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机器型通信（MTC）发展非常迅速。与连接器、传感器、执行器、仪表（水、气、电、或停车）、汽车、应用等相关联的连接器解决方案已经引起了人们极大的兴趣。 物联网（IoT）因此而出现并不断扩展。 物联网由许多网络组成，它们可能有不同的设计目标。 例如，有些网络只打算覆盖本地区域（例如一个家庭），而有些网络则提供广域覆盖。后一种情况正在第三代合作伙伴计划（3GPP）中讨论。 认识到物联网的重要性，3GPP在其最新版本Release 13（Rel-13）中为物联网引入了许多关键特性。EC-GSM-IoT 和LTE-eMTC 的目标以加强现有的全球移动系统通信（GSM）和长期演进（LTE）网络，以更好地服务物联网。覆盖扩展，用户设备（UE）复杂性降低，电池寿命长以及向后兼容性是共同的目标。第三条窄带物联网（NB-IoT）也分享了这些目标。此外，NB-IoT旨在提供部署灵活性，允许运营商使用现有可用频谱的一小部分引入NB-IoT。NB-IoT主要设计用于瞄准超低端物联网应用。
NB-IoT是一种新的3GPP无线接入技术，因为它与现有的3GPP设备不完全向后兼容。 然而，它旨在实现卓越的共存，与传统的GSM和LTE技术保持一致。NB-IOT需要180 kHz的下行链路和上行链路的最小系统带宽。最小系统带宽的选择可实现多种部署选项。GSM运营商可以用NB-IoT替换一个GSM运营商（200 kHz）。通过为NB-IoT分配180kHz的物理资源块（PRB）之一，LTE运营商可以在LTE载波内部署NB-IoT。 如本文后面将会说明的那样，NB-IoT的空中接口被优化以确保与LTE和谐共存，并且因此LTE载波内的NB-IoT的这种“带内”部署不会损害LTE的性能或NB-IoT。LTE运营商也可以选择在LTE运营商的保护频段部署NB-IoT。
NB-IoT广泛重用LTE设计，包括数字技术，下行正交频分多址（OFDMA），上行单载波频分多址（SC-FDMA），信道编码，速率匹配，交织等等。这大大缩短了开发完整规格所需的时间。此外，预计现有LTE设备和软件供应商开发NB-IoT产品所需的时间将大大缩短。 3GPP的NB-IoT工作项目的规范阶段于2015年9月开始，核心规范于2016年6月完成。NB-IoT的物理层规范包含在[8-10]中。 预计NB-IoT产品和服务的商业推出时间大约在2017年初。
在这篇文章中，我们提供了最先进的技术。关于NB-IoT空中接口的概述，重点介绍NB-IoT偏离LTE的关键方面。我们特别强调了NB-IoT的功能，这些功能有助于实现上述设计目标。本文的其余部分组织如下。首先给出传输方案和部署选项。然后我们描述NB-IoT的物理通道。描述资源映射，强调在LTE载波内部署NB-IoT时如何实现与LTE的正交性。诸如小区搜索，随机接入，调度和混合自动重传请求（HARQ）之类的过程被详细描述。文章重点介绍了NB-IoT的性能，最后一节提供了一个结论。
NB-IoT的下行链路传输方案基于OFDMA，具有与LTE [8]相同的15 kHz子载波间隔。时隙、子帧和帧持续时间分别是0.5ms，1ms和10ms，与LTE中的相同。实质上，NB-IoT载波在频域（即，12个15kHz子载波）中使用一个LTE PRB，总共180kHz。重复使用与LTE相同的OFDMA命理确保了与下行链路中的LTE良好的共存性能。例如，当在LTE载波内部署NB-IoT时，NB-IoT PRB和所有其他LTE PRB之间的正交性在下行链路中被保留。
NB-IoT的上行链路支持多音和单音传输。多音传输基于单载波频分多址（SC-FDMA），使用与LTE相同的15 kHz子载波间隔和0.5 ms时隙。单音传输支持两种数字技术，15 kHz和3.75 kHz。15 kHz的数字学与LTE相同，因此在上行链路上实现与LTE的最佳共存性能。3.75 kHz单音数字学使用2 ms时隙持续时间。与下行链路类似，上行链路NB-IoT载波使用180 kHz的总系统带宽。
NB-IoT可能作为独立运营商部署。它也可能被部署在LTE频谱内，或者在LTE载波内部或者在保护频带内。这些不同的部署方案如图1所示。然而，部署场景，独立，带内或保护带在用户设备（UE）首次打开时应该是透明的，并搜索NB-物联网运营商。 类似于现有的LTE UE，仅需要NB-IoT UE在100kHz的光栅上搜索载波。旨在促进UE初始同步的NB-IoT载波被称为锚载波。100 kHz UE搜索光栅意味着对于带内部署，锚载波只能放在某些PRB中。
图1显示了部署选项，采用10 MHz LTE载波的NB-IoT。正好在DC副载波（即，PRB＃25）之上的PRB被集中在97.5kHz。由于LTE DC子载波被放置在100kHz的光栅上，因此PRB＃25的中心距离最近的100kHz栅格为2.5kHz。 类似地，PRB＃30，＃35，＃40和＃45全都以距离最近的100kHz的2.5kHz为中心格。可以看出，对于10MHz或20MHz的LTE载波，存在一组PRB，其全部集中在距离最近的100kHz网格2.5kHz处，而对于3MHz，5MHz或15MHz的LTE载波， PRB的中心距离100 kHz光栅至少7.5 kHz。距离100 kHz光栅不超过7.5 kHz的PRB可用作NB-IoT锚定载波。此外，NB-IoT主载波不应该是LTE载波的中间六个PRB中的任何一个。这是因为LTE同步和广播信道占用中间六个PRB中的许多资源元素，使得难以将这些PRB用于NB-IoT。
与带内部署类似，保护带部署中的NB-IoT主载波需要中心频率不超过来自100 kHz栅格的7.5 kHz。NB-IoT小区搜索和初始捕获被设计为使UE能够在存在高达7.5kHz的光栅偏移的情况下与网络同步。
支持NB-IoT的多载波操作。 由于具有用于促进初始UE同步的一个NB-IoT主载波就足够了，所以额外的载波不需要靠近100kHz栅格网格。 这些额外的载波被称为辅载波。
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;窄带辅助同步信号（NSSS）
bull;窄带物理广播信道（NPBCH）
bull;窄带参考信号（NRS）
bull;窄带物理下行链路控制信道（NPDCCH）
bull;窄带物理下行链路共享信道（NPDSCH）
与LTE不同，这些NB-IoT物理信道和信号主要是按时复用的。 图2展示了NB-IoT子帧如何分配给不同的物理信道和信号。 每个NB-IoT子帧跨越频域中的一个PRB并且在时域中跨越1ms。
NB-IoT UE使用NPSS和NSSS来执行小区搜索，其中包括时间和频率同步以及小区身份检测。 由于传统的LTE同步序列占用6个PRB，所以它们不能被重新用于NB-IoT。因此引入了新的设计。
使用子帧中的最后11个OFDM符号在每10ms帧中在子帧＃5中发送NPSS。 从UE的角度来看，NPSS检测是计算量最大的操作之一。为了有效实施NPSS检测，NB-IoT使用分级序列。 对于11个NPSS OFDM中的每一个在子帧中的符号，或者发送p或-p，其中p是基于具有根索引5的长度为11的Zadoff-Chu（ZC）序列生成的基本序列。 每个长度为11的ZC序列被映射到NB-IoT PRB内的最低11个子载波。
NSSS具有20ms的周期性并且在子帧＃9中传送，也使用最后的11个OFDM符号包括总共132个资源元素。 NSSS是一个长度为132的频域序列，每个元素映射到一个资源元素。NSSS由ZC序列和二进制加扰序列之间的元素乘法生成。ZC序列和二进制加扰序列的根由窄带物理小区标识（NB-PCID）确定。ZC序列的循环移位进一步由帧数模8确定。
NPBCH承载主信息块（MIB）并在每个帧的子帧＃0中传输。MIB在640毫秒的传输时间间隔（TTI）内保持不变。
NPDCCH携带下行链路和上行链路数据信道的调度信息。 它还携带上行链路数据信道的HARQ确认信息以及寻呼指示和随机接入响应（RAR）调度信息。 NPDSCH承载来自较高层的数据以及寻呼消息，系统信息和RAR消息。 如图2所示，可以分配多个子帧来承载NPDCCH或NPDSCH。 为了降低UE的复杂度，所有下行链路信道都使用LTE咬尾卷积码（TBCC）。此外，NPDSCH的最大传输块大小为680位。 相比之下，没有空间复用的LTE支持大于70,000比特的最大TBS。
NRS用于提供相位参考用于解调下行链路信道。使用每个天线端口的每个子帧8个资源元素，NRS在携带NPBCH，NPDCCH和NPDSCH的子帧中与信息承载符号进行时间和频率复用。NB-IoT最多支持两个NRS端口。
NB-IoT在上行链路中包含以下通道：
bull;窄带物理随机接入信道（NPRACH）
bull;窄带物理上行链路共享信道（NPUSCH）
NPRACH是一种新设计的信道，因为传统LTE物理随机接入信道（PRACH）使用的带宽为1.08 MHz，比NB-IoT上行带宽多。一个NPRACH前导码由四个符号组组成，每个符号组包含一个CP和五个符号。两个CP长度，66.67s和指定为266.7s。具有固定符号值1的每个符号在3.75kHz上被调制副载波。但是，音频指数从一个符号组变化到另一个符号组。NPRACH前导码的波形被称为单频跳频。图3说明了NPRACH跳频的一个例子。
NPUSCH有两种格式。格式1用于承载上行数据并使用相同的LTE turbo码进行纠错。NPUSCH格式1的最大传输块大小为1000比特[10]，远低于LTE。格式2用于通知NPDSCH的HARQ确认，并使用重复码进行纠错。NPUSCH格式1支持多音频传输。在这种情况下，UE可以分配12,6或3个音调。虽然传统LTE UE仅支持12音格式，但是由于覆盖限制，不能从更高的UE带宽分配中受益的NB-IoT UE引入了6音和3音格式。此外，NPUSCH支持基于15或3.75 kHz数字学的单音传输。为了降低峰均功率比（PAPR），单音传输使用符号之间具有相位连续性的/ 2-二进制相移键控（BPSK）/ 4-正交相移键控（QPSK）。
NPUSCH格式1具有7个OFDM符号/时隙，其中之一是解调参考符号（DMRS）。NPUSCH格式2也具有7个OFDM符号/时隙，但是使用3个符号作为DMRS。DMRS用于信道估计。
表1总结了NB-IoT物理信道及其与LTE对应物的差异。
在本节中，我们将介绍如何设计NB-IoT资源映射，以确保在LTE载波内部署时与LTE保持最佳共存性能。实质上，通过避免将NB-IoT信号映射到传统LTE信号已经使用的资源单元来保存与LTE信号的正交性。图4中示出了一个例子，其中每列指示一个OFDM符号中的资源元素。每个OFDM符号有12个资源元素对应于12个副载波。如图所示，对于独立和保护频段部署，不需要保护任何LTE资源; 因此，NPDCCH，NPDSCH和NRS可以利用一个PRB对中的所有资源单元。但是，对于带内部署，NPDCCH，NPDSCH和NRS不能映射到LTE小区特定参考符号（CRS）和LTE物理下行链路控制信道（PDCCH）所采用的资源元素。NB-IoT旨在允许UE通过初始采集学习部署模式（独立，带内或保护带）以及小区身份。然后，UE可以找出哪些资源元素被LTE使用。利用该信息，UE可以将NPDCCH和NPDSCH符号映射到可用资源单元。另一方面，NPSS，NSSS和NPBCH用于初始同步和主系统信息采集。在不知道部署模式的情况下需要检测这些信号。为了促进这一点，NPSS，NSSS和NPBCH避免了每个子帧中的前三个OFDM符号，因为这些资源单元可能被LTE PDCCH使用。此外，与LTE CRS采用的资源元素重叠的NPSS和NSSS信号在基站处被打孔。尽管UE不知道哪些资源元素被打孔，但是由于打孔资源元素的百分比相对较小，所以仍然可以通过将接收到的打孔同步信号与非打孔信号相关来检测NPSS和NSSS。 NPBCH在LTE CRS周围进行速率匹配。 然而，这要求UE计算出与LTE物理小区标识（PCID）相关的CRS资源元素的位置。 同一小区使用的PCID和NB-PCID的值的关系是使得UE可以使用NB-PCID来确定LTE CRS位置。
当UE首次上电时，需要检测合适的小区驻留，并为该小区获取符号，子帧和帧定时以及与载频同步。另外，由于存在多个小区，UE需要基于NB-PCID区分特定的小区。
NB-IoT旨在用于非常低成本的UE，同时为部署在高穿透损耗环境（例如，建筑物的地下室）中的UE提供更广的覆盖范围。 这种低成本的UE配备有低成本的晶体振荡器，其可以具有高达20ppm的初始载波频率偏移（CFO）。 如前所述，部署LTE的带内和保护带会引入额外的光栅偏移（2.5或7.5 kHz），从而产生更高的CFO。 尽管这个大型CFO，UE也应该能够在非常低的信噪比（SNR）下执行准确的同步。
NB-IoT中的同步遵循与LTE中的同步过程类似的原理，但是为了解决在非常低的SNR下估计大的频率偏移和符号时序的问题，改变了同步序列的设计。同步通过使用NPSS和NSSS来实现。NPSS用于获取符号时序和CFO，NSSS用于获取NB-PCID和80 ms时间块内的时序。
对于工作在非常低的SNR的UE，基于单个10ms接收段的自动关联不足以进行检测。因此，需要多个10 ms段的累加过程。由于固有的NPSS设计，累积可以一致地执行，为检测提供足够的信号能量。
在同步过程完成之后，UE了解符号时序，CFO，80ms块内的位置，以及NB-PCID。 然后，UE继续获取在子帧中广播的MIB由NPBCH承载的每个帧的＃0。NPBCH由8个可自解码的子块组成，每个子块重复8次，所以每个子块占用8个连续帧的子帧＃0。 因此，使用子帧0将一个NPBCH码字分布在64个帧（即，640
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