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                你一定要了解的NB-IoT

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                你一定要了解的NB-IoT

                發布日期:2018-05-17 作者:網優雇傭軍 點擊:

                工信部下發通知推動150萬NB-IoT基站落地。NB-IoT洶涌而來。很多網友要求雇傭軍科普一篇NB-IoT,為此來一篇超級啰嗦的技術文。

                1

                NB-IoT一路走來

                從2G到4G,移動通信網絡不斷更新換代…

                2G:GSM

                NB-IOT

                2G:GPRS/EDGE

                3G:UMTS/HSPA

                NB-IoT

                4G:LTE

                NB-IoT

                從GPRS到LTE,移動網速越來越快。我們開玩笑講,2G是蒼井空.TXT,3G是蒼井空.JPG,4G是蒼井空.AVI,5G就是蒼井空+VR/AR...

                NB-IoT

                不過,朋友,按照你的思路聯想下去,是不對的,容易誤入歧途。

                其實,到了4G時代,移動通信網絡的發展出現了分支。

                NB-IoT

                一邊是大流量,一邊是小數據。一邊是移動寬帶,一邊是物聯網時代。

                從2G到4G,移動通信網絡都只是為了連接“人”而生。但隨著萬物互聯時代的到來,移動通信網絡需面向連接“物”而演進。

                NB-IoT

                為此,3GPP在Release 13制定了NB-IoT標準來應對現階段的物聯網需求,在終端支持上也多了一個與NB-IoT對應的終端等級——cat-NB1。

                3GPP在Release 13定義了三種蜂窩物聯網標準:EC-GSM、eMTC(LTE-M,對應Cat-M1)和NB-IoT(Cat-NB1)。

                CMW500 NB-IoT

                GSM是Z早的廣域M2M無線連接技術,EC-GSM增強了其功能和競爭力。

                UMTS沒有衍生出低功耗物聯網“變體”。

                LTE-M (Cat-M1)基于LTE技術演進,屬于LTE的子集。

                NB-IoT (Cat-NB1)盡管和LTE緊密相關,且可集成于現有的LTE系統之上,但認為是獨立的新空口技術。

                2

                初識NB-IoT

                3GPP是怎樣設計NB-IoT的呢?

                NB-IoT,甚至說目前低功耗廣域網(LPWAN),其設計原則都是基于“妥協”的態度。

                首先,比較傳統2/3/4G網絡,一些物聯網主要有三大特點:

                ①懶

                終端都很懶,大部分時間在睡覺,每天傳送的數據量極低,且允許一定的傳輸延遲(比如,智能水表)。

                ②靜止

                并不是所有的終端都需要移動性,大量的物聯網終端長期處于靜止狀態。

                ③上行為主

                與“人”的連接不同,物聯網的流量模型不再是以下行為主,可能是以上行為主。

                CMW500 NB-IoT

                這三大特點支撐了低速率和傳輸延遲上的技術“妥協”,從而實現覆蓋增強、低功耗、低成本的蜂窩物聯網。

                1)減少信令開銷

                NB-IoT信令流程基于LTE設計,去掉了一些不必要的信令,包括在控制面和用戶面均進行了優化。

                原LTE信令流程:

                CMW500 NB-IoT

                NB-IoT信令流程①:

                CMW500 NB-IoT

                NB-IoT信令流程②:

                CMW500 NB-IoT

                2)PSM & (e-)DRX

                eDRX和PSM是NB-IoT的兩大省電技術。

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                DRX(Discontinuous Reception),即不連續接收。

                手機(終端)和網絡不斷傳送數據是很費電的。如果沒有DRX,即使我們沒有用手機上網,手機也需要不斷的監聽網絡(PDCCH子幀),以保持和網絡的聯系,但是,這導致手機耗電太快。

                CMW500 NB-IoT

                因此,在LTE系統中設計了DRX,讓手機周期性的進入睡眠狀態(sleep state),不用時刻監聽網絡,只在需要的時候,手機從睡眠狀態中喚醒進入wake up state后才監聽網絡,以達到省電的目的。

                eDRX意味著擴展DRX周期,意味著終端可睡更長時間,更省電。

                PSM(Power Saving Mode),即省電模式。

                一些物聯網終端本來就很懶,長期睡覺,而在PSM模式下,相當于關機狀態,所以更加省電。

                其原理是,當終端進入空閑狀態,釋放RRC連接后,開始啟動定時器T3324,當T3324終止后,進入PSM模式,并啟動T3412(周期性TAU更新)。在此期間,終端停止檢測尋呼和執行任何小區/PLMN選擇或MM流程。

                CMW500 NB-IoT

                此時,網絡無法發送數據給終端或尋呼終端,網絡與終端幾乎失聯(終端仍注冊在網絡中)。

                只有當周期性TAU更新定時器超時后,才退出PSM模式。這個定時器可設置Z大12.1天,想想這是有多么省電??!

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                物聯網構架

                CMW500 NB-IoT

                CMW500 NB-IoT

                CMW500 NB-IoT

                總的來說,物聯網分為三層:感知層、網絡層和應用層。感知層負責采集信息,網絡層提供安全可靠的連接、交互與共享,應用層對大數據進行分析,提供商業決策。

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                NB-IoT技術詳解

                4.1 網絡

                4.1.1 核心網

                為了將物聯網數據發送給應用,蜂窩物聯網(CIoT)在EPS定義了兩種優化方案:

                ?CIoT EPS用戶面功能優化(User Plane CIoT EPS optimisation)

                ?CIoT EPS控制面功能優化(Control Plane CIoT EPS optimisation)

                CMW500 NB-IoT

                如上圖所示,紅線表示CIoT EPS控制面功能優化方案,藍線表示CIoT EPS用戶面功能優化方案。

                對于CIoT EPS控制面功能優化,上行數據從eNB(CIoT RAN)傳送至MME,在這里傳輸路徑分為兩個分支:或者通過SGW傳送到PGW再傳送到應用服務器,或者通過SCEF(Service Capa- bility Exposure Function)連接到應用服務器(CIoT Services),后者僅支持非IP數據傳送。下行數據傳送路徑一樣,只是方向相反。

                這一方案無需建立數據無線承載,數據包直接在信令無線承載上發送。因此,這一方案極適合非頻發的小數據包傳送。

                SCEF是專門為NB-IoT設計而新引入的,它用于在控制面上傳送非IP數據包,并為鑒權等網絡服務提供了一個抽象的接口。

                對于CIoT EPS用戶面功能優化,物聯網數據傳送方式和傳統數據流量一樣,在無線承載上發送數據,由SGW傳送到PGW再到應用服務器。因此,這種方案在建立連接時會產生額外開銷,不過,它的優勢是數據包序列傳送更快。

                這一方案支持IP數據和非IP數據傳送。

                4.1.2 接入網

                NB-IoT的接入網構架與LTE一樣。

                CMW500 NB-IoT

                eNB通過S1接口連接到MME/S-GW,只是接口上傳送的是NB-IoT消息和數據。盡管NB-IoT沒有定義切換,但在兩個eNB之間依然有X2接口,X2接口使能UE在進入空閑狀態后,快速啟動resume流程,接入到其它eNB(resume流程將在本文后面詳述)。

                4.1.3 頻段

                NB-IoT沿用LTE定義的頻段號,Release 13為NB-IoT指定了14個頻段。

                CMW500 NB-IoT

                CMW500 NB-IoT

                4.2 物理層

                CMW500 NB-IoT

                4.2.1 工作模式

                部署方式(Operation Modes)

                NB-IoT占用180KHz帶寬,這與在LTE幀結構中一個資源塊的帶寬是一樣的。所以,以下三種部署方式成為可能:

                CMW500 NB-IoT

                1)獨立部署(Stand alone operation)

                適合用于重耕GSM頻段,GSM的信道帶寬為200KHz,這剛好為NB-IoT 180KHz帶寬辟出空間,且兩邊還有10KHz的保護間隔。

                CMW500 NB-IoT

                2)保護帶部署(Guard band operation)

                利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180KHz帶寬的資源塊。

                3)帶內部署(In-band operation)

                利用LTE載波中間的任何資源塊。

                CE Level

                CE Level,即覆蓋增強等級(Coverage Enhancement Level)。從0到2,CE Level共三個等級,分別對應可對抗144dB、154dB、164dB的信號衰減?;九cNB-IoT終端之間會根據其所在的CE Level來選擇相對應的信息重發次數。

                雙工模式

                Release 13 NB-IoT僅支持FDD 半雙工type-B模式。

                FDD意味著上行和下行在頻率上分開,UE不會同時處理接收和發送。

                半雙工設計意味著只需多一個切換器去改變發送和接收模式,比起全雙工所需的元件,成本更低廉,且可降低電池能耗。

                CMW500 NB-IoT

                在Release 12中,定義了半雙工分為type A和type B兩種類型,其中type B為Cat.0所用。在type A下,UE在發送上行信號時,其前面一個子幀的下行信號中Z后一個Symbol不接收,用來作為保護時隙(Guard Period, GP),而在type B下,UE在發送上行信號時,其前面的子幀和后面的子幀都不接收下行信號,使得保護時隙加長,這對于設備的要求降低,且提高了信號的可靠性。

                CMW500 NB-IoT

                4.2.2 下行鏈路

                對于下行鏈路,NB-IoT定義了三種物理信道:

                1)NPBCH,窄帶物理廣播信道。

                2)NPDCCH,窄帶物理下行控制信道。

                3)NPDSCH,窄帶物理下行共享信道。

                還定義了兩種物理信號:

                1)NRS,窄帶參考信號。

                2)NPSS和NSSS,主同步信號和輔同步信號。

                相比LTE,NB-IoT的下行物理信道較少,且去掉了PMCH(Physical Multicast channel,物理多播信道),原因是NB-IoT不提供多媒體廣播/組播服務。

                下圖是NB-IoT傳輸信道和物理信道之間的映射關系。

                CMW500 NB-IoT

                MIB消息在NPBCH中傳輸,其余信令消息和數據在NPDSCH上傳輸,NPDCCH負責控制UE和eNB間的數據傳輸。

                NB-IoT下行調制方式為QPSK。NB-IoT下行Z多支持兩個天線端口(Antenna Port),AP0和AP1。

                和LTE一樣,NB-IoT也有PCI(Physical Cell ID,物理小區標識),稱為NCellID(Narrowband physical cell ID),一共定義了504個NCellID。

                幀和時隙結構

                和LTE循環前綴(Normal CP)物理資源塊一樣,在頻域上由12個子載波(每個子載波寬度為15KHz)組成,在時域上由7個OFDM符號組成0.5ms的時隙,這樣保證了和LTE的相容性,對于帶內部署方式至關重要。

                CMW500 NB-IoT

                每個時隙0.5ms,2個時隙就組成了一個子幀(SF),10個子幀組成一個無線幀(RF)。

                CMW500 NB-IoT

                這就是NB-IoT的幀結構,依然和LTE一樣。

                NRS(窄帶參考信號)

                NRS(窄帶參考信號),也稱為導頻信號,主要作用是下行信道質量測量估計,用于UE端的相干檢測和解調。在用于廣播和下行專用信道時,所有下行子幀都要傳輸NRS,無論有無數據傳送。

                NB-IoT下行Z多支持兩個天線端口,NRS只能在一個天線端口或兩個天線端口上傳輸,資源的位置在時間上與LTE的CRS(Cell-Specific Reference Signal,小區特定參考信號)錯開,在頻率上則與之相同,這樣在帶內部署(In-Band Operation)時,若檢測到CRS,可與NRS共同使用來做信道估測。

                CMW500 NB-IoT

                ▲NRS資源位置

                同步信號

                NPSS為NB-IoT UE時間和頻率同步提供參考信號,與LTE不同的是,NPSS中不攜帶任何小區信息,NSSS帶有PCI。NPSS與NSSS在資源位置上避開了LTE的控制區域,其位置圖如下:

                CMW500 NB-IoT

                ▲NPSS和NSSS資源位置

                NPSS的周期是10ms,NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在小區搜索時,會先檢測NPSS,因此NPSS的設計為短的ZC(Zadoff-Chu)序列,這降低了初步信號檢測和同步的復雜性。

                NBPBCH

                NBPBCH的TTI為640ms,承載MIB-NB(Narrowband Master Information Block),其余系統信息如SIB1-NB等承載于NPDSCH中。SIB1-NB為周期性出現,其余系統信息則由SIB1-NB中所帶的排程信息做排程。

                和LTE一樣,NB-PBCH端口數通過CRC mask識別,區別是NB-IOTZ多只支持2端口。NB-IOT在解調MIB信息過程中確定小區天線端口數。

                在三種operation mode下,NB-PBCH均不使用前3個OFDM符號。In-band模式下NBPBCH假定存在4個LTE CRS端口,2個NRS端口進行速率匹配。

                CMW500 NB-IoT

                ▲NPBCH映射到子幀

                CMW500 NB-IoT

                ▲黃色小格表明NPBCH資源占用位置,洋紅色表示NRS,紫色代表CRS

                NPDCCH

                NPDCCH中承載的是DCI(Downlink Control Information),包含一個或多個UE上的資源分配和其他的控制信息。UE需要首先解調NPDCCH中的DCI,然后才能夠在相應的資源位置上解調屬于UE自己的NPDSCH(包括廣播消息,尋呼,UE的數據等)。NPDCCH包含了UL grant,以指示UE上行數據傳輸時所使用的資源。

                NPDCCH子幀設計如下圖所示:

                CMW500 NB-IoT

                ▲淺綠色和深綠色代表NPDCCH使用的RE,紫色代表LTE CRS,藍色代表NRS。上圖表示在LTE單天線端口和NB-IoT2天線端口下in-band模式的映射

                NPDCCH的符號起始位置:對于in-band,如果是SIB子幀,起始位置為3,非SIB子幀,起始位置包含在SIB2-NB中;對于stand-alone和Guard band,起始位置統一為0。

                NPDCCH有別于LTE系統中的PDCCH的是,并非每個Subframe都有NPDCCH,而是周期性出現。NPDCCH有三種搜索空間(Search Space),分別用于排程一般數據傳輸、Random Access相關信息傳輸,以及尋呼(Paging)信息傳輸。

                各個Search Space有無線資源控制(RRC)配置相對應的Z大重復次數Rmax,其Search Space的出現周期大小即為相應的Rmax與RRC層配置的一參數的乘積。

                RRC層也可配置一偏移(Offset)以調整Search Space的開始時間。在大部分的搜索空間配置中,所占用的資源大小為一PRB,僅有少數配置為占用6個Subcarrier。

                一個DCI中會帶有該DCI的重傳次數,以及DCI傳送結束后至其所排程的NPDSCH或NPUSCH所需的延遲時間,NB-IoT UE即可使用此DCI所在的Search Space的開始時間,來推算DCI的結束時間以及排程的數據的開始時間,以進行數據的傳送或接收。

                NPDSCH

                NPDSCH的子幀結構和NPDCCH一樣。

                NPDSCH是用來傳送下行數據以及系統信息,NPDSCH所占用的帶寬是一整個PRB大小。一個傳輸塊(Transport Block, TB)依據所使用的調制與編碼策略(MCS),可能需要使用多于一個子幀來傳輸,因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中會包含一個TB對應的子幀數目以及重傳次數指示。

                4.2.3 上行鏈路

                對于上行鏈路,NB-IoT定義了兩種物理信道:

                1)NPUSCH,窄帶物理上行共享信道。

                2)NPRACH,窄帶物理隨機接入信道。

                還有:

                1)DMRS,上行解調參考信號。

                NB-IoT上行傳輸信道和物理信道之間的映射關系如下圖:

                CMW500 NB-IoT

                除了NPRACH,所有數據都通過NPUSCH傳輸。

                時隙結構

                NB-IoT上行使用SC-FDMA,考慮到NB-IoT終端的低成本需求,在上行要支持單頻(Single Tone)傳輸,子載波間隔除了原有的15KHz,還新制訂了3.75KHz的子載波間隔,共48個子載波。

                當采用15KHz子載波間隔時,資源分配和LTE一樣。當采用3.75KHz的子載波間隔時,如下圖所示:

                CMW500 NB-IoT

                15KHz為3.75KHz的整數倍,所以對LTE系統干擾較小。由于下行的幀結構與LTE相同,為了使上行與下行相容,子載波空間為3.75KHz的幀結構中,一個時隙同樣包含7個Symbol,共2ms長,剛好是LTE時隙長度的4倍。

                此外,NB-IoT系統中的采樣頻率(Sampling Rate)為1.92MHz,子載波間隔為3.75KHz的幀結構中,一個Symbol的時間長度為512Ts(Sampling Duration),加上循環前綴(Cyclic Prefix, CP)長16Ts,共528Ts。因此,一個時隙包含7個Symbol再加上保護區間(Guard Period)共3840Ts,即2ms長。

                NPUSCH

                NPUSCH用來傳送上行數據以及上行控制信息。NPUSCH傳輸可使用單頻或多頻傳輸。

                CMW500 NB-IoT

                ▲單頻與多頻傳輸

                在NPUSCH上,定義了兩種格式:format 1和format 2。NPUSCH format 1 為UL-SCH上的上行信道數據而設計,其資源塊不大于1000 bits;NPUSCH format 2傳送上行控制信息(UCI)。

                映射到傳輸快的Z小單元叫資源單元(RU,resource unit),它由NPUSCH格式和子載波空間決定。

                有別于LTE系統中的資源分配的基本單位為子幀,NB-IoT根據子載波和時隙數目來作為資源分配的基本單位,如下表所示:

                CMW500 NB-IoT

                對于NPUSCH format 1,

                當子載波空間為3.75 kHz時,只支持單頻傳輸,一個RU在頻域上包含1個子載波,在時域上包含16個時隙,所以,一個RU的長度為32ms。

                當子載波空間為15kHz時,支持單頻傳輸和多頻傳輸,一個RU包含1個子載波和16個時隙,長度為8ms;當一個RU包含12個子載波時,則有2個時隙的時間長度,即1ms,此資源單位剛好是LTE系統中的一個子幀。資源單位的時間長度設計為2的冪次方,是為了更有效的運用資源,避免產生資源空隙而造成資源浪費。

                對于NPUSCH format 2,

                RU總是由1個子載波和4個時隙組成,所以,當子載波空間為3.75 kHz時,一個RU時長為8ms;當子載波空間為15kHz時,一個RU時長為2ms。

                對于NPUSCH format 2,調制方式為BPSK。

                對于NPUSCH format 1,調制方式分為以下兩種情況:

                ●包含一個子載波的RU,采用BPSK和QPSK。

                ●其它情況下,采用QPSK。

                由于一個TB可能需要使用多個資源單位來傳輸,因此在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了指示上行數據傳輸所使用的資源單位的子載波的索引(Index),也會包含一個TB對應的資源單位數目以及重傳次數指示。

                NPUSCH Format 2是NB-IoT終端用來傳送指示NPDSCH有無成功接收的HARQ-ACK/NACK,所使用的子載波的索引(Index)是在由對應的NPDSCH的下行分配(Downlink Assignment)中指示,重傳次數則由RRC參數配置。

                DMRS

                根據NPUSCH格式,DMRS每時隙傳輸1個或者3個SC-FDMA符號。

                CMW500 NB-IoT

                ▲NPUSCH format 1。上圖中,對于子載波空間為15 kHz ,一個RU占用了6個子載波。

                CMW500 NB-IoT

                ▲NPUSCH format 2,此格式下,RU通常只占一個子載波。

                NPRACH

                和LTE的Random Access Preamble使用ZC序列不同,NB-IoT的Random Access Preamble是單頻傳輸(3.75KHz子載波),且使用的Symbol為一定值。一次的Random Access Preamble傳送包含四個Symbol Group,一個Symbol Group是5個Symbol加上一CP,如下圖:

                CMW500 NB-IoT

                ▲Radom Access Preamble Symbol Group

                每個Symbol Group之間會有跳頻。選擇傳送的Random Access Preamble即是選擇起始的子載波。

                基站會根據各個CE Level去配置相應的NPRACH資源,其流程如下圖:

                CMW500 NB-IoT

                ▲NB-IoT Random Acces流程

                Random Access開始之前,NB-IoT終端會通過DL measurement(比如RSRP)來決定CE Level,并使用該CE Level指定的NPRACH資源。一旦Random Access Preamble傳送失敗,NB-IoT終端會在升級CE Level重新嘗試,直到嘗試完所有CE Level的NPRACH資源為止。

                4.3 小區接入

                NB-IoT的小區接入流程和LTE差不多:小區搜索取得頻率和符號同步、獲取SIB信息、啟動隨機接入流程建立RRC連接。當終端返回RRC_IDLE狀態,當需要進行數據發送或收到尋呼時,也會再次啟動隨機接入流程。

                4.3.1 協議棧和信令承載

                總的來說,NB-IoT協議?;贚TE設計,但是根據物聯網的需求,去掉了一些不必要的功能,減少了協議棧處理流程的開銷。因此,從協議棧的角度看,NB-IoT是新的空口協議。

                以無線承載(RB)為例,在LTE系統中,SRB(signalling radio bearers,信令無線承載)會部分復用,SRB0用來傳輸RRC消息,在邏輯信道CCCH上傳輸;而SRB1既用來傳輸RRC消息,也會包含NAS消息,其在邏輯信道DCCH上傳輸。

                LTE中還定義了SRB2,但NB-IoT沒有。

                此外,NB-IoT還定義一種新的信令無線承載SRB1bis,SRB1bis和SRB1的配置基本一致,除了沒有 PDCP,這也意味著在Control Plane CIoT EPS optimisation下只有SRB1bis,因為只有在這種模式才不需要。

                CMW500 NB-IoT

                ▲NB-IoT協議棧

                4.3.2 系統信息

                NB-IoT經過簡化,去掉了一些對物聯網不必要的SIB,只保留了8個:

                CMW500 NB-IoT

                ?SIBType1-NB:小區接入和選擇,其它SIB調度

                ?SIBType2-NB:無線資源分配信息

                ?SIBType3-NB:小區重選信息

                ?SIBType4-NB:Intra-frequency的鄰近Cell相關信息

                ?SIBType5-NB:Inter-frequency的鄰近Cell相關信息

                ?SIBType14-NB:接入禁止(Access Barring)

                ?SIBType16-NB:GPS時間/世界標準時間信息

                需特別說明的是,SIB-NB是獨立于LTE系統傳送的,并非夾帶在原LTE的SIB之中。

                4.3.3 小區重選和移動性

                由于NB-IoT主要為非頻發小數據包流量而設計,所以RRC_CONNECTED中的切換過程并不需要,被移除了。如果需要改變服務小區,NB-IoT終端會進行RRC釋放,進入RRC_IDLE狀態,再重選至其他小區。

                在RRC_IDLE狀態,小區重選定義了intra frequency和inter frequency兩類小區,inter frequency指的是in-band operation下兩個180 kHz載波之間的重選。

                NB-IoT的小區重選機制也做了適度的簡化,由于NB-IoT 終端不支持緊急撥號功能,所以,當終端重選時無法找到Suitable Cell的情況下,終端不會暫時駐扎(Camp)在Acceptable Cell,而是持續搜尋直到找到Suitable Cell為止。根據3GPP TS 36.304定義,所謂Suitable Cell為可以提供正常服務的小區,而Acceptable Cell為僅能提供緊急服務的小區。

                4.3.4 隨機接入過程

                NB-IoT的RACH過程和LTE一樣,只是參數不同。

                基于競爭的NB-IOT隨機接入過程

                基于非競爭的NB-IOT隨機接入過程

                4.3.5 連接管理

                由于NB-IoT并不支持不同技術間的切換,所以RRC狀態模式也非常簡單。

                RRC Connection Establishment

                RRC Connection Establishment流程和LTE一樣,但內容卻不相同。

                很多原因都會引起RRC建立,但是,在NB-IoT中,RRCConnectionRequest中的Establishment Cause里沒有delayTolerantAccess,因為NB-IOT被預先假設為容忍延遲的。

                另外,在Establishment Cause里,UE將說明支持單頻或多頻的能力。

                與LTE不同的是,NB-IoT新增了Suspend-Resume流程。當基站釋放連接時,基站會下達指令讓NB-IoT終端進入Suspend模式,該Suspend指令帶有一組Resume ID,此時,終端進入Suspend模式并存儲當前的AS context。

                當終端需要再次進行數據傳輸時,只需要在RRC Connection Resume Request中攜帶Resume ID(如上圖第四步),基站即可通過此Resume ID來識別終端,并跳過相關配置信息交換,直接進入數據傳輸。

                簡而言之,在RRC_Connected至RRC_IDLE狀態時,NB-IoT終端會盡可能的保留RRC_Connected下所使用的無線資源分配和相關安全性配置,減少兩種狀態之間切換時所需的信息交換數量,以達到省電的目的。

                4.4 Data Transfer

                如前文所述,NB-IoT定義了兩種數據傳輸模式:Control Plane CIoT EPS optimisation方案和User Plane CIoT EPS optimisation方案。對于數據發起方,由終端選擇決定哪一種方案。對于數據接收方,由MME參考終端習慣,選擇決定哪一種方案。

                4.4.1 Control Plane CIoT EPS Optimisation

                對于Control Plane CIoT EPS Optimisation,終端和基站間的數據交換在RRC級上完成。對于下行,數據包附帶在RRCConnectionSetup消息里;對于上行,數據包附帶在RRCConnectionSetupComplete消息里。如果數據量過大,RRC不能完成全部傳輸,將使用DLInformationTransfer和ULInformationTransfer消息繼續傳送。

                這兩類消息中包含的是帶有NAS消息的byte數組,其對應NB-IoT數據包,因此,對于基站是透明的,UE的RRC也會將它直接轉發給上一層。

                在這種傳輸模式下,沒有RRC connection reconfiguration流程,數據在RRC connection setup消息里傳送,或者在RRC connection setup之后立即RRC connection release并啟動resume流程。

                4.4.2 User Plane CIoT EPS optimisation

                在User Plane CIoT EPS optimisation模式下,數據通過傳統的用戶面傳送,為了降低物聯網終端的復雜性,只可以同時配置一個或兩個DRB。

                此時,有兩種情況:

                ?當RRC連接釋放時,RRC連接釋放會攜帶攜帶Resume ID,并啟動resume流程,如果resume成功,更新密匙安全建立后,保留了先前RRC_Connected的無線承載也隨之建立。

                ?當RRC連接釋放時,如果RRC連接釋放沒有攜帶攜帶Resume ID,或者resume請求失敗,安全和無線承載建立過程如下圖所示:

                首先,通過SecurityModeCommand和SecurityModeComplete建立AS級安全。

                在SecurityModeCommand消息中,基站使用SRB1和DRB提供加密算法和對SRB1完整性保護。LTE中定義的所有算法都包含在NB-IoT里。

                當安全激活后,進入RRC connection reconfiguration流程建立DRBs。

                在重配置消息中,基站為UE提供無線承載,包括RLC和邏輯信道配置。PDCP僅配置于DRBs,因為SRB采用默認值。在MAC配置中,將提供BSR、SR、DRX等配置。Z后,物理配置提供將數據映射到時隙和頻率的參數。

                4.4.3 多載波配置

                在RRCConnectionReconfiguration消息中,可在上下行設置一個額外的載波,稱為非錨定載波(non-anchor carrier)。

                基于多載波配置,系統可以在一個小區里同時提供多個載波服務,因此,NB-IoT的載波可以分為兩類:提供NPSS、NSSS與承載NPBCH和系統信息的載波稱為Anchor Carrier,其余的載波則稱為Non-Anchor Carrier。

                當提供non-anchor載波時,UE在此載波上接收所有數據,但同步、廣播和尋呼等消息只能在Anchor Carrier上接收。

                NB-IoT終端一律需要在Anchor Carrier上面Random Access,基站會在Random Access過程中傳送Non-Anchor Carrier調度信息,以將終端卸載至Non-Anchor Carrier上進行后續數據傳輸,避免Anchor Carrier的無線資源吃緊。

                另外,單個NB-IoT終端同一時間只能在一個載波上傳送數據,不允許同時在Anchor Carrier和Non-Anchor Carrier上傳送數據。


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