5G物联网及NB-IoT技术详解

本书详细讲解了物联网相关技术，包括各类非授权频谱（私有物联网技术和3GPP主导的授权频谱）物联网技术，其中窄带物联网（NB-IoT）技术是本书的重点。第1～2章介绍移动通信技术近40年的发展历程，着重介绍ITU及3GPP组织主导的5G标准进展、应用场景、核心指标（5G KPI）要求及关键技术。第3～6章详细介绍NB-IoT基本概念、物理层原理、基本过程和数据传输模式。第7章解析NB-IoT物联网网络中常用的信令信息内容，对从事NB-IoT物联网系统及终端开发与测试以及网络维护的工程师有更大的参考意义，更方便读者查对和比较相关信令消息内容，实用性和针对性强。本书既适合移动物联网行业的测试工程师、研发工程师和NB-IoT网络运营维护人员以及第三方应用开发平台的工程师阅读，也适合从事物联网终端行业特别是NB-IoT终端模块研发和测试的工程师参考，同时可供大专院校电子与通信相关专业的师生参考阅读。

在索尼、阿尔卡特朗讯、北电网络、摩托罗拉等多家通信设备公司供职，从事按键设计、系统测试、系统架构等多种工作。一直在3G、4G网络演进过程中从事核心产品研发，实践经验丰富，对新一代通信网络技术发展有独到见解。

目 录

第1章 5G概述 1
1.1 移动通信发展史 1
1.2 5G技术演进 3
1.3 5G应用场景 5
1.4 5G核心指标 7
1.5 5G关键技术 8
1.5.1 毫米波技术 8
1.5.2 大规模天线阵列 8
1.5.3 新型调制编码技术 9
1.5.4 多载波聚合 11
1.5.5 网络切片技术 12
1.5.6 设备到设备直接通信 14
1.5.7 超密集异构网络 14
1.5.8 新型网络架构 15
第2章 物联网介绍 17
2.1 物联网的前世今生 17
2.1.1 物联网起源与发展 17
2.1.2 物联网在美国—智慧地球 18
2.1.3 物联网在中国—感知中国 18
2.2 物联网特性与应用 19
2.2.1 物联网特性 19
2.2.2 物联网应用 21
2.3 物联网技术分类 22
2.4 授权频谱物联网技术 24
2.4.1 3GPP物联网之路 24
2.4.2 NB-IoT和LTE-M 26
2.5 非授权频谱物联网技术 28
2.5.1 Sigfox 28
2.5.2 LoRaWAN 30
2.5.3 RPMA 32
2.5.4 Weightless 33
2.5.5 HaLow 34
第3章 NB-IoT概述 35
3.1 NB-IoT特点 35
3.1.1 超强覆盖 35
3.1.2 超低功耗 36
3.1.3 超低成本 36
3.1.4 超大容量 36
3.1.5 典型应用 36
3.2 NB-IoT模式 39
3.2.1 网络架构 40
3.2.2 部署模式 41
3.2.3 双工模式 43
3.3 NB-IoT频段 43
3.4 NB-IoT信道 44
3.4.1 下行信道 44
3.4.2 上行信道 45
3.5 NB-IoT覆盖 47
3.5.1 覆盖增强手段 47
3.5.2 覆盖增强等级 48
3.6 NB-IoT功耗 48
3.6.1 降低功耗机制 49
3.6.2 PSM降低功耗 49
3.6.3 eDRX降低功耗 51
3.7 NB-IoT演进增强 51
3.7.1 定位增强 51
3.7.2 多播功能 52
3.7.3 移动性增强 52
3.7.4 语音支持 52
第4章 NB-IoT物理层 53
4.1 物理层概述 53
4.2 物理信号 54
4.2.1 NPSS 54
4.2.2 NSSS 55
4.2.3 NRS 55
4.3 NPBCH 56
4.4 NPDCCH 58
4.4.1 NPDCCH搜索空间 59
4.4.2 NPDCCH盲检次数 62
4.4.3 NPDCCH格式（DCI） 64
4.4.4 NPDCCH配置 65
4.5 NPDSCH 66
4.5.1 NPDSCH时频资源 66
4.5.2 NPDSCH时域重复 66
4.6 NPRACH 67
4.6.1 NPRACH跳频 68
4.6.2 NPRACH格式 69
4.6.3 NPRACH配置 70
4.6.4 MSG3调度 72
4.7 NPUSCH 73
4.7.1 NPUSCH子载波 73
4.7.2 NPUSCH格式 75
4.7.3 NPUSCH配置 77
4.7.4 DM-RS 78
4.8 发送GAP 79
4.8.1 DL发送GAP 79
4.8.2 UL发送GAP 80
第5章 NB-IoT基本过程 81
5.1 NB-IoT移动性管理过程 81
5.1.1 小区重选简化 81
5.1.2 小区选择准则 81
5.1.3 小区测量准则 82
5.1.4 小区重选准则 82
5.2 RRC连接管理过程 83
5.2.1 NB-IoT协议栈 83
5.2.2 RRC状态变化 84
5.2.3 RRC消息列表 85
5.2.4 RRC连接建立过程 86
5.2.5 RRC连接暂停过程 88
5.2.6 RRC连接恢复过程 90
5.3 NB-IoT系统信息过程 92
5.3.1 系统信息分类 92
5.3.2 MIB-NB信息调度 93
5.3.3 SIB1-NB信息调度 93
5.3.4 SIBx-NB信息调度 95
5.3.5 SIBx-NB信息更新 96
5.4 NB-IoT随机接入过程 97
5.4.1 随机接入等级 97
5.4.2 随机接入时序 98
5.4.3 随机接入步骤 99
5.5 NB-IoT附着过程 103
5.6 NB-IoT多载波配置 105
5.6.1 NB-IoT载波类型 105
5.6.2 Anchor PRB配置 106
第6章 NB-IoT数据传输 108
6.1 数据传输概述 108
6.2 SMS数据传输过程 110
6.2.1 附着过程中单次SMS数据包传输 110
6.2.2 附着过程后多次SMS数据包传输 112
6.3 EPS控制面数据传输 113
6.3.1 EPS控制面数据传输概述 113
6.3.2 终端触发控制面数据传输过程 114
6.3.3 寻呼触发控制面数据传输过程 116
6.4 EPS用户面数据传输 117
6.4.1 传统LTE用户面数据传输过程 117
6.4.2 EPS用户面优化数据传输过程 118
6.4.3 EPS用户面优化失败回落过程 120
6.5 NB-IoT数据调度过程 121
6.5.1 下行数据调度 121
6.5.2 上行数据调度 125
6.5.3 SR、BSR和DV 131
6.5.4 链路自适应（LA） 134
6.6 NB-IoT功率管理过程 136
6.6.1 上行功率控制 136
6.6.2 功率余量报告 138
6.6.3 下行功率分配 138
第7章 NB-IoT消息解析 139
7.1 系统信息解析 139
7.1.1 MIB-NB 139
7.1.2 SIB1-NB 140
7.1.3 SIB2-NB 141
7.1.4 SIB3-NB 144
7.1.5 SIB4-NB 145
7.1.6 SIB5-NB 145
7.1.7 SIB14-NB 146
7.2 MAC层消息解析 146
7.2.1 DCI Format N0 147
7.2.2 DCI Format N1 147
7.2.3 Random Access Response 147
7.3 RRC消息解析 148
7.3.1 RRC Connection Request 148
7.3.2 RRC Connection Setup 149
7.3.3 RRC Connection Setup Complete 151
7.3.4 DL Information Transfer 151
7.3.5 UL Information Transfer 152
7.3.6 RRC Connection Release 152
7.4 S1AP消息解析 153
7.4.1 Initial UE Message 153
7.4.2 Initial Context Setup Request 154
7.4.3 Initial Context Setup Response 157
7.4.4 Downlink NAS Transport 158
7.4.5 Uplink NAS Transport 159
7.4.6 Paging 160
7.4.7 UE Context Release Command 161
7.4.8 UE Context Release Complete 162
7.5 NAS消息解析 163
7.5.1 Attach Request 163
7.5.2 Authentication Request 173
7.5.3 NAS Security Mode Command 175
7.5.4 Activate Default EPS Bearer Context Request 176
7.5.5 Detach Request 179
7.5.6 Control Plane Service Request 181
7.5.7 Data Transport 183
7.6 终端能力消息解析 187
7.6.1 UE Capability Enquiry 188
7.6.2 UE Capability Information 188
附录A 缩略语 190
附录B IETF-RFC规范 197
附录C 3GPP规范 198
附录D GSMA规范 200
参考文献 203

前    言
当前移动通信技术的发展日新月异，4G-LTE演进部署正当其时，5G及NB-IoT物联网技术又要登场，尽管目前很多私有的采用非授权频谱的物联网技术已经发展应用了很多年，但都不温不火，没有爆发大规模商用。但是随着3GPP主导的、能可靠运营的、电信级的、具备统一开放标准的NB-IoT物联网技术在2016年年底横空出世，并很快后来居上，大有一统江湖之势，全球各大通信运营商、网络设备商和终端模块制造商及第三方物联网服务与应用提供方等共同掀起了大规模开发、测试和部署NB-IoT物联网的热潮。
目前图书市场上虽然有一些5G和物联网方面的图书出版，但是很少有专门论述NB-IoT技术的书籍。正是在这样的背景之下，本书编著者抓住了这个市场热点和图书出版需求，基于3G/4G-LTE移动通信行业的丰富经验和当前从事NB-IoT开发测试工作的基础上，决心总结编写一部重点论述NB-IoT物联网技术的书籍，同时也兼顾介绍5G标准与关键技术以及其他各类非授权频谱的私有物联网技术，以期满足广大从事NB-IoT物联网技术的相关人员的迫切需求。
本书采用以点带面、点面结合的方法，既概述了当前5G的标准进展、核心指标要求、关键技术与应用场景，又总结了当下流行的各类物联网技术及其发展应用，最后重点深入论述3GPP主导的NB-IoT物联网技术的实现原理、基本过程、数据传输和消息解读，而非泛泛而谈或简单翻译协议，特别适合当前从事NB-IoT技术系统设计、开发与集成测试及网络维护相关人员参考阅读或查询比对。更重要的是，读者能在一本书中尽览最新的5G标准与关键技术，及各种物联网技术和NB-IoT技术的详解。本书附录中对英文缩略语进行了中文翻译，其中部分词汇没有统一表达，此处仅供参考。
本书由电子工业出版社出版发行，是对编著者多年移动通信行业的工作积累的肯定，在此特别感谢电子工业出版社的策划编辑曲昕女士，以及出版社其他相关排版、设计、审稿人员的大力支持和辛勤付出。另外，还要感谢家人给予的鼓励和支持。
尽管编著者已经尽力将出错的概率降到最小，但错漏之处仍在所难免。如果发现本书有任何错漏的地方，欢迎广大读者批评指正，不胜感激！

江林华       
2018年1月8日于北京