對于上行鏈路，NB-IoT定義了兩種物理信道：NPUSCH（窄帶物理上行共享信道）和NPRACH（窄帶物理隨機(jī)接入信道），還有上行解調(diào)參考信號（Demodulation Reference Signal，DMRS）。除了NPRACH之外，所有數(shù)據(jù)都通過NPUSCH傳輸。

　　NB-IoT上行使用SC-FDMA，考慮到NB-IoT終端的低成本需求，在上行要支持單頻（Single Tone）傳輸，子載波間隔除了原有的15kHz之外，還新定了3.75kHz的子載波間隔，共48個子載波。

　　當(dāng)采用15kHz子載波間隔時，資源分配和LTE一樣。當(dāng)采用3.75kHz的子載波間隔時，15kHz為3.75kHz的整數(shù)倍，對LTE系統(tǒng)干擾較小。由于下行的幀結(jié)構(gòu)與LTE相同，為了使上行與下行相容，子載波空間為3.75kHz的幀結(jié)構(gòu)中，一個時隙同樣包含7個Symbol，共2ms長，剛好是LTE時隙長度的4倍。

　　此外，NB-IoT系統(tǒng)中的采樣頻率（Sampling Rate）為1.92MHz，子載波間隔為3.75kHz的幀結(jié)構(gòu)中，一個符號（Symbol）的時間長度為512Ts，Ts為采樣時間（Sampling Duration），加上16Ts的循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）長度，共528Ts。因此，一個時隙包含7個Symbol再加上保護(hù)區(qū)間（Guard Period）共3840Ts，即2ms長。

　　1、NPRACH

　　NPRACH子載波間隔為3.75kHz，占用1個子載波，有前導(dǎo)碼格式0和前導(dǎo)碼格式1兩種格式，對應(yīng)66.7μs和266.7μs兩種循環(huán)前綴（CP）長度，對應(yīng)不同的小區(qū)半徑。1個符號組（Symbol group）包括1個CP和5個符號，4個Symbol Group組成1個NPRACH信道，如下圖。

　　NPRACH信道通過重復(fù)獲得覆蓋增強(qiáng)，重復(fù)次數(shù)可以是{1,2,4,8,16,32,64,128}。

　　隨機(jī)接入過程是UE從空閑態(tài)獲取專用信道資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫B接態(tài)的重要手段。在NB-IoT中沒有了同步狀態(tài)下的SR流程對于調(diào)度資源的申請，NB-IoT主要靠隨機(jī)接入流程申請調(diào)度資源。隨機(jī)接入使用3.75kHz子載波間隔，同時采取在單子載波跳頻符號組的方式發(fā)送不同循環(huán)前綴的前導(dǎo)碼（Preamble）。它由5個相同的OFDM符號與循環(huán)前綴拼接而成。隨機(jī)接入前導(dǎo)序列只在前面加循環(huán)前綴，而不是在每個OFDM符號前都加（如NB-IoT的 NPUSCH上行共享信道），主要原因是其并不是多載波調(diào)制，因此不用通過循環(huán)前綴來CCP保持子載波之間的正交性，節(jié)省下CP的資源可以承載更多的前導(dǎo)碼信息，基站側(cè)通過檢測最強(qiáng)路徑的方式確認(rèn)隨機(jī)接入前導(dǎo)碼。隨機(jī)接入前導(dǎo)碼包含兩種格式，兩種格式的循環(huán)前綴不一樣，前導(dǎo)碼參數(shù)配置如下表。

　　一個前導(dǎo)碼（Preamble）包含了4個符號組，通過一系列的時頻資源參數(shù)配置，隨機(jī)接入前導(dǎo)碼占據(jù)預(yù)先分配的時頻資源進(jìn)行傳輸。UE通過解讀SIB2-NB消息獲取這些預(yù)配置參數(shù)，如下圖。

　　假設(shè)nprach-Periodicity=1280ms，那么發(fā)起隨機(jī)接入的無線幀號應(yīng)該是128的整倍數(shù)，即0,128,256…，當(dāng)然這個取值越大，隨機(jī)接入延遲越大，但是這對于物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT來說并不太敏感。窄帶物聯(lián)網(wǎng)終端更需要保證的是數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性，對于延遲可以進(jìn)行一定的容忍。 nprach-StartTime決定了具體的起始時刻，假設(shè)prach-StartTime=8，那么前導(dǎo)碼可以在上述無線幀的第4號時隙上發(fā)送（8ms/2ms=4）。這兩組參數(shù)搭配取值也有一定的潛規(guī)則，如果 nprach-Periodicity取值過小，nprach- StartTime取值過大，建議可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

　　一個前導(dǎo)碼占用4個符號組，假設(shè)numRepetitionsPerPreamble Attempt=128（最大值），這就意味著前導(dǎo)碼需要被重復(fù)傳遞128次，這樣傳輸前導(dǎo)碼實(shí)際占用時間為4×128×（TCP+TSEQ）TS（時間單位），而協(xié)議規(guī)定，每傳輸4X64（TCP+TSEQ）TS，需要加入40×30720Ts間隔（36.211R1310.1.6.1），假設(shè)采取前導(dǎo)碼格式0進(jìn)行傳輸，那么傳輸前導(dǎo)碼實(shí)際占用時間為796.8ms，相比LTE的隨機(jī)接入，這是一個相當(dāng)大的時間長度，物聯(lián)網(wǎng)終端隨機(jī)接入需要保證用戶的上行同步請求被正確解碼，而對于接入時延來講依然不那么敏感。

　　頻域位置分配給前導(dǎo)碼的頻域資源不能超過頻域最大子載波數(shù)，即prach-SubcarrierOffset+prach-NumSubcarriers<=48，超過48則參數(shù)配置無效。這兩個參數(shù)決定了每個符號中NPRACH的起始位置，NPRACH采取在不同符號的不同單子載波跳頻，但是有一個限制條件，就是在起始位置以上的12個子載波內(nèi)進(jìn)行跳頻。

　　nprach-NumCBRA-StartSubcarriers和nprach-SubcarrierMSG3-RangeStart這兩個參數(shù)決定了隨機(jī)過程競爭階段的起始子幀位置，如果prach-SubcarrierMSG3-RangeStart取值為1/3或者2/3，那么指示UE網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持multi-tone方式的msg3傳輸。

　　UE在發(fā)起非同步隨機(jī)接入之前，需要通過高層獲取NPRACH的信道參數(shù)配置。在物理層的角度看來，隨機(jī)接入過程包含發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼和接收隨機(jī)接入響應(yīng)兩個流程。其余的消息，比如競爭解決及響應(yīng)（msg3，ms4），認(rèn)為在共享信道傳輸，因此不認(rèn)為是物理層的隨機(jī)接入過程。

　　2、NPUSCH

　　NPUSCH用來傳送上行數(shù)據(jù)以及上行控制信息。NPUSCH傳輸可使用單頻或多頻傳輸。

　　NPUSCH上行子載波間隔有3.75kHz和15kHz兩種，上行有兩種傳輸方式：單載波傳輸（Singleton）、多載波傳輸（Multitone），其中Singleton的子載波帶寬包括3.75kHz和15kHz兩種，Multitone子載波間隔為15kHz，支持3、6、12個子載波的傳輸。

　　如果子載波間隔是15kHz，那么上行包含連續(xù)12個子載波；如果子載波間隔是3.75kHz，那么上行包含連續(xù)48個子載波。對于通過OFDM調(diào)制的數(shù)據(jù)信道，如果在同樣的帶寬下，子載波間隔越小，相干帶寬越大，那么數(shù)據(jù)傳輸抗多徑干擾的效果越好，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男示透摺．?dāng)然，考慮到通過快速傅里葉逆變換（IFFT）的計(jì)算效率，子載波也不能設(shè)置得無限小。同時，也要考慮與周圍LTE大網(wǎng)的頻帶兼容性，選取更小的子載波也需要考慮與15kHz子載波間隔的兼容性。當(dāng)上行采取Singleton模式3.75kHz帶寬傳輸數(shù)據(jù)時，物理層幀結(jié)構(gòu)最小單位為基本時長2ms時隙，該時隙與FDD LTE子幀保持對齊。每個時隙包含7個OFDM符號，每個符號包含8448個Ts（時域采樣），其中這8448個Ts含有256Ts個循環(huán)校驗(yàn)前綴（這意味著IFFT的計(jì)算點(diǎn)數(shù)是8448-256=8192個，恰好是2048（15kH）的4倍），剩下的時域長度（2304Ts）作為保護(hù)帶寬。Singleton和Multitone的15kHz模式與FDD LTE的幀結(jié)構(gòu)是保持一致的，最小單位是時長為0.5ms的時隙。而區(qū)別在于NB-IoT沒有調(diào)度資源塊，Singleton以12個連續(xù)子載波進(jìn)行傳輸，Multitone可以分別按照3、6、12個連續(xù)子載波分組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　相比LTE中以PRB作為基本資源調(diào)度單位，NB-IoT的上行共享物理信道 NPUSCH的資源單位是以靈活的時頻資源組合進(jìn)行調(diào)度的，調(diào)度的基本單位稱作資源單位（Resource Unit，RU）。 NPUSCH有兩種傳輸格式，其對應(yīng)的資源單位不同，傳輸?shù)膬?nèi)容也不一樣。NPUSCH格式1用來承載上行共享傳輸信道UL-SCH，傳輸用戶數(shù)據(jù)或者信令，UL-SCH傳輸塊可以通過一個或者幾個物理資源單位進(jìn)行調(diào)度發(fā)送。所占資源單位包含Singleton和Multitone兩種格式。

　　NPUSCH格式2用來承載上行控制信息（物理層），例如ACK/NAK應(yīng)答。根據(jù)3.75kHz、8ms或者15kHz、2ms分別進(jìn)行調(diào)度發(fā)送。

　　Singleton和Mulittone的RU（Resource Unit，資源單位）定義如下，調(diào)度RU數(shù)可以為{1,2,3,4,5,6,8,10}，在NPDCCH NO中指示。

　　NPUSCH采用低階調(diào)制編碼方式MCSO～11，重復(fù)次數(shù)為{1,2,4,8,16,32,64,128}。

　　NB-IoT沒有特定的上行控制信道，控制信息也復(fù)用在上行共享信道（NPUSCH）中發(fā)送。所謂的控制信息指的是與NPDSCH對應(yīng)的ACK/NAK的消息，并不像LTE大網(wǎng)那樣還需要傳輸表征信道條件的CSI以及申請調(diào)度資源的SR（Scheduling Request）。

　　（1）對于NPUSCH格式1

　　當(dāng)子載波間隔為3.75kHz時，只支持單頻傳輸，一個RU在頻域上包含1個子載波，在時域上包含16個時隙，所以，一個RU的長度為32ms。

　　當(dāng)子載波間隔為15kHz時，支持單頻傳輸和多頻傳輸，一個RU包含1個子載波和16個時隙，長度為8ms；當(dāng)一個RU包含12個子載波時，則有2個時隙的時間長度，即1ms，此資源單位剛好是LTE系統(tǒng)中的一個子幀。資源單位的時間長度設(shè)計(jì)為2的冪次方，是為了更有效地運(yùn)用資源，避免產(chǎn)生資源空隙而造成資源浪費(fèi)。

　　（2）對于 NPUSCF格式2

　　RU總是由1個子載波和4個時隙組成的，所以，當(dāng)子載波間隔為3.75kHZ時，一個RU時長為8ms；當(dāng)子載波空間為15kHz時，一個RU時長為2ms。

　　對于NPUSCH格式2，調(diào)制方式為BPSK。

　　對于NPUSCE格式1，在包含一個子載波的RU情況下，采用BPSK和QPSK調(diào)制方式；其他情況下，采用QPSK調(diào)制方式。

　　由于一個TB可能需要使用多個資源單位來傳輸，因此在NPDCCH中接收到的Uplink Grant中除了指示上行數(shù)據(jù)傳輸所使用的資源單位的子載波的索引（Index）之外，也會包含一個TB對應(yīng)的資源單位數(shù)目以及重傳次數(shù)指示。

　　NPUSCH格式2是NB-IoT終端用來傳送指示NPDSCH有無成功接收的HARQ-ACK/NACK，所使用的子載波的索引（Index）是在由對應(yīng)的NPDSCH的下行分配（Downlink Assignment）中指示的，重傳次數(shù)則由RRC參數(shù)配置。

　　NPUSCH目前只支持天線單端口，NPUSCH可以包含一個或者多個RU。這個分配的RU數(shù)量由NPDDCH承載的針對NPUSCH的DCI格式N0（format N0）來指明。NPUSCH采取“內(nèi)部切片重傳”與“外部整體重傳”的機(jī)制保證上行信道數(shù)據(jù)的可靠性。對于格式2承載的一些控制信息，由于數(shù)據(jù)量較小，未采取內(nèi)部分割切片的方式，而是數(shù)據(jù)NPUSCH承載的控制信息傳完以后再重復(fù)傳輸以保證質(zhì)量。NPUSCH在傳輸過程中需要與NPRACH錯開，NPRACH優(yōu)先度較高，如果與NPRACH時隙重疊，NPUSCH需要延遲一定的時隙再傳輸。在傳輸完NPUSCH或者NPUSCH與NPRACH交疊需要延遲256ms傳輸，需要在傳輸完NPUSCH或者 NPRACH之后加一個40ms的保護(hù)間隔，而被延遲的NPUSCH與40ms保護(hù)間隔交疊的數(shù)據(jù)部分則認(rèn)為是保護(hù)帶的一部分。

　　NPUSCH具有功率控制機(jī)制，通過“半動態(tài)”調(diào)整上行發(fā)射功率使得信息能夠成功在基站側(cè)被解碼。上行功控的機(jī)制屬于“半動態(tài)”調(diào)整的方式，與LTE功控機(jī)制類似，是由于在功控過程中，目標(biāo)期望功率在小區(qū)級是不變的，UE通過接入小區(qū)或者切換至新小區(qū)的重配消息來獲取目標(biāo)期望功率，功控中進(jìn)行調(diào)整的部分只是路損補(bǔ)償。UE需要檢測NPDCCH中的UL grant以確定上行的傳輸內(nèi)容（NPUSCH格式1/2或者M(jìn)sg3），不同內(nèi)容路損的補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整系數(shù)有所不同，同時上行期望功率的計(jì)算也有差異。上行功控以時隙作為基本調(diào)度單位，值得注意的是，如果NPUSCH的RU重傳次數(shù)大于2，那么意味著此時NB-IoT正處于深度覆蓋受限環(huán)境，上行信道不進(jìn)行功控，采取最大功率發(fā)射時，該值不超過UE的實(shí)際最大發(fā)射功率能力。對于Class3，UE最大發(fā)射功率能力是23dBm；對于Class5，UE最大發(fā)射功率能力是20dBm。

　　3、DMRS

　　不同格式的RU對應(yīng)產(chǎn)生不同的解調(diào)參考信號。主要按照N BU/SC=1（一個RU包含的子載波數(shù)量）和N RU/SC>1兩類來計(jì)算。另外 NPUSCH兩種格式的解調(diào)參考信號也不一樣，格式1每個NPUSCH傳輸時隙包含一個解調(diào)參考信號，而格式2每個傳輸時隙則包含3個解調(diào)參考信號。這種設(shè)計(jì)的原因是承載控制信息的NPUSCH的RU中空閑位置較多，而且分配給控制信息的RU時域資源相對較少，因此每個傳輸時隙通過稍多的解調(diào)參考信號進(jìn)行上行控制信息的解調(diào)保障。對于包含不同子載波的RU而言，可以參考Singleton與Multitone分類，需要保證每個子載波至少有一個DMRS參考信號以確定信道質(zhì)量，同時DMRS的功率與所在NPUSCH信道的功率保持一致。對于Multitone中如何生成參考信號，既可以通過解讀系統(tǒng)消息SIB2-NB中的NPUSCH-ConfigCommon-NB信息塊中的參數(shù)（可選）獲取，也可以根據(jù)小區(qū)ID通過既定公式計(jì)算獲取。解調(diào)參考信號可以通過序列組跳變（Group hopping）的方式避免不同小區(qū)間上行符號的干擾。序列組跳變并不改變DMRS參考信號在不同子幀的位置，而是通過編碼方式的變化改變DMRS參考信號本身。

　　對于N BU/SC=1的RU，RU內(nèi)部的每個時隙中的序列組跳變是一樣的；而對于N RU/SC>1的RU，RU內(nèi)部每隔偶數(shù)時隙的序列組的計(jì)算方式就要重新變化一次。DMRS映射到物理資源的原則是確保RU內(nèi)每個時隙的每個子載波至少有一個參考信號。這個也很好理解，通俗來說就是保證每個時隙上的子載波能夠被正確解調(diào)，同時又不由于過多地分配DMRS導(dǎo)致資源消耗太多，物理層設(shè)計(jì)的時候也進(jìn)行了相應(yīng)的權(quán)衡。當(dāng)然在物理資源映射分配上格式1與格式2的DMRS還是有些差異。格式1在每個時隙每個子載波上只分配1個DMRS參考信號，格式2在每個時隙每個子載波上分配3個DMRS參考信號。

　　NB-IoT上行SC-FDMA基帶信號對于單子載波RU模式需要區(qū)分是BPSK還是QPSK模式，即基于不同的調(diào)制方式和不同的時隙位置進(jìn)行相位偏置。這一點(diǎn)與LTE是不同的，LTE上行的SC-FDMA主要是由于考慮到終端上行的PAPR問題采取在IFFT前加離散傅里葉變換（DFT），同時分配給用戶頻域資源中不同子載波的功率是一樣的，這樣PAPR問題得到了有效的緩解。而對于NB-IoT而言，一個NPUSCH可以包含多個不同格式的RU，一個終端可能同時包含發(fā)射功率不同的多個 NPUSCH，這樣會使得PAPR問題凸顯，因此通過基于不同調(diào)制方式數(shù)據(jù)的相位偏置可以進(jìn)行相應(yīng)的削峰處理，同時又不會像簡單的clipping技術(shù)一樣使得頻域旁瓣發(fā)生泄漏，產(chǎn)生帶外干擾。