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数字通信世界
2021.01
0 引言
随着NB-IoT 相关的硬件（如芯片、模组等技术）不断发展，不同行业有不同的应用要求，降低硬件成本有助于进一步扩大产业规模。此外，在软件方面需要打造多样化的应用，可以进一步提升 NB-IoT 的竞争力。人们对于软件应用的要求迅速上升，开发者为 NB-IoT 技术提供不断丰富的应用，可以增强对于 NB-IoT 应用乃至整个 NB-IoT 产业链的控制能力。
物理层作为无线通信技术的支撑性底层对通信性能有着至关重要的作用，可以看到几乎所有实现通信系统跨代的技术革命创新基本上都发生在物理层。本文主要从 NB-IoT 物理层频率部署、上行传输方案、上行链路帧结构和上行物理信道几个方面进行解析，并对 LTE 通信技术进行比较，以便更好的掌握 NB-IoT 通信技术。 1 关于PRB 的理解
RB （Resource Block ）用于描述某些物理信道到资源元素的映射，它有两个概念： VRB （Vitural Resource Block ）与PRB （Physical Resource Block ）。在 LTE 中，mac 层分配资源时，按照VRB 进行分配， VRB 映射到 PRB 上。
PRB 即物理资源块，在时域中被定义为个连续的OFDM 符号；以LTE 为例，在频域中被定义为个子载波（ 与
的值见表1）。因此一个物理资源块
可以被理解为由oju
×个资源元素组成，对应时域上的一个时隙或是频域上180 kHz 。
由表1可看出，一个时隙中OFDM 符号的数量取决于循环前缀长度和子载波间隔。
2 N B-IoT 频率部署方案
对于频带，使用与LTE 相同的频段，如表2所示。
表2 工作频带
EUTRA 工作频段
上行（UL ）工作频带FUL low –F UL_high 下行（DL ）工作频带FDL low –F DL_high
双工模式1
1920 MHz–1980 MHz 2110 MHz–2170 MHz FDD 21850 MHz–1910 MHz 1930 MHz–1990 MHz FDD 31710 MHz–1785 MHz 1805 MHz–1880 MHz FDD 5824 MHz–849 MHz 869 MHz–894MHz FDD 8880 MHz–915 MHz 925 MHz–960 MHz FDD 12699 MHz–716 MHz 729 MHz–746 MHz FDD 13777 MHz–787 MHz 746 MHz–756 MHz FDD 17704 MHz–716 MHz 734 MHz–746 MHz FDD 18815 MHz–830 MHz 860 MHz–875 MHz FDD 19830 MHz–845 MHz 875 MHz–890 MHz FDD 20832 MHz–862 MHz 791 MHz–821 MHz FDD 26814 MHz–849 MHz 859 MHz–894 MHz FDD 28703 MHz–748 MHz 758 MHz–803 MHz FDD 66
1710 MHz–1780 MHz
2110 MHz–2200 MHz
FDD4
NB-IoT 占用180 kHz 的频带资源，对应 LTE 传输中
的一个资源块。 NB-IoT 支持三种频率部署方案：（1）In-band （带内部署）：将 NB-IoT 部署在 LTE 有
NB-IoT 物理层上行链路通信技术解析
罗智敏
（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）
摘要：NB-IoT 作为物联网的主要技术，以其容量低、覆盖广、成本低和低功耗等优点在智慧城市建设中扮演着重要角。主要从频率部署、上行传输方案、上行链路帧结构和上行物理信道几个方面解析，以便让读者更了解NB-IoT 技术的物理层上行链路。
关键词：NB-IoT ；物联网；物理层；上行链路doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2021.01.001中图分类号：TN92 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2020）01-0001-04
Analysis of Uplink Communication Technology in NB-IoT Physical Layer
LUO Zhimin
(State Radio_monitoring_center Testing Center, Beijing 100041, China)
Abstract :As the main technology of Internet of things,NB-IoT plays an important role in the construction of smart city
with its advantages of low capacity, wide coverage, low cost and low power consumption. This paper mainly analyzes the frequency deployment, uplink transmission scheme, uplink frame structure and uplink physical channel, so as to let readers know more about the physical layer uplink of NB-IoT technology.
Keywords :NB-IoT; internet of things; physical layer; uplink
作者简介：罗智敏（ 1989-），男，汉族，本科，现就职于国家无线电监测中心检测中心。
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I G I T C W 技术
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效带宽内，占用其一个 PRB ，需要注意的是，由于不能占用LTE 的同步信道，NB-IoT 只能占用部分PRB 。与现有LTE UE 相似，NB-IoT UE 只在100 kHz 栅格上搜索载波（满足整数倍频率栅格的使UE 初始同步的NB-IoT 载波称为锚定载波），因此锚定载波只能位于相隔 5个180 kHz 带宽的PRB 内。
（2）Guard band （保护带部署）：将NB-IoT 部署在LTE 的边缘保护带内，不占用任何PRB ，需要预留和 LTE 之间的保护频带。
（3）Stand alone （独立部署）：部署在任何空闲的180 kHz 频谱上，适用于部署在重耕后的GSM 频段。由于GSM 带宽为200 kHz ，NB-IoT 需要在其两侧留有10 kHz 的保护间隔。
频率部署方案示意图如图1
所示。
图1 频率部署方案示意图
3 N B-IoT 上行传输方案
NB-IoT 上行采用SC-FDMA 多址方式，传输方式有多载波方式（ Multi-ton ）和单载波方式（Single-ton ）两种：多载波方式与 LTE 具有相同的15 kHz 子载波间隔、 0.5 ms 时隙、 1 ms 子帧长度，每个时隙包含 7个SC-FDMA 符号，这样可以保持与LTE 在上行链路中的相容性；单载波方式配置 15 kHz 和3.75 kHz 两种子载波间隔，由于每时隙符号数需保持不变， 3.75 kHz 的时隙延长至 2 ms （子帧长度延长至 4 ms ），15 kHz 为3.75 kHz 的整数倍，所以对LTE 系统只有较小的干扰。具体如图 2
所示。
图2 多载波方式（Multi-ton ）和单载波方式（Single-ton ）传输方案示意图
4 N B-IoT 上行链路帧结构
在上行链路中，对于3.75 kHz 子载波间隔而言，其时隙长度延长至2 ms ，一个子帧长度延长至4 ms ，一个无线帧内包含有5个子帧。一个无线帧的时频域示意图如图3所示。
基本时域资源单位都为 Slot ，需要注意，对于上行几乎不再提子帧的概念了，而是 slot 的概念。不同于LTE ，NB-IoT 中引入的无线帧概念，原因就是在小功耗特点的扩展不连续接收模式 （eDRX ），为了进一步省电，
所以扩展了寻呼周期，终端通过少接寻呼消息达到省电的目的。
设备防护箱
5 N B-IoT 上行物理信道
NB-IoT 系统相较于 LT E 缩减了上行物理信道类型，重新设计了 2种物理信道， NPUSCH （Narrowband Physical Uplink Share Channel ）和NPRACH （Narrowband Physical Random Access Channel ）；一种解调参考信号， DM-RS （Demodulation Reference Signal ），不支持物理上行控制信道（PUCCH ）。
5.1 N PUSCH
窄带上行物理共享信道用于传输上行数据及上行控制信息，分为两种格式。 NB-IoT 根据格式、子载波间隔、时隙数目确定对用户设备的最小资源调度单位（ RU ，Resource Unit ，时域、频域两个域的资源组合后的调度单位，可与 LTE 中的PRB 进行参照）。此外， NPUSCH 目前只支持单天线端口， NPUSCH 可以包含一个或多个 RU 。
注：对于天线端口的理解，与实际物理天线不同，天线端口是指由参考信号定义的逻辑发射通道。一个天线端口对应一个发射通道，终端根据天线端口对应的参考信号进行信道估计与数据解调。
（1）格式 1。用来承载上行共享传输信道（ UL-SCH ），用于携带上行业务数据或信令，使用 Turbo 码，所占资源单位包含 Singleton 和Multiton 两种方式：
压脉带
对于Single-ton 方式，每个 RU 时隙数一样，子载波带宽包括 3.75 kHz 和15 kHz 两种，对应的 RU 时长分别为 32 ms 和8 ms ，调制方式为π /2-BPSK 或 π/4-QPSK 。对于 Multiton 方式， 1个RU 分配3、6、 12个子载波，调制方式为 QPSK 。
（2）格式 2。用来承载上行控制信息，传送说明 NPDSCH 传输有无成功接收的 H ARQ -ACK/NACK （HARQ ，Hybrid Automatic Repeat reQuest ，混合式自动重传请求，结合 FEC （前向错误纠正）与 ARQ （自动重传请求）方法的技术）。只支持Singleton 方式。
格式2传输ACK/NACK 信息，仅有 1bit
信息，采
图3 无线帧时域示意图
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用重复编码进行传输，且采用全“1”或者全“0”的编码，降低复杂度。
以上信息整理成表如表3所示。从表3可以看出，NPUSCH 的两种格式，其中格式1主要用来传普通数据，类似于LTE 中的PUSCH 信道，而格式2资源主要用来传UCI ，类似于LTE 中的PUCCH 信道（其
中一个功能）。
表3 NPUSCH 两种格式的区别
NPUSCH
格式
子载波传输方式子载波间隔（kHz ）每个RU 子载波数每个RU 时隙数每个RU 时长（ms ）
调制方式1
Single-ton
3.75
1
16
32
Pi/2-BPSK 或Pi/4-QPSK 151168Pi/2-BPSK 或Pi/4-QPSK Multi-ton
153
84QPSK 64212212
Single-ton
3.75
1
4
8
Pi/2-BPSK 或Pi/4-QPSK 15
1
4
2
Pi/2-BPSK 或Pi/4-QPSK
需注意NPUSCH 最大传输资源块为1，000 bit ，在上行非连续传输中，当传输时长大于256 ms ，每256 ms 传输时长进入一个时长40 ms 的GAP 区域，防止用户设备长时间使用后发生频率漂移（终端切入到下行传输，利用下行的同步信号进行同步跟踪与频偏补偿，频率偏移源自NB 低成本考虑所配备的晶振）。
5.2 N PRACH
NPRACH 用于用户设备的随机接入过程，随机接入过程是用户设备从空闲态获取专用信道资源转变为连接态的重要手段（获取终端与间的上行同步）。 NPRACH 子载波间隔为3.75 kHz ， Singleton 方式传输。 NB-IoT 能够灵活为用户设备进行NPRACH 配置，支持时频域复用，不支持码分复用。UE 与eNB 间基于竞争的随机接入的流程如图4所示（以 Type1-MSG3为例）
。
图4 UE 与eNB 间基于竞争的随机接入的流程示意图
由于LTE 的PRACH 信道带宽为 1.08 MHz ，这远远高于 NB-IoT 上行带宽，因此需重新设计。 NB-IoT 的一个 NPRACH 前导码（ 3.75 kHz 子载波）由 4个符号组构成，一个符号组包括 1个CP （循环前缀）和 5个符号（ 4个符号组通过跳频发送，获得频率分集增益，跳频发送限制在连续的 12个子载波内，由此看出一个 NPRACH band 为45 kHz[3.75×12]，180 kHz 下最多配置 4个band ）。如图5所示。 NPR ACH 有两种前导码格式（格式 0与格式1），CP 长度有 66.7 us 和266.7 us 两种，对应不同的小区尺寸。因为 CP 的不同，便有了两种不
同长度的前导码（5.6 ms 与6.4 ms ），但最终占用时域 8 ms ，多出的时间用作 GT
保护。
图5 NB-IoT 伪随机跳变示意图
NPRACH 通过重复发送前导码获得覆盖增强，重发次数可选择为{1，2，4，8，16，32，64，128}，在完成64次重复发送后，需进入 40 ms 的上行 GAP 区域。
5.3 D M-RS
解调参考信号用于对用户设备所占NPUSCH 信道进
瞬态电压抑制器行信道估计与相干解调。
每个RU 包含的子载波数量的不同，对应产生不同的解调参考信号。每个RU 包含一个子载波时，RU 内部的每个时隙中的序列组跳变一致；每个RU 包含多个子载波时，RU 内部每隔偶数时隙的序列组的计算方式重新变换一次，确保RU 内部每个时隙的每个子载波至少有一个参考信号，保证每个子载波能够被正确解调。
此外，对于NPUSCH 两种不同的格式，DM-RS 也不一样。格式1每个NPUSCH 传输时隙每个子载波上包含一个DM-RS （3.75 kHz 间隔子载波位于每个时隙第 5个符号，15 kHz 间隔子载波位于每个时隙第 4个符号）；格式2每个NPUSCH 传输时隙每个子载波上包含 3个DM-RS （3.75 kHz 间隔子载波位于每个时隙1，2，3位，15 kHz 间隔子载波位于每个时隙第3，4，5位）。
对于格式1的DM-RS 在子载波中的占用情况如图6所示，以一个RU 内6个连续子载波做情况说明。
图6 NPUSCH 格式1的DM-RS 在子载波中的占用情况示意图
同理，格式 2的占用如图 7
所示。
图7 NPUSCH 格式2的DM-RS 在子载波中的占用情况示意图
DM-RS 用于信道估计。NPUSCH 格式1与LTE PUSCH 时隙结构相同，每时隙7个OFDM 符号，中间一个符号作为DM-RS 。格式 2同样为每时隙7个OFDM
符号，但将中间3个符号用作 DM-RS 。
（下转第119页）
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设备中的数据信息实行集中应用、分析、展示与管理，针对该设备内部的运行态势，可采用多种高级应用来开展评估工作，待确认其整体的状态后，再开展维修工作，且统一管理数据分析、数据储存与智能检测等，在改善工作效率的前提下，科学维护设备的整体安全。在部署在线监控系统的过程中，系统内部还对其各项配件有一定的数据指标要求，比如，显卡应为2G 独显；硬盘的剩余空间需拥有100MB 以上；内存则占8G 左右；CPU 的数据应为1.0GHz 或更快；该系统需为Linux 或WindowsXP ，只有确保了系统内部的数据，其安装才会变得更为简单。 2.3 了解设备内部的多项参数
在开展正式安装前，技术人员需了解到该系统内部的技术优势，简单来说，运用局放同步信号可提升补偿与修正水平，即保障局放图谱的可靠性，同时，传感器的外壳防护等级与技术标准要求的等级相符。在运用物联网技术期间，其与国家电网通信协议中的标准相同，内部传感器也能实现即插即用。针对微功耗电路的拓扑研究，其可帮助传感器实现智能省电，免换电池的日期可达到8年。此外，在研究放电数据的智能压缩算法时，该方式可有效缩减数据传输的时间。
物联网局部放电在线监测系统内的组件有集中器、监测软件、高频电流与三合一智能传感器、Web 、Android 与PC 版客户端软件，其数量除集中器与传感器为按需而定外，其余装置皆为1套。具体来说，对该系统内部的集中器而言，其最大输出功率要在24dBm 左右、通信速率在29b/s-50kb/s 间、接收的灵敏度为-140dBm 、Wi-Fi 天线为内置，而LoRa 天线则属外置、其电源型号为12VDC 、4G 为其数据传输方式[3]。
2.4 提升现场安装的安全性
为增强现场安装的安全性，一方面，施工人员要对其内部风险进行科学评估，具体来说，在安装现场要有专业的监测者，用来检查该现场的安全情况。为避免人员与物体的高空坠落，安装区域在1.5m 以上应佩戴安全帽与安全带，且安装人员要带有专业的工具袋，若使用的工具较大还要配备相应的保险
绳。在安装过程双手不要触碰到设备中的按钮与把手，避免因设备的误动而影响人员安全。施工现场的管理者需时刻监测安装人员的安装规范与各类行为。为保证人身安全，安装人员除了要带有多种绝缘物体外，还要与带电物体保有合适的距离，若缺少绝缘防护装备，要在安装现场设立安全围栏。针对安装项目附近的进出车辆要进行严格检查，提升驾驶人员的精神状态，保证安装区域的交通安全。
另一方面，在正式安装期间，工作人员需严格遵守各项安装时的规章制度，并在作业指导书、仪器运用与产品技术等说明书的指导下开展相应的安装工作。安装人员应始终保持安全第一的思想，并在进行技术交底的过程中接收相关的安全检查。工作人员进入到施工现场后应正确佩戴相应装置，因而其要在日常工作中学会使用工作鞋、工作服、护目镜与安全帽的穿戴方法，在工作期间还要保有极佳的工作与精神状态，做到文明且安全的施工。在进行设备的安装调试期间，为避免人员受伤或发生意外，工作人员需密切注视安装现场的地面铁钉或孔洞。针对高空中的作业人员来说，其除了要合理佩戴安全带外，在使用梯子时要做到靠稳扶牢，确保安装工作的整体效率与自身安全。
3 结束语
综上所述，在架构物联网局部放电监测系统期间，工作人员需科学监测设备运行时的各项数据，通过合理的技术手段掌握其内部的实际构造，在采用该项监测系统期间，除了要科学记录其内部参数外，还要运用相关仪器保障运行参数的精准度，从而提升监测水平。
参考文献
水位显示器
[1] 张苏.高速铁路电力电缆局部放电在线监测与模式识别[J].高压电器，2020，56（10）：104-110.
[2] 杨琪.一种XLPE 电缆局部放电在线监测技术[J].设备管理与维修，2020（18）：116-118.
[3] 熊文祥，申国标，张振，等.GIS 在线监测系统研究与应用[J].电力设备管理，2020（07）：35-36.
（上接第3页）
6 结束语
通过本文对 NB-IoT 物理层上行链路的解析，能够
让大家更好地了解 NB-IoT 如何通过通信技术达到大容量、广覆盖和低功耗的特点，对 NB-IoT 技术有了更深层次的理解。
二节滑轨
参考文献
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[3] 3GPP.Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA ）；Multiplexing and channel coding ，V16.3.0：3GPP TS 36.212[S].3GPP ，2020.
[4] 3GPP.Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA ）；Physical layer procedures ，V16.3.0： 3GPP TS 36.213 [S].3GPP ，2020.
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