NB-IoT和LTE的時域資源介紹

1、引言

NB-IoT技術(shù)源于LTE，因此它與LTE有很多共同點，尤其是在下行方向，NB-IoT與LTE時域資源分配幾乎一致。但由于幀結(jié)構(gòu)、空口特性不同，一般認為NB-IoT與LTE屬于不同的RAT。本文在介紹NB-IoT基本時域資源的同時，會適當介紹LTE的時域資源。

2、下行時域資源

NB-IoT的最小時間單位是TS，1TS大約是32.5ns，最大時間單位是超幀H-SFN，1個H-SFN大約是10.24s。主要涉及的時間單位有：TS、OFDM/SC-FDMA符號、Symbol、slot、子幀、無線幀、超幀。

一眼看去好像挺復(fù)雜，不過我們按照順序自上往下梳理：

H-SFN即超幀，一個超幀包含1024個SFN。

SFN即系統(tǒng)幀，又叫無線幀（描述無線幀的時候，強調(diào)的是幀的結(jié)構(gòu)，描述系統(tǒng)幀的時候，是強調(diào)各無線幀之間的順序關(guān)系），即1H-SFN=1024 SFN。1個系統(tǒng)幀包含10個子幀：1SFN=10sf。

sf即子幀，1個子幀包含2個時隙，需要注意：無線幀中的不同子幀的時隙號是連續(xù)編號的。

Slot即時隙，1個時隙中包含7個symbol。

OFDM是真正下行的有用的符號，加上循環(huán)前綴（CP）組成1個symbol，每個ofdm符號長度是2048個TS。

在1個時隙的7個symbol中，只有第一個symbol中的CP稍微長點，達到160 TS，后面6個smybol中的CP只有144 TS。這是由于1個slot長度是15360TS，但15360不能被7整除導(dǎo)致的。

3、上行時域資源

NB-IoT占用的資源的時域長度與其占用的頻域?qū)挾扔嘘P(guān)，而NB-IoT中上行子載波帶寬有3.75kHz和15kHz兩種，其中15kHz又支持single-tone和multi-tone兩種模式，multi-tone又分3tones、6tones、12tones，在頻域占用的帶寬資源各不相同，導(dǎo)致其時域的長度也不盡相同。

對于15kHz的子載波間隔，上行調(diào)度的1個PRB的12tones，在時域上是1ms，頻域上是15KHz子載波與LTE類似，與下行方向一致，不在此多說。

對于3.75kHz的載波間隔來說1個slot占2ms，因此與下行存在較大的不同，主要體現(xiàn)在無線幀到SCFDMA符號層級上的區(qū)別。具體如下圖所示：

SFN即無線幀與下行一樣，1個SFN=5 slot=10ms。

Slot即時隙，對3.75kHz的子載波帶寬來說，其占用2ms，即1 slot=2ms。

symbol即上行符號，1symbol=CP+SC-FDMA與下行不同的是，每個slot除了7個symbol外，還有1段保護間隔GUARD。其中GUARD長度為2304 TS。

SC-FDMA即為有效的符號，長度為8192 TS。

這樣總的來算，1slot=7 symbols+guard=7*（CP+SC-FDMA）+guard=7*（256+8192）+2304=61440TS=2ms。

4、隨機接入

NB-IoT的隨機接入信道固定使用single-tone傳輸，也固定使用3.75kHz子載波間隔。對于NPRACH而言，支持兩種不同的CP大小，短CP長度為66.67us，長CP長度為266.67us。無論使用短CP，還是長CP，有效的symbol都是266.67us，5個symbol及1個CP組成1個symbol group。每個preamble均由4個symbol group組成。

其實可以發(fā)現(xiàn)短CP剛好是長CP的1/4，而長CP與有用的symbol長度相同。這樣：

對短CP來說，1個symbol group長度=（2048+8192*5）TS=2048*21 TS=21/15000 S=1.4ms，4個group就是4*1.4=5.6ms。

對于長CP來說，1個symbol group長度=（8192+8192*5）=8192*6 TS=2048*24 TS =24/15 ms=1.6ms，4個group就是4*1.6=6.4ms。

實際上無論長CP，還是短CP，premble最終會占用8ms，剩余的部分都用作GT。

對于NPRACH來說，CP的長度決定了其上行覆蓋。長CP是短CP的4倍，也就意味著覆蓋范圍是其4倍，對應(yīng)的距離分別是10km、40km。在實際建網(wǎng)中，覆蓋瓶頸并不在CP上，而在于損耗上，因此現(xiàn)網(wǎng)一般使用短CP以提供更多的保護。

5、LTE的不同特性

LTE與NB-IoT的時域資源基本是相同的，但也有略微的區(qū)別，具體的體現(xiàn)見本節(jié)內(nèi)容介紹。

5.1 超幀

在LTE中，無論TDD還是FDD都沒有超幀的概念，也就沒有最上面一級時域資源單位。當然LTE中，系統(tǒng)幀編號仍然是0-1023，全部的系統(tǒng)幀總長度仍然和NB-IoT中1個超幀長度相同。

5.2 半幀

在LTE TDD中存在半幀的概念。每個系統(tǒng)幀包含兩個半幀，每個半幀包含5ms，總的還是10ms，每個子幀還是1ms。

h-sfn表示半幀，與上面的H-SFN用大小寫的不同來區(qū)分，不過事實上半幀只存在于TDD中，而超幀只存在于NB-IoT中，NB-IoT又使用的是FDD，因此并不會在一起出現(xiàn)，即使不使用大小寫區(qū)分，也不會引起誤解。每一個半幀包含5ms，每毫秒對應(yīng)1個sf。

但對于TDD而言，如果使用5ms轉(zhuǎn)換點，每個半幀的第二個子幀是特殊子幀，對應(yīng)的它所包含的時隙也叫特殊時隙。常規(guī)子幀與LTE FDD和NB-IoT都是一樣的，每個子幀1ms，每個時隙0.5ms。只是每個特殊子幀包含3個時隙：DwPTS、GP、UpPTS，其總的時域長度也是1ms，也認為其包含14個Symbol。但是每個時隙的長度是可配置的，其中DwPTS最長可配置到12個符號，最短3個符號；GP最長10個符號，最短1個符號；UpPTS最長2個符號，最短1個符號。具體的配置即TDD的特殊子幀配比，以及給網(wǎng)絡(luò)帶來的影響，這里不再贅述。

5.3 擴展CP

在LTE中存在兩種CP長度，一種常見的叫常規(guī)CP，時長144TS，大約4.6875us；一種是擴展CP，比較少見，時長512TS，大約16.67us。在LTE中CP有個重要的作用，就是避免符號間干擾，這對小區(qū)的半徑有重要的影響。較短的CP意味著較小的覆蓋半徑，較長的CP意味著較大的覆蓋半徑。所以內(nèi)陸地區(qū)一般都使用較小的CP，由于建筑物阻擋，造成路徑損耗大，根本不能覆蓋很遠的距離。而在海面，或者沙漠、平原地區(qū)則可以使用擴展CP，以增加覆蓋范圍。實際可以推測，要么是珠海、青島這種沿海城市，要么是西藏，蒙古這種地廣人稀的區(qū)域使用擴展CP，其他地區(qū)一般不使用。

使用擴展CP時，每個時隙只有6個OFDM符號。由于每個時隙長度15360TS，15360/6=2560，可以看到15360能被6整除，因此每個symbol都是一樣長，持續(xù)2560個TS，扣除OFDM符號2048TS，剩下的每個CP長度是2560-2048=512 TS，大約16.67us。

5.4 調(diào)度帶寬

LTE上下行采用一樣的調(diào)度方式，最小調(diào)度單位是RB，即帶寬總是180K及其整數(shù)倍，每個子載波總是固定的15kHz（PRACH和MBSFN子幀除外），不存在單tone、多tone的概念。其傳輸?shù)姆绞脚cNB-IoT下行類似，因此這里不再贅述。

5.5 LTE的隨機接入

在LTE中Preamble同樣由3部分構(gòu)成：CP、Tseq、GT。但沒有g(shù)roup這個層級，因此整個Preamble只有1個CP，而不同于NB-IoT中每個group中只有1個CP。

在LTE中有5中不同的preamble長度，對應(yīng)著不同的CP和Tseq，同樣將剩余的長度作為GT。具體的5種如下表所示：

除了格式4只支持LTE TDD以外，其余4種同時支持TDD/FDD。實際上CP反映了這個UE到基站的最大距離，從而限制小區(qū)半徑，而GT則限制了兩個用戶之間的保護，在實網(wǎng)建設(shè)中不僅要考慮CP，還要考慮GT帶來的小區(qū)半徑的限制。

審核編輯：郭婷