详解NB-IoT物理层帧结构

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，以下吴老师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师深深的热爱中。

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？吴老师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。

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。