NB-IOT (5) : 下行链路物理层

一、NB-IoT下行链路总体架构

NB-IoT下行链路基于LTE的OFDM（正交频分复用）技术，但在频谱资源、子载波间隔、帧结构等方面进行了大幅简化与适配。其核心目标是：在极低带宽和极低功耗约束下，最大化覆盖能力与连接密度。
1.1 频谱部署模式

NB-IoT支持三种部署方式，均复用现有LTE频谱资源：

独立部署（Standalone）
利用GSM频段的保护带（Guard Band）或独立频段；
最常见于2G退网后的频谱重耕；
典型带宽：180 kHz（相当于1个LTE资源块）。

保护带部署（Guard Band）
利用LTE载波两侧的保护带（通常为180 kHz）；
不占用LTE主载波资源，对现有LTE业务无干扰；
适用于已有LTE网络的运营商。

带内部署（In-Band）
直接嵌入LTE载波内部的一个PRB（Physical Resource Block）；
与LTE共享频谱，需协调调度；
对LTE系统有一定影响，但频谱效率最高。

无论哪种部署方式，NB-IoT下行链路始终占用180 kHz带宽，对应12个子载波（每个子载波15 kHz），这是其“窄带”特性的根本体现。
1.2 帧结构与时间单位

NB-IoT沿用LTE的帧结构，但进行了简化：
无线帧（Radio Frame）：10 ms，编号0~1023；
子帧（Subframe）：1 ms，每个无线帧包含10个子帧；
时隙（Slot）：0.5 ms，每个子帧包含2个时隙；
OFDM符号：每个时隙含7个OFDM符号（常规CP）。
⚠️ 注意：NB-IoT不支持TDD（时分双工），仅支持FDD（频分双工），上下行使用不同频段。

由于NB-IoT终端多为低速率、小包业务，其下行调度以子帧为单位，且支持重复传输（Repetition） 以增强覆盖。

二、下行物理信道体系

NB-IoT定义了五类下行物理信道，分别承担同步、广播、控制和数据传输功能：

信道名称 缩写 功能

窄带物理广播信道 NPBCH 传输主系统信息（MIB-NB）
窄带物理下行控制信道 NPDCCH 调度NPDSCH，携带DCI
窄带物理下行共享信道 NPDSCH 传输用户数据与系统信息块（SIBs）
窄带主同步信号 NPSS 终端初始同步，帧定时
窄带辅同步信号 NSSS 小区ID识别，帧结构同步

下面逐一详解。

三、窄带主同步信号（NPSS）与辅同步信号（NSSS）
3.1 NPSS：帧定时的“心跳”

NPSS是终端开机后首先搜索的信号，用于实现子帧级同步和频率粗估计。
位置：每个无线帧的子帧#5；
序列：固定Zadoff-Chu序列，长度为11；
映射：仅使用中间6个子载波（k=0~5，以中心子载波为参考）；
带宽：90 kHz（6×15 kHz）；
周期：10 ms。

NPSS的设计具有以下特点：
低PAPR（峰均比）：利于终端低功耗接收；
强自相关性：便于定时估计；
与LTE PSS不冲突：避免干扰。

终端通过滑动相关器检测NPSS峰值，确定子帧#5的起始位置，从而建立初步时间同步。
3.2 NSSS：小区身份的“身份证”

NSSS用于识别小区ID（0~503）和帧边界。
位置：无线帧#0的子帧#9；
序列：基于m序列生成，共504种，对应504个物理小区ID；
映射：占用全部12个子载波；
周期：20 ms（即每两个无线帧出现一次）；
调制：BPSK。

NSSS的检测需在NPSS同步后进行。终端通过匹配滤波或FFT相关，找到最匹配的序列，从而获知小区ID和无线帧起始位置。
🔍 工程意义：NPSS/NSSS的低复杂度设计，使得NB-IoT终端可在几毫秒内完成小区搜索，极大降低接入时延与功耗。

四、窄带物理广播信道（NPBCH）

NPBCH承载主信息块（MIB-NB），包含终端接入网络所必需的最基本参数。
4.1 传输内容

MIB-NB包含以下关键信息：
系统带宽（始终为1 PRB）；
PHICH配置（NB-IoT中通常禁用）；
系统帧号（SFN）的高8位；
接入限制信息；
调度SIB1的NPDCCH配置。
4.2 传输机制
周期：640 ms（64个无线帧）；
资源映射：每个无线帧的子帧#0；
持续时间：连续8个子帧（即8 ms）；
编码：卷积码（码率1/3）；
调制：QPSK；
重复：8次传输构成一个完整MIB-NB，支持跨子帧合并。
✅ 关键创新：NPBCH采用时域重复+软合并机制。终端可将8个子帧的接收信号进行相干或非相干合并，等效增益达9 dB，显著提升深覆盖接收能力。

例如，在-125 dBm信号下，单次传输可能无法解调，但8次合并后信噪比提升，即可成功译码。

五、窄带物理下行控制信道（NPDCCH）

NPDCCH是下行调度的“指挥官”，负责告知终端何时、何地、如何接收NPDSCH数据。
5.1 控制信息格式（DCI）

NB-IoT定义了两类下行控制信息（Downlink Control Information, DCI）：
DCI N0：用于调度上行NPUSCH（本文聚焦下行，略）；
DCI N1：用于调度下行NPDSCH。

DCI N1包含：
资源分配类型（Type 1或Type 2）；
调制与编码方案（MCS）；
重复次数（Repetition）；
HARQ进程ID；
新数据指示（NDI）；
功率偏移等。
5.2 资源分配方式

NPDCCH支持两种资源分配：

Type 1（集中式）
指定起始RB和长度（但NB-IoT只有1个RB，故简化为起始子载波和OFDM符号）；
适用于小包数据。

Type 2（分布式）
使用跳频或交织映射，提升频率分集增益；
适用于高干扰环境。
5.3 搜索空间与盲检

终端需在预定义的搜索空间（Search Space） 中盲检NPDCCH。
公共搜索空间（CSS）：用于SIB、寻呼等公共消息；
UE专用搜索空间（USS）：用于用户数据调度。

每个搜索空间由多个候选集（Candidates） 组成，每个候选集对应一个CCE（Control Channel Element）。NB-IoT中，1个CCE = 1个子帧 × 12个子载波 × 7符号。

终端尝试用不同RNTI（如SI-RNTI、P-RNTI、C-RNTI）解扰每个候选集，若CRC校验通过，则认为检测成功。
💡 优化点：NB-IoT大幅减少候选集数量（通常≤4），降低终端盲检复杂度与功耗。

六、窄带物理下行共享信道（NPDSCH）

NPDSCH是承载用户数据和系统信息块（SIBs） 的主信道。
6.1 传输内容
SIB1-NB 至 SIB5-NB（如小区选择参数、邻区列表、接入控制等）；
寻呼消息（Paging）；
RRC连接重配置；
应用层数据（如传感器上报指令、固件更新包等）。
6.2 调制与编码
调制方式：QPSK（唯一支持的调制，因BPSK效率过低，16QAM覆盖不足）；
编码方案：Turbo码（码率可变，由MCS指示）；
码块分段：大TB（Transport Block）被分割为多个码块，每块独立编码；
CRC附加：每个码块加24位CRC用于检错。
6.3 资源映射

NPDSCH映射到除NPSS/NSSS/NPBCH/NPDCCH外的可用资源。
时域：可跨多个子帧（支持重复）；
频域：占用全部12个子载波（180 kHz）；
RE映射：跳过参考信号（NRS）位置。
6.4 重复传输（Repetition）

这是NB-IoT提升覆盖的核心机制。
重复次数：可配置为1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128次；
合并方式：相干合并（需定时同步）或非相干合并（更鲁棒）；
增益估算：N次重复 ≈ 10·log₁₀(N) dB增益。例如，128次重复 ≈ 21 dB增益！
📌 实例：某水表位于地下室，接收信号为-135 dBm。若单次传输需-115 dBm才能解调，则需至少100次重复（≈20 dB增益）方可成功。NB-IoT支持最高128次，完全覆盖此类场景。

七、窄带参考信号（NRS）

NRS（Narrowband Reference Signal）是下行信道估计的基准。
7.1 设计特点
位置：每个子帧的第1和第5个OFDM符号；
子载波：k=0 和 k=6（即中心两侧对称）；
序列：基于小区ID和时隙号生成的伪随机序列；
密度：每子帧2个RE × 2子载波 = 4个参考点。
7.2 作用
终端通过NRS估计下行信道响应（H）；
用于相干解调NPDSCH/NPDCCH；
支持信道质量测量（如RSRP、RSRQ）。

由于NRS密度较低，NB-IoT依赖时频域插值进行信道估计，这对算法鲁棒性提出挑战，但也降低了开销。

八、下行链路关键性能指标
8.1 覆盖能力
最大耦合损耗（MCL）：164 dB（比GSM高20 dB）；
等效灵敏度：-130 ~ -135 dBm（QPSK, 16次重复）；
实测案例：地下3层车库、农村5公里外仍可通信。
8.2 时延特性
调度时延：最小1 ms（单子帧）；
重复时延：128次重复 = 128 ms；
端到端时延：通常<2秒，满足非实时业务需求。
8.3 功耗影响
终端大部分时间处于PSM（Power Saving Mode） 或 eDRX 状态；
仅在NPDCCH监测窗口和NPDSCH接收期间唤醒；
下行接收功耗占总功耗<10%（相比上行发射）。

九、关键技术对比：NB-IoT vs LTE vs eMTC

特性 NB-IoT LTE eMTC

带宽 180 kHz 1.4~20 MHz 1.08 MHz
子载波间隔 15 kHz 15 kHz 15 kHz
调制 QPSK only QPSK/16QAM/64QAM QPSK/16QAM
重复传输 支持（最高128次） 不支持 支持（最高192次）
MCL 164 dB 144 dB 155.7 dB
终端复杂度 极低 高 中等

可见，NB-IoT在覆盖与功耗上优势显著，但牺牲了速率与灵活性。

十、挑战与演进方向

尽管NB-IoT下行链路设计成熟，仍面临挑战：

速率瓶颈：最大下行速率仅~250 kbps（理论），实际<100 kbps；移动性支持弱：仅支持<30 km/h移动，切换机制简化；定位精度低：依赖ECID，精度>100米；与5G融合问题：需通过NIDD（Non-IP Data Delivery）或UPF适配。

未来演进方向包括：
NR-NB-IoT：在5G新空口下重定义NB-IoT，提升效率；
AI辅助信道估计：利用深度学习提升NRS插值精度；
动态重复机制：根据信道状态自适应调整重复次数；
多天线增强：引入SIMO/MISO提升接收增益。

结语：窄带中的宽广世界

NB-IoT物理层下行链路，看似仅在180 kHz的“窄缝”中运作，却承载着亿级物联网设备的通信命脉。它用最朴素的QPSK调制、最简单的帧结构、最极致的重复机制，实现了对物理极限的挑战——在人类难以企及的角落，让数据依然流动。

这不仅是通信工程的胜利，更是对“适用即最优”设计哲学的完美诠释。正如老子所言：“大音希声，大象无形。” NB-IoT不追求炫技，而以沉默的稳健，构筑起数字世界的底层基石。

未来，随着5G-A与6G的到来，NB-IoT或将以新形态继续存在，但其物理层所体现的极简、鲁棒、高效理念，将永远照亮物联网通信的发展之路。

附录：NB-IoT下行关键参数表

参数 值

带宽 180 kHz
子载波数 12
子载波间隔 15 kHz
帧长 10 ms
子帧长 1 ms
CP类型 Normal CP
调制方式 QPSK
编码 Turbo码（NPDSCH）、卷积码（NPBCH）
最大重复次数 128
MCL 164 dB
最大下行速率 ~250 kbps（理论）

参考文献

3GPP TS 36.211 – E-UTRA; Physical channels and modulation3GPP TS 36.212 – E-UTRA; Multiplexing and channel coding3GPP TS 36.213 – E-UTRA; Physical layer procedures《NB-IoT技术详解与应用实践》，人民邮电出版社，2020Huawei, “NB-IoT White Paper”, 2016Ericsson, “Cellular IoT: NB-IoT and LTE-M”, 2018