
每几个月甚至
(MAR)
仪表电源失效通
几年
异常上报 知，闯入通知
•广域覆盖—达到35km小区半径
•低移动性—终端主要用于静态场景
•低速率应用—在达到20dB覆盖增益情况，160bps边缘速率
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8
第一部分 简介
第二部分 系统架构
第三部分 无线接口技术 无线接口总体介绍 下行物理信道 上行物理信道
第四部分 相关流程及关键技术
40
52547
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覆盖增强
用Maximum Coupling Loss (MCL)表示覆盖性能 •UL MCL = UL Max Tx power - eNB Sensitivity •DL MCL = DL Max Tx power - UE Sensitivity
#0
#1
#2
#3
#18
#19
One subframe
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© ZTE All rights reserved
内部公开▲
•路损= RS发射功率（eNB） – RSRP（UE）
eNB
UE
假定 RS发射功率为 20dBm，
终端接收电平RSRP为 -80dBm
则路损PL = 100 dB
•GSM/GPRS UL MCL 约为144dB左右
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覆盖增强原理
功率谱密度
© ZTE All rights reserved
10
NB-IoT两种传输模式
内部公开▲
• Control plane CIoT EPS optimization
• 为更有效的传输小数据包业务，引入了控制面C-IoT EPS优化，简称CP模式。 • CP模式包括一系列增强方式，其中最核心内容为，用户数据可以通过控制 面来传输，不建立用户面承载。 • CP模式下，UE的用户数据和NAS层信令一起发送至MME（C-SGN），由 MME（C-SGN）转发到SGW/PGW。
SCEF
PTP IP tunnel for Non-IP Data
UE
MME xGw
AS
S1-MME
IP Data
SMSC IWMSC
CP模式下，支持Non IP传输和SMS传输。
© ZTE All rights reserved
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内部公开▲
NB-IoT UP模式
内部公开▲
• User plane CIoT EPS optimization—用户面C-IoT EPS 优化，简称UP模式。
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内部公开▲
MME NAS S1AP SCTP IP
SGW GTPU UDP IP
第一部分 简介
第二部分 系统架构
第三部分 无线接口技术 无线接口总体介绍 下行物理信道 上行物理信道
第四部分 相关流程及关键技术
NB-IoT 支持的频段
E-UTRA Operating Band
1 2 3 5 8 12 13 17 18 19 20 26 28 66
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NB-IoT 物理层下行总体特点
内部公开▲
NB-IoT和Legacy LTE（R8）相同点包括： •下行方向，使用了LTE的基础技术，OFDM正交频分复用。 •子载波间隔都是15kHz。 •下行帧结构和LTE帧结构类型1（FDD）一致，即10ms帧，1ms子帧，和0.5ms时隙。
出 发 设 备 上 报 数 50% 情 况 请 求
据
上行响应
请求读表数据
1 天 (40%), 2 小时(40%), 1 小时 (15%), 30 分钟 (5%)
软件升级/重 软件补丁升级 配置模型
200 到 2000 字 200到2000字 180 天
节之间
节之间
超 过 2000 也 假 超 过 2000 也
协议要求，NB-IoT终端和网络必须支持CP模式。
© ZTE All rights reserved
11
NB-IoT CP 模式
内部公开▲
• CP模式下，用户数据传输示意图 • CP模式下，不建立S1-U承载，用户数据随NAS信令发送， 由MME转发。
© ZTE All rights reserved
© ZTE All rights reserved
21
NB-IoT 下行时域资源
一个NB-IoT无线帧长度为10ms，一个子帧长度为1ms，
内部公开▲
一个子帧包含2个时隙，0.5ms为一个时隙。
One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms One slot, Tslot = 15360Ts = 0.5 ms
12
NB-IoT CP模式 协议栈总体示意图：
UE
eNB
NAS
RRC
RRC
PDCP
PDCP
RLC
RLC
MAC
MAC
PHY
PHY
内部公开▲
MME NAS
CP模式时，用户数据承载在NAS层中，PDCP层功能旁路，不生效。
© ZTE All rights reserved
13
NB-IoT CP模式 CP模式业务示意图
© ZTE All rights reserved
内部公开▲
NB-IoT 无线接口总体
内部公开▲
NB-IoT 首要特性是使用180kHz的无线信道带宽，下行使用15kHz子载 波间隔，上行使用3.75kHz和15kHz两种子载波间隔。
三种操作模式： Standalone， Guardband， In-band
内部公开▲
R ISD
Cell site sector area
Figure E.1-1: Cell site Sector area definition Calculation: Inter-site Distance (ISD) = 1732m Cell site sector radius, R = ISD/3 = 577.3m Area of cell site sector (assuming a regular hexagon) = 0.86 Sq Km Number of devices per cell site sector = Area of cell site sector*Household density per Sq km*number of devices per household = 52547 Table E.1-1: Device density assumption per cell
C-IOT总体架构
CIoT UE Uu
CIoT RAN
内部公开▲
CIoT CN
S1*
(EPC)
和LTE相比，C-IoT小区业务具有两个明显特点：
• 终端数量远大于LTE终端数 • C-IoT用户面数据总流量远小于LTE用户面数据量，但业务模型特点决 定控制面的建立和释放次数远高于LTE。
因此，从系统架构这个层面上，控制面和用户面的效率都需要针对CIoT做增强和优化。