A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)
Y.-P. Eric Wang1, Xingqin Lin1, Ansuman Adhikary1, Asbjouml;rn Grouml;vlen2, Yutao Sui2, Yufei Blankenship2, Johan Bergman2, and Hazhir S. Razaghi1
Ericsson Research1, Ericsson AB2
{eric.yp.wang, xingqin.lin, ansuman.adhikary, asbjorn.grovlen, yutao.sui, yufei.blankenship, johan.bergman, hazhir.shokri.razaghi}@ericsson.com
Abstract—Narrowband Internet of Things (NB-IoT) is a new cellular technology introduced in 3GPP Release 13 for providing wide-area coverage for the Internet of Things (IoT). This article provides an overview of the air interface of NB-IoT. We describe how NB-IoT addresses key IoT requirements such as deployment flexibility, low device complexity, long battery life time, support of massive number of devices in a cell, and significant coverage extension beyond existing cellular technologies. We also share the various design rationales during the standardization of NB-IoT in Release 13 and point out several open areas for future evolution of NB-IoT.
- INTRODUCTION
Use cases for machine-type communications are developing very rapidly. There has been enormous interest in integrating connectivity solutions with sensors, actuators, meters (water, gas, electric, or parking), cars, appliances, etc. [1,2]. The Internet of Things (IoT) is thus being created and constantly expanded. IoT consists of a number of networks that may have different design objectives. For example, some networks only intend to cover local area (e.g. one single home) whereas some networks offer wide-area coverage. The latter case is being addressed in the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Recognizing the importance of IoT, 3GPP has introduced a number of key features for IoT in its latest release, Rel-13. EC-GSM-IoT [3] and LTE-MTC [4] aim to enhance existing Global System for Mobile Communications (GSM) [5] and Long-Term Evolution (LTE) [6] networks, respectively, for better serving IoT use cases. Coverage extension, UE complexity reduction, long battery lifetime, and backward compatibility are common objectives. A third track, Narrowband Internet of Things (NB-IoT) [7], shares these objectives as well. In addition, NB-IoT aims to offer deployment flexibility allowing an operator to introduce NB- IoT using a small portion of its existing available spectrum. NB-IoT is designed mainly targeting ultra-low-end IoT applications.
NB-IoT is a new 3GPP radio-access technology in the sense that it is not fully backward compatible with existing 3GPP devices. It is however designed to achieve excellent co-
existence performance with legacy GSM, General Packet Radio Service (GPRS) and LTE technologies. NB-IoT requires 180 kHz minimum system bandwidth for both downlink and uplink, respectively. The choice of minimum system bandwidth enables a number of deployment options. A GSM operator can replace one GSM carrier (200 kHz) with NB-IoT. An LTE operator can deploy NB-IoT inside an LTE carrier by allocating one of the Physical Resource Blocks (PRB) of 180 kHz to NB-IoT. As will become clear later in this article, the air interface of NB-IoT is optimized to ensure harmonious coexistence with LTE, and thus such an “in-band” deployment of NB-IoT inside an LTE carrier will not compromise the performance of LTE or NB-IoT. An LTE operator also has the option of deploying NB-IoT in the guard- band of the LTE carrier.
NB-IoT reuses the LTE design extensively, including the numerologies, downlink orthogonal frequency-division multiple-access (OFDMA), uplink single-carrier frequency- division multiple-access (SC-FDMA), channel coding, rate matching, interleaving, etc. This significantly reduces the time required to develop full specifications. Also, it is expected that the time required for developing NB-IoT products will be significantly reduced for existing LTE equipment and software vendors. The normative phase of NB-IoT work item in 3GPP started in September 2015 [7] and the core specifications complete in June 2016. Commercial launch of NB-IoT products and services is expected to be around the end of 2016 and the beginning of 2017.
In this article, we provide a state-of-the-art overview of the air interface of NB-IoT with a focus on the key aspects where NB-IoT deviates from LTE. In particular, we highlight the NB-IoT features that help achieve the aforementioned design objectives. The remainder of this article is organized as follows. In section II, transmission schemes and deployment options are given. Section III describes the physical channels of NB-IoT. Section IV describes resource mapping with an emphasis on how orthogonality with LTE is achieved when deploying NB-IoT inside an LTE carrier. Procedures such as cell search, random access, scheduling and hybrid automatic repeat request (HARQ) are detailed in sections V, VI, and VII, respectively. Section VIII highlights NB-IoT performance and section IX provides a conclusion.
- TRANSMISSION SCHEMES AND DEPLOYMENT OPTIONS
- Downlink transmission scheme
The downlink of NB-IoT is based on OFDMA with the same 15 kHz subcarrier spacing as LTE. Slot, subframe, and frame durations are 0.5 ms, 1 ms, and 10 ms, respectively, identical to those in LTE. Furthermore, slot format in terms of cyclic prefix (CP) duration and number of OFDM symbols per slot are also identical to those in LTE. In essence, an NB-IoT carrier uses one LTE PRB in the frequency domain, i.e. twelve 15 kHz subcarriers for a total of 180 kHz. Reusing the same OFDM numerology as LTE ensures the coexistence performance with LTE in the downlink. For example, when NB-IoT is deployed inside an LTE carrier, the orthogonality between the NB-IoT PRB and all the other LTE PRBs is preserved in the downlink.
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3GPP窄带物联网（NB IOT）的入门
摘要：
窄带物联网（NB-IOT）是3GPP第13版引入的一种新的蜂窝技术，它为物联网（IOT）提供广域覆盖信号。本文概述了NB IOT的空中接口。我们描述了NB IOT是如何解决物联网需求中的关键部分，如部署灵活性、低设备复杂性、长的电池寿命、支持大量的设备在小区中，以及显著超过现有蜂窝技术的覆盖扩展。对于NB IOT的第13版标准的制定，我们也分享了多方面的设计原理，并指出了NB-IOT在未来可以发展的几个开放领域。
一、介绍
机器类型通信的用例正发展迅速。人们对于将传感器、执行器、仪表（水、气、电、或停车）、汽车、电器等的连接解决方案整合起来，已经产生了极大的兴趣，物联网由此被创造并不断扩展。物联网由许多可能是不同设计目标的网络组成。例如，一些网络只打算覆盖本地区域（例如一个家庭），而一些网络提供广域信号覆盖。后一种情况正在由3GPP工程解决。由于认识到物联网的重要性，3GPP在第13个正式版中介绍了一些物联网关键功能。EC GSM物联网和 LTE-MTC旨在增强现有的GSM和LTE网络，这是为了更好的服务物联网的使用。覆盖扩展、用户设备复杂性降低、长电池寿命和向后兼容性是共同的目标。窄带物联网也共享这些目标。此外，NB IOT旨在提供部署灵活性，允许运营商使用其现有可用频谱的一小部分来引入NB-IOT。NB IOT主要是针对超低端物联网应用而设计的。
NB IOT是一种新的3GPP无线接入技术，因此它并不兼容现有的落后的3GPP设备。然而，它与传统GSM、通用分组无线业务（GPRS）和LTE技术实现了极好的兼容性。NB IO需要最小系统带宽为180 kHz的下行链路和上行链路。选择最小系统带宽的同时允许许多部署选项。GSM运营商可以用NB-IOT取代200 kHz 的GSM。LTE运营商可以部署NB-IOT在LTE载波中180KHz PRB。正如本文后面将要说明的那样，NB-IOT的空中接口进行了优化，以确保与LTE的和谐共存，因此，在LTE载波中的这种“带内”部署将不会影响LTE或NB-IOT的性能。LTE运营商还可以在LTE保护频带中部署NB IOT。
NB-IOT复用了LTE的设计，包括序列化、下行正交频分多址接入（OFDMA），上行单载波频分多址接入（SC-FDMA）、信道编码、速率匹配、交织等。这大大降低了开发所需的时间。此外，预计开发NB-IOT产品所需的时间将大大减少，通过使用现有LTE设备和软件供应商可以实现。3GPP NB IOT项目的规范起草始于2015年9月，核心规范在2016年6月完成。NB IOT产品和服务的商业启动预计将在2016年底或2017年初。
在本文中，我们提供了一个最新的有关NB IOT的空中接口的概述，重点是NB IOT不同于LTE的关键方面。特别是，我们突出了NB-IOT特征，有助于实现上述设计目标。本文的其余部分组织如下。在第二节中，给出了传输方案和部署选项。第三节介绍了NB-IOT的物理信道。第四部分描述了资源映射，重点是在LTE载波中部署NB-IOT时如何实现LTE的正交性。如小区搜索、随机接入、调度和混合自动重复请求（HARQ）的过程在第五、六、七节分别详细。第八节重点介绍了NB-IOT的性能和第九节是结论。
二、传输方案和部署选项
A.下行链路传输方案
NB IOT的下行链路是基于OFDMA，其与LTE具有15 kHz副载波间隔。时隙、子帧和帧持续时间分别是0.5毫秒、1毫秒和10毫秒，与LTE相同。此外，在循环前缀（CP）持续时间和每个时隙的OFDM符号的数量方面的时隙格式也与LTE中的相同。在本质上，一个NB-IOT载体在频率域使用LTE技术，即15 kHz的载波总数为180 kHz。相同的OFDM数字使LTE确保在TE下行链路中的共存性能。例如，当NB-IOT部署LTE载波里面，NB-IOT的PRB和所有其他的LTE信号之间的正交性被保留在下行链路。
B.上行链路传输方案
NB-IOT的上行链路支持多频和单频传输。多频传输基于SC - FDMA，它们具有相同15 kHz的载波间距，0.5 MS插槽，和1毫秒的帧。单频传输支持15千赫和3.75千赫。15千赫的本质与LTE相同，从而达到以最佳性能在LTE上行链路中共存。3.75千赫用2毫秒的时间片。与下行链路一样，上行链路NB IOT载波使用180 kHz的总系统带宽。
C.部署选项
NB IOT可以部署在使用任何可用频谱超过180 kHz的独立载波。它也可以部署在LTE频谱分配内，既可以在LTE载波内部，也可以在保护频带内。这些不同的部署场景在图1中示出。然而，部署场景、独立的、带内的或保护频带的方式，在用户第一次打开并搜索NB IOT载波时对用户设备（用户设备）应该是透明的。与现有LTE 用户设备相似，NB IOT 设备仅需要在100 kHz光频上搜索载波。旨在促进设备初始同步的NB IOT载波被称为锚载波。100千赫的用户设备搜索栅格意味这，在频带的部署中，锚载体只能放在特定的伪随机序列。例如，在一个10 MHz LTE载波，那最好是用100千赫的网格对齐，可以作为一个NB-IOT锚载体为4, 9, 14、19, 30, 35的PRBS的指标。PRB的索引从0开始，代表PRB在LTE系统中的带宽占有最低的频率。
图1示出了具有10 MHz LTE载波的NB IOT的部署选项。PRB的右上方的直流载波，即PRB # 25，集中在97.5 kHz（即子载波间距6.5）以上的直流载波。由于LTE直流载波放在100 kHz的栅格，PRB # 25的中心是2.5千赫从最近的100 kHz的网格。相邻两PRBS以上直流载波中心之间的间距是180千赫。因此，PRB 30，35，40，45 都集中在2.5千赫在最近的100 kHz的网格。它可以显示为10 MHz和20 MHz LTE载体，现有一套PRB指标都集中在2.5千赫位于最近的100 kHz的网格，而对于3 MHz，5 MHz LTE运营商，和15 MHz带宽，PRB的指标是以至少7.5 kHz的远离100 kHz的栅格。此外，一个NB-IOT锚载体应该是没有任何中间的PRBS的LTE载波（如PRB # 25 10 MHz LTE，虽然它的中心是2.5千赫从最近的100 kHz的栅格）。这是由于在LTE同步广播频道中LTE需要占据中间6 PRBS许多资源要素，使得它很难使用这些PRBS 。
类似于带内部署，保护带部署中的NB IOT锚载波必须在100 kHz光栅中心频率不超过7.5 kHz。NB-IOT小区搜索和初始捕获被设计使得设备能够在存在高达7.5 kHz的光栅偏移的情况下与网络同步。
NB-IOT支持多载波操作。由于有足够的一个NB-IOT锚载波来促进用户设备初始同步，所以额外的载波不需要靠近100 kHz栅格网格。这些附加载流子被称为次级载流子。
三、物理信道
NB-IOT物理信道在很大程度上是基于传统LTE设计的。在这一节中，我们提供了它们的概述，重点是不同于传统LTE的方面。
A.下行
NB IOT在下行链路中提供以下物理信号和信道。
bull;窄带主同步信号（NPSS）
bull;窄带辅同步信号（NSSS）
bull;窄带物理广播信道（N pBCH-）
bull;窄带参考信号（NRS）
bull;窄带下行物理控制信道（npdcch）
bull;窄带物理下行共享信道（npdsch）
与LTE不同，这些NB IOT物理信道和信号主要在时间上复用。图2说明了NB-IOT子帧分配到不同的物理信道和信号。每个子帧跨越一个PRB NB-IOT（即12子）在频域和时域中的1毫秒。
NPSS和NSS的NB-IOT 用户设备进行小区搜索技术，包括时间和频率同步，与小区识别检测。由于传统的LTE同步序列占6 PRBS，他们不能再兼容NB-IOT，因此介绍一种新的设计方案。
从用户设备角度来看，子检测是一种最苛刻的计算操作。为了子检测的有效实施，NB-IOT使用层级序列。每11个OFDM中一个因子。
子帧使用ZC序列化，其根指数5。每个长为11的帧的ZC序列映射为最低的11个子载波。9个帧的传播通常需要20毫秒周期，还需要利用最后11个OFDM符号，并由132个资源要素的整体。通常来说，一个长度为132的频率域的序列化，与每个元素映射到一个资源。通常是由元素和一个二进制码序列相乘产生的。ZC序列化的二进制码序列和根是由窄带物理小区标识确定。而且ZC序列的循环移位由帧数量确定。
pBCH-携带主信息块（MIB）是每帧传输的。一个MIB在640毫秒的传输时间间隔（TTI）保持不变。
npdcch进行下行链路和上行链路数据信道的信息调度。它进一步进行HARQ上行链路数据信道的确认信息以及寻呼指示和随机接入响应（RAR）调度信息。从npdsch进行更高层次的数据以及寻呼信息，系统信息，和RAR消息。如图2所示，有许多子帧可以分配进行npdcch或npdsch。为了降低用户设备的复杂性，所有的下行信道使用LTE截尾卷积码（TBCC）。此外，对npdsch最大传输块的大小是680位。相比较而言，LTE无空间复用支持最大TBS大于70000位。
NRS是为下行链路信道的解调相位提供参考。nrss是时间和频率复用子帧中携带N pBCH-承载信息的符号，npdcch和npdsch，使用8资源要素每帧每个天线端口。
B.上行
NB IOT包括上行链路中的以下信道。
bull;窄带物理随机接入信道（nprach）
bull;窄带物理上行共享信道（npusch）
nprach是新设计的从传统的LTE物理随机接入信道（PRACH）使用的带宽为1.08 MHz的渠道。nprach序列由4个群体符号，每个符号组包括一个CP和5个符号。CP的长度是66.67S（格式0）小区半径达10公里，266.7S（格式1）小区半径达40公里。每一个符号，用固定的符号价值1，调制在3.75 kHz频率与266.67KHz频率，符号的持续时间，音调频率指数从一个符号组变化到另一个。nprach前导码的波形称为单频跳频。对nprach跳频的例子如图3所示。支持覆盖延伸，nprach序列化可以重复128次。
npusch有两个格式。格式1用于携带上行链路数据，并使用相同的LTE turbo码进行错误处理。
对npusch格式1最大传输块的大小是1000位，这比LTE低很多。格式2用于npdsch HARQ确认信号，并使用重复编码纠错。npusch格式1支持基于同传统的LTE命理多音传输。在这种情况下，用户设备可以被分配12, 6个或3个频。而只有12频格式被传统的LTE 用户设备支持，六调型和3频格式。我们说明了物联网的应用由于覆盖的限制不能使用更高的用户的带宽分配。此外，npusch支持基于15 kHz或3.75 kHz的单音频传输。降低峰值平均功率比（PAPR），单频传输采用/ 2-bpsk或4-QPSK符号间相位连续性。
npusch格式1使用相同的时隙结构中遗留的LTE PUSCH，OFDM符号每槽和中间符号为解调参考符号（DMRS）。npusch格式2也有7个OFDM符号的每插槽，但使用中间的三个符号作为区域。与用于信道估计。
四、资源映射
在本节中，我们描述了NB IOT资源映射是如何设计的，以确保与LTE部署在LTE载波内的最佳共存性能。本质上，通过避免将NB-IOT信号映射到传统LTE信号已经使用的资源元素来保持LTE信号的正交性。在图4中示出了一个示例，其中每个列指示一个OFDM符号中的资源元素。每个OFDM符号对应于12个子载波有12个资源单元。如图所示，为独立和保护带的部署，没有LTE资源需要保护，因此npdcch，npdsch或NRS可以在一个PRB对利用一切资源要素（定义为12子帧为一套）。
然而，在频带的部署中，不能被映射的资源单元，大部分是由于两个城市的LTE的小区特异性，例如参考符号（CRS）和LTE物理下行控制信道PDCCH）。我们设计NB-IOT的两个用户设备学的部署模式（独立，在带或带卫队）作为分辨小区的识别采集。然后，可以在用户设备使用LTE通过城市资源要素。拥有这些信息，可以在用户设备和npdsch npdcch映射符号的两个元素的可用资源。在其他的方面，nsss，npbch是用于初始同步和主系统的信息采集。这些信号需要两个没有识别的部署模式。这两个方式避免npbch和OFDM符号在每一子帧的资源的这些元素可能被用来LTE通信。而且nsss信号重叠和资源要素是LTE的基站面对的一个问题。npbch速率匹配在LTE的CRS段。然而，这两个因素需要用户设备的位置（CRS）的资源要素，这是依赖性的小区识别标志（LTE的pcid）。我们可以通过小区识别用户设备的pcid。当NB-IOT与LTE使用相同的pcid时，用户设备也可以利用pcid来确定的CRS的LTE的地点。
五、小区搜索和初始采集过程
同步是蜂窝通信中的一个重要方面。当用户设备开机的第一时间，它需要到一个合适的小区的特征，子帧与帧定时和载波频率同步。为了同步到载波频率，用户设备需要校正由于本地振荡器不精确而出现的任何错误频率偏移，并与基站从帧结构执行符号定时对准。此外，由于多个小区的存在，用户需要在一个以nb-pcid为依据特定的小区识别。结果，一个典型的同步过程包括确定定时校准，校正频率偏移，获取正确的小区的身份，和绝对的副架构和架构号码参考。
NB IOT旨在用于非常
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