如何练好通信童子功，先把NB-IoT物理层帧结构搞清

吴老司上篇已经谈到 NB 的 ST、IB、GB 三种部署方式，本篇开始将深入分析 NB 的物理层结构（有时候也俗称为帧结构）。

 

对于通信系统来说，物理层结构是最底层的设计之一，它直接关联咱们在低成本章节已经谈过的双工方式，另外还决定了资源分配的基本原则。理解好物理层结构是理解后续技术细节的基础，可以说它是练通信功夫的童子功，咱们必须打好这个基础，否则后面学习信道的时候你会彻底睡晕！

 

先阐述一个基本的概念：物理层结构包含两块，一是频域结构，一是时域结构（这才是帧结构出处），大家不要混为一谈，以下吴老司在谈具体细节的时候也将遵循频、域时域两分看这个思路，当然实际工作中我们说物理层帧结构也就基本等同于在说物理层结构，没这么严格区分。

 

1   下行物理层结构

根据 NB 的系统需求，终端的下行射频接收带宽是 180KHZ。由于下行采用 15KHZ 的子载波间隔，因此 NB 系统的下行多址方式、帧结构和物理资源单元等设计尽量沿用了原有 LTE 的设计。

 

频域上：NB 占据 180kHz 带宽（1 个 RB），12 个子载波（subcarrier），子载波间隔（subcarrier spacing）为 15kHz，如下图所示：

 

 

 

时域上：NB 一个时隙（slot）长度为 0.5ms，每个时隙中有 7 个符号（symbol），如下图所示。

 

 

 

 

NB 基本调度单位为子帧，每个子帧 1ms（2 个 slot），每个系统帧包含 1024 个子帧，每个超帧包含 1024 个系统帧（up to 3h）。这里解释下，不同于 LTE，NB 中引入了超帧的概念，原因就是以前在谈到小功耗特点时候讲过的 eDRX（详见 NB-IOT 小功耗之太极拳篇章），为了进一步省电，扩展了寻呼周期，终端通过少接寻呼消息达到省电的目的。

 

 

 

上面这个图有木有晕掉？其实不难，从上往下看就是啦：

 

1 个 signal 封装为 1 个 symbol-》

 

7 个 symbol 封装为 1 个 slot-》

 

2 个 slot 封装为 1 个子帧 -》

 

10 个子帧组合为 1 个无线帧 -》

 

1024 个无线帧组成 1 个系统帧（LTE 到此为止了）-》

 

1024 个系统帧组成 1 个超帧，over。

 

这样计算下来，1024 个超帧的总时间=(1024*1024*10)/(3600*1000)=2.9h.

 

还木有理解？那么如果你是一个剁手党的话，何不将以上的帧结构的封装想象为快递的包装呢，小盒子装大盒子，大盒子再套更大的盒子呢？道理是一样一样的呀。

 

 

2   上行物理层结构

看到这里的时候，下面的小同学已经在扔臭鸡蛋了。So easy 嘛！

 

但是且慢四分之一柱香之后，等你看完上行的话，也许你就会陷入对吴老司深深的热爱中。

 

 

频域上：

 

☟占据 180kHz 带宽（1 个 RB），可支持 2 种子载波间隔：

 

◢15kHz：最大可支持 12 个子载波：如果是 15KHZ 的话，那就真是可以洗洗睡了。因为帧结构将与 LTE 保持一致，只是频域调度的颗粒由原来的 PRB 变成了子载波。关于这种子帧结构不做细致讲解。

 

◢ 3.75kHz：最大可支持 48 个子载波：如果是 3.75K 的话，首先你得知道设计为 3.75K 的好处是哪里。总体看来有两个好处，一是根据在《NB-IOT 强覆盖之降龙掌》谈到的，3.75K 相比 15K 将有相当大的功率谱密度 PSD 增益，这将转化为覆盖能力，二是在仅有的 180KHZ 的频谱资源里，将调度资源从原来的 12 个子载波扩展到 48 个子载波，能带来更灵活的调度。

 

 

☟支持两种模式：

 

◢ Single Tone （1 个用户使用 1 个载波，低速物联网应用，针对 15K 和 3.75K 的子载波都适用，特别适合 IOT 终端的低速应用）

 

◢Multi-Tone （1 个用户使用多个载波，高速物联网应用，仅针对 15K 子载波间隔。特别注意，如果终端支持 Multi-Tone 的话必须给网络上报终端支持的能力）

 

☟两种模式与两种子载波间隔的关系如下图：

 

 

 

tips:

需要注意的是，无论是 Single Tone 还是 Multi-Tone 的发送方式，NB 在上行都是基于 SC-FDMA 的多址技术。

 

时域上：

 

☟基本时域资源单位都为 Slot，小同学们一定要注意，对于上行已经不再提子帧的概念了，而是 slot 的概念。

 

对于 15kHz 子载波间隔，涛声依旧，1 Slot=0.5ms，与 LTE 保持一致，在此不细谈。

但是对于 3.75kHz 子载波间隔，1 Slot=2ms，这就大不一样了，如下图对比：

 

 

这一点在初学 NB 帧结构的时候务必要引起重视。

 

tips:

这里不妨思考下，是否有什么内在联系？吴老司的理解是频域上子载波间隔 3.75K 是 15K 的 1/4，而时域上时隙 2ms 正好是 0.5ms 的 4 倍，两者其实是等效的。

 

下图是 3.75KHZ 时上行帧结构示意图，不过这次咱们看图应该跟下行倒过来，从下往上看，请同学们自己试着去理解，请注意都是时域上 4 倍的关系哦。

 

 

3   上行资源单元 RU

对于 NB 来说，上行因为有两种不同的子载波间隔形式，其调度也存在非常大的不同。NB-IoT 在上行中根据 Subcarrier 的数目分别制订了相对应的资源单位 RU 做为资源分配的基本单位。基本调度资源单位为 RU（Resource Unit），各种场景下的 RU 持续时长、子载波有所不同。这里特别再强调下，理解 RU 的时候应该注意到：时域、频域两个域的资源组合后的调度单位才为 RU。

 

 

上表中可以看出，NPUSCH 根据用途被划分为了 Format 1 和 Format 2. 其中 Format 1 主要用来传普通数据 .，类似于 LTE 中的 PUSCH 信道，而 Format 2 资源主要用来传 UCI，类似于 LTE 中的 PUCCH 信道（其中一个功能）。

 

3.75KHz Subcarrier Spacing 只支持单频传输，而 15KHz Subcarrier Spacing 既支持单频又支持多频传输。

 

 

对 Fomat1 而言，3.75KHz Subcarrier Spacing 的资源单位的带宽为一个 Subcarrier，时间长度是 16 个 Slot，也就是 32ms 长，而 15KHz Subcarrier Spacing 单频传输，带宽为 1 个 Subcarrier 的资源单位有 16 个 Slot 的时间长度，即 8ms。从上可以看出，实际上 Format 1 两种单频传输占用的时*频资源的总和是一样的。对于 15KHzSubcarrier Spacing 多频传输来说，共计有三种情况，实际上这三种情况最终占用的时*频资源的总和也是一样一样的。另外，12 个 Subcarrier 的资源单位则有 2 个 Slot 的时间长度，即 1ms，此资源单位即是 LTE 系统中的一个 Subframe。

 

对 Fomat2 而言，仅仅支持单频传输，3.75KHzSubcarrier Spacing 的资源单位和 15KHzSubcarrier Spacing 资源单位占用的时*频资源的总和也是一样的。

 

tips:

这里再次强调，对于下行，涛声依旧，时域上仍然采用 subframe 作为调度单位。

 

4  结束语

本篇主要讲到 NB 的物理层结构，它将是理解 NB 技术细节的基础，细节非常多，理解也比较困难，需要花心思理解，为后续技术学习打下基础。