NB-IoT时域资源

1、引言

NB-IoT技术源于LTE，因此它与LTE有很多共同点，尤其是在下行方向，NB-IoT与LTE时域资源分配几乎一致。但由于帧结构、空口特性不同，一般认为NB-IoT与LTE属于不同的RAT。本文在介绍NB-IoT基本时域资源的同时，会适当介绍LTE的时域资源。

2、下行时域资源

NB-IoT的最小时间单位是TS，1TS大约是32.5ns，最大时间单位是超帧H-SFN，1个H-SFN大约是10.24s。主要涉及的时间单位有：TS、OFDM/SC-FDMA符号、Symbol、slot、子帧、无线帧、超帧。

一眼看去好像挺复杂，不过我们按照顺序自上往下梳理：

H-SFN即超帧，一个超帧包含1024个SFN。

SFN即系统帧，又叫无线帧（描述无线帧的时候，强调的是帧的结构，描述系统帧的时候，是强调各无线帧之间的顺序关系），即1H-SFN=1024 SFN。1个系统帧包含10个子帧：1SFN=10sf。

sf即子帧，1个子帧包含2个时隙，需要注意：无线帧中的不同子帧的时隙号是连续编号的。

Slot即时隙，1个时隙中包含7个symbol。

OFDM是真正下行的有用的符号，加上循环前缀（CP）组成1个symbol，每个ofdm符号长度是2048个TS。

在1个时隙的7个symbol中，只有第一个symbol中的CP稍微长点，达到160 TS，后面6个smybol中的CP只有144 TS。这是由于1个slot长度是15360TS，但15360不能被7整除导致的。

3、上行时域资源

NB-IoT占用的资源的时域长度与其占用的频域宽度有关，而NB-IoT中上行子载波带宽有3.75kHz和15kHz两种,其中15kHz又支持single-tone和multi-tone两种模式，multi-tone又分3tones、6tones、12tones，在频域占用的带宽资源各不相同，导致其时域的长度也不尽相同。

对于15kHz的子载波间隔，上行调度的1个PRB的12tones，在时域上是1ms，频域上是15KHz子载波与LTE类似，与下行方向一致，不在此多说。

对于3.75kHz的载波间隔来说1个slot占2ms，因此与下行存在较大的不同，主要体现在无线帧到SCFDMA符号层级上的区别。具体如下图所示：

SFN即无线帧与下行一样，1个SFN=5 slot=10ms。

Slot即时隙，对3.75kHz的子载波带宽来说，其占用2ms，即1 slot=2ms。

symbol即上行符号，1symbol=CP+SC-FDMA与下行不同的是，每个slot除了7个symbol外，还有1段保护间隔GUARD。其中GUARD长度为2304 TS。

SC-FDMA即为有效的符号，长度为8192 TS。

这样总的来算，1slot=7 symbols+guard=7*（CP+SC-FDMA）+guard=7*（256+8192）+2304=61440TS=2ms。

4、随机接入

NB-IoT的随机接入信道固定使用single-tone传输，也固定使用3.75kHz子载波间隔。对于NPRACH而言，支持两种不同的CP大小，短CP长度为66.67us，长CP长度为266.67us。无论使用短CP，还是长CP，有效的symbol都是266.67us，5个symbol及1个CP组成1个symbol group。每个preamble均由4个symbol group组成。

其实可以发现短CP刚好是长CP的1/4，而长CP与有用的symbol长度相同。这样：

对短CP来说，1个symbol group长度=(2048+8192*5)TS=2048*21 TS=21/15000 S=1.4ms，4个group就是4*1.4=5.6ms。

对于长CP来说，1个symbol group长度=(8192+8192*5)=8192*6 TS=2048*24 TS =24/15 ms=1.6ms,4个group就是4*1.6=6.4ms。

实际上无论长CP，还是短CP，premble最终会占用8ms，剩余的部分都用作GT。

对于NPRACH来说，CP的长度决定了其上行覆盖。长CP是短CP的4倍，也就意味着覆盖范围是其4倍，对应的距离分别是10km、40km。在实际建网中，覆盖瓶颈并不在CP上，而在于损耗上，因此现网一般使用短CP以提供更多的保护。

5、LTE的不同特性

LTE与NB-IoT的时域资源基本是相同的，但也有略微的区别，具体的体现见本节内容介绍。

5.1 超帧

在LTE中，无论TDD还是FDD都没有超帧的概念，也就没有最上面一级时域资源单位。当然LTE中，系统帧编号仍然是0-1023，全部的系统帧总长度仍然和NB-IoT中1个超帧长度相同。

5.2 半帧

在LTE TDD中存在半帧的概念。每个系统帧包含两个半帧，每个半帧包含5ms，总的还是10ms,每个子帧还是1ms。

h-sfn表示半帧，与上面的H-SFN用大小写的不同来区分，不过事实上半帧只存在于TDD中，而超帧只存在于NB-IoT中，NB-IoT又使用的是FDD，因此并不会在一起出现，即使不使用大小写区分，也不会引起误解。每一个半帧包含5ms，每毫秒对应1个sf。

但对于TDD而言，如果使用5ms转换点，每个半帧的第二个子帧是特殊子帧，对应的它所包含的时隙也叫特殊时隙。常规子帧与LTE FDD和NB-IoT都是一样的,每个子帧1ms，每个时隙0.5ms。只是每个特殊子帧包含3个时隙：DwPTS、GP、UpPTS，其总的时域长度也是1ms，也认为其包含14个Symbol。但是每个时隙的长度是可配置的，其中DwPTS最长可配置到12个符号，最短3个符号；GP最长10个符号，最短1个符号；UpPTS最长2个符号，最短1个符号。具体的配置即TDD的特殊子帧配比，以及给网络带来的影响，这里不再赘述。

5.3 扩展CP

在LTE中存在两种CP长度，一种常见的叫常规CP，时长144TS，大约4.6875us；一种是扩展CP，比较少见，时长512TS，大约16.67us。在LTE中CP有个重要的作用，就是避免符号间干扰，这对小区的半径有重要的影响。较短的CP意味着较小的覆盖半径，较长的CP意味着较大的覆盖半径。所以内陆地区一般都使用较小的CP，由于建筑物阻挡，造成路径损耗大，根本不能覆盖很远的距离。而在海面，或者沙漠、平原地区则可以使用扩展CP，以增加覆盖范围。实际可以推测，要么是珠海、青岛这种沿海城市，要么是西藏，蒙古这种地广人稀的区域使用扩展CP，其他地区一般不使用。

使用扩展CP时，每个时隙只有6个OFDM符号。由于每个时隙长度15360TS，15360/6=2560，可以看到15360能被6整除，因此每个symbol都是一样长，持续2560个TS，扣除OFDM符号2048TS，剩下的每个CP长度是2560-2048=512 TS，大约16.67us。

5.4 调度带宽

LTE上下行采用一样的调度方式，最小调度单位是RB，即带宽总是180K及其整数倍，每个子载波总是固定的15kHz（PRACH和MBSFN子帧除外），不存在单tone、多tone的概念。其传输的方式与NB-IoT下行类似，因此这里不再赘述。

5.5 LTE的随机接入

在LTE中Preamble同样由3部分构成：CP、Tseq、GT。但没有group这个层级，因此整个Preamble只有1个CP，而不同于NB-IoT中每个group中只有1个CP。

在LTE中有5中不同的preamble长度，对应着不同的CP和Tseq，同样将剩余的长度作为GT。具体的5种如下表所示：

除了格式4只支持LTE TDD以外，其余4种同时支持TDD/FDD。实际上CP反映了这个UE到基站的最大距离，从而限制小区半径，而GT则限制了两个用户之间的保护，在实网建设中不仅要考虑CP，还要考虑GT带来的小区半径的限制。

（本文作者：饶晨）

【参考资料】
[1]《深入理解NB-IoT》基于R13版本 温金辉 4.1/5.1/7.3.2
[2]《深入理解LTE-A》基于R10版本 温金辉 21.2
[3] 3GPP TS36.211 Physical channels and modulation(Release 15)
[4]《Cell Size Configuration in RACH (II) – Cyclic Shift》 by Hongyan
[5] 《NB-IoT从原理到实践》电子工业出版社 吴细刚