IoT

物联网的定义是：由嵌入传感器、软件、网络连接的物理设备（如车辆、家电等）组成的网络，可收集、共享数据（IBM 定义）。

本章节将会从下行控制信道、上行链路机制、

工业IoT（Industrial IoT IIoT）

工业物联网指的是诸如工厂自动化、电力分配以及交通行业等应用场景。核心需求是低延迟、高可靠性

5G NR基于如下的方案，实现了低延迟高可靠性的需求：

传输不局限于时隙边界（“迷你时隙传输”），缩短调度时延；
前端加载设计 + 快速处理要求，保障低时延；
下行链路抢占机制：允许一个设备的持续传输被另一个延迟敏感的传输覆盖；
可配置的鲁棒的 MCS 和 CQI 表（牺牲频谱效率换传输鲁棒性）；
数据冗余与多站点连接提升可靠性。

为进一步支撑 IIoT 的严苛需求，Rel-16/17 引入多项增强：

上行抢占扩展：支持不同设备间的上行传输抢占；
上行同设备抢占优化；
配置授权增强：允许多配置并按流量流控制；
PUSCH 增强：优化时域资源分配以降低时延；
PDCCH 增强：支撑其他特性的调度需求；
多连接与 PDCP 冗余：提升传输鲁棒性；
时间敏感网络（TSN）：设备间 tight 时间同步，严控时延抖动；
非授权频谱支持：在可控环境下为 URLLC 提供非授权频谱能力；
混合 ARQ 和 CSI 反馈增强：优化重传与信道状态报告。

这些虽然是5G的特征，但是不会在普通的基站中或者普通的手机中包含。

下行控制信道（Downlink Control Channels）

为降低时延、支撑 URLLC，下行控制信道做了以下优化：

监控频率提升：可配置为每秒钟域符号监控（极端场景下远高于 “每时隙监控”）。

DCI 增强：

下行调度：DCI 格式 1_1 可选 “优先级指示符”（区分 “普通 / 高” 优先级下行流量），用于控制上行反馈（如 ACK 或上行传输）的处理优先级；
冲突解决：当下行 PDSCH 传输与 DCI 触发的上行反馈 / CSI 报告冲突时，通过 DCI 中的优先级信息解决冲突。

上行调度增强：DCI 格式 0_1 新增 / 扩展字段，如：

开环功率控制（选预配置参数实现功率提升）；
PUSCH 优先级指示符；
时域资源分配表扩展（含重复次数字段）；
无效符号模式指示符（控制 RRC 配置的无效符号模式是否生效）。

但是5G对物联网支持的重点在上行链路上。

支撑物联网的上行链路

上行抢占（Uplink Pre-emption）

蜂窝系统中不同业务优先级不同（如 IIoT 业务时延要求远高于普通业务），调度器需区分处理，上行抢占（Uplink Pre-emption） / 取消（Uplink Cancellation）是核心机制：

上行链路抢占允许对延时敏感的下行链路可以在任意资源块上传输，被抢占的传输由接收的重传机制处理，例如HARQ。抢占由调度器（Scheduler）主导。

（不要问我为什么上行链路抢占是下行链路可以在任意资源块传输，他他妈的PPT就这么写的）

如果高优先级和低优先级流量来自于同一设备，则由上行链路冲突解决机制（uplink collision resolution）处理。

如果高优先级和低优先级流量来自不同的设备，那高优先级流量就会抢占。Rel 16 增加了对设备间上行抢占的支持，即用于控制这种干扰情况的机制。定义了两种机制：

取消（uplink cancellation）：低优先级传输被取消（抑制）；
功率增强（Power boosting）：高优先级传输使用的功率水平高于在没有抢占情况下使用的功率水平

上行链路取消

上行链路取消是通过在DCI 格式 2_4传输 “取消指示符”来实现的。例如下面这个例子：

Device2已经发起了一个发起低优先级上行传输，device1此时要发起优先级更高的传输。基站会通过上行调度授权（Uplink scheduling grant）给device2发送上行取消的信令，再给device1发送Uplink scheduling grant，让它先传输。

上行取消需要提前一点点时间告诉基站它要传输，来执行取消操作。

上行功率增强

设备会被配置最多三个开环功率控制参数 (P_0)（用于 PUSCH 传输）。其中一个 (P_0) 对应 “正常传输功率”，其他 (P_0) 值被配置为 “比正常情况更高的传输功率”。调度 DCI（下行控制信息）会指示设备使用哪个 (P_0)，网络可动态为高优先级设备选择功率提升的 (P_0)，从而减少时频资源分配冲突的影响，保障高优先级传输被正确接收。

下图是上行功率增强的一个例子，当DCI指示设备用更高功率的信号去抢占传输时，device2的数据大概率会失败（除非基站使用干扰消除接收机），但由于这类流量的重要性较低，可通过 Hybrid-ARQ）重传机制来弥补。

功率增强无需设备接收 “取消指示” 即可实现，即，对不支持高优先级业务的设备无额外功能要求（利于现有网络升级）。

但它存在局限性：部分IoT设备可能没有这么强的功率来执行提升；其他设备的干扰仍然存在。

PUSCH 资源分配增强（PUSCH Resource Allocation Enhancements）

核心机制：“迷你时隙传输（mini-slot transmission）”：为了减少整体时延，PUSCH 支持仅使用时隙的一部分进行上行数据传输。但传输不能跨时隙边界，因此有时需将传输推迟到下一个时隙或缩短时长。

多连接与 PDCP 冗余（Multi-connectivity with PDCP duplication）

为提升可靠性，5G 支持PDCP 层数据冗余传输（同一下行数据由不同基站发送多次），且 PDCP 层的重复检测机制会自动移除重复包。类似于分集传输，增强系统的多样性。

时间敏感网络的时间同步（Time synchronization for time-sensitive networks）

TSN 是一类对时间精度要求极高的通信网络，网络节点需对时间有一致的理解，数据包需在时间预算内交付。需注意的是，TSN 要求的不是 “超低时延”，而是 “低时延抖动” 和 “公共时间基准”。

为了在 5G 网络中支持 TSN，需引入功能以提供高精度时间基准（无线侧精度需达到 0.5μs 或更低）。

设备获取高精时间过程（系统绝对时间）：

gNB 发送 RRC 消息，携带 “未来某个系统帧结束时的绝对时间”（对应特定系统帧号）。
消息内容会补偿发射机的内部处理时延，确保消息中的绝对时间代表 “基站天线连接器处未来系统帧号结束时的时间”。
设备或基站都可以补偿传播时延：设备收到消息后，可补偿传播时延（传播时延的估计可来自设备已有的定时提前量，或更高精度的往返时间测量），从而确定绝对时间基准；传播时延的补偿也可由 gNB 侧处理。

精简能力设备（RedCap）

RedCap设备是低成本、低复杂度的 5G NR 设备，通过削减部分功能实现成本优化，同时性能优于 eMTC/NB-IoT，低于普通 NR 设备。

其可工作在成对频谱和非成对频谱，支持 FR1（Sub-6GHz）和 FR2（毫米波）；下行峰值速率约 85 Mbit/s、50 Mbit/s，上行 240 Mbit/s（高于 eMTC/NB-IoT，低于普通 NR 设备）。

它的技术特性有：

带宽缩减与初始接入

带宽限制：FR1 下最大 20MHz，FR2 下最大 100MHz；
同步信号（SSB）：与普通 NR 设备相同（区别于 LTE IoT 设备需单独的系统信息传输）；
Initial BWP：可针对 RedCap 设备配置专属初始 BWP（因带宽更小）；
随机接入前导码：可配置 RedCap 专属前导码，便于网络识别 RedCap 设备。

单分支接收天线与调制

天线配置：NR 设备至少需 2 根天线，但 RedCap 可选配单天线，降低成本与处理复杂度；
调制方式：无需支持 256 QAM（普通 NR 支持，RedCap 通过削减高阶调制进一步简化）。

半双工 FDD（Half-duplex FDD）：FDD RedCap 设备可仅支持半双工操作。这样无需双工滤波器，通过开关隔离收发器（对比全双工 FDD 需双工滤波器分离收发信号），大幅降低硬件成本与设计复杂度。

非地面网络（Non-Terrestrial Networks NTN）

3GPP 定义非地面网络为：在地球表面之上运行的通信网络，高度在 8 公里～50 公里之间（比如气球），以及 500 公里以上（比如卫星）。

NTNs 因为运行在地球表面之上，有很多特性需要和地面网络做适配，主要包括以下几点：

空 / 天载体的移动性只有地球静止轨道（GEO）卫星相对地面较稳定，低轨（LEO）、中轨（MEO）卫星都在高速移动。这会带来多普勒频移 / 变化、传播延迟变化更快等问题，因此需要增强波束管理—— 卫星网络可基于卫星星历（轨道预测信息）和用户设备（UE）的位置 / 移动信息，判断卫星对 UE 的覆盖效果。
高度（Altitude）卫星运行的高度远高于地面基站，这会导致时延更长（地面网络时延通常 < 1ms，GEO 卫星时延可达数百毫秒）。这种时延会影响随机接入信道（RACH）、定时提前、混合自动重传请求（HARQ）、功率控制、MAC/RLC 层等机制；同时还会影响上行链路预算（link budget，指传输功率）。
小区尺寸（Cell Sizes）NTNs 的小区尺寸比地面网络大得多，这会导致传播延迟变化更大、远近效应更明显（远处 UE 信号弱，近处 UE 信号强，容易互相干扰）。
对流层影响（Tropospheric impacts）主要影响 6GHz 以上的频段，比如信号吸收，在高频（>10GHz）和低仰角场景下更显著（对流层是大气层的下部，高度～0-12km）。
电离层影响（Ionospheric impacts）主要影响 6GHz 以下的频段，涉及信号折射、吸收等效应，且和纬度有关（电离层是大气层的上部，高度～80km 以上，太阳辐射使该区域形成等离子层）。

卫星基础

针对不同轨道的卫星，它的关键参数有：

仰角（Elevation angle）：用户终端地平线（用户位置处地球半径的切线）与 UE 和星载站连线的夹角。最小仰角是 UE 视角下能看到卫星的最低角度。
卫星高度（Satellite altitude/orbit altitude）：中轨卫星的高度定义为 “平均海平面到卫星轨道垂直方向的距离”。
倾角（Inclination angle）：地球赤道与卫星轨道椭圆之间的夹角。
斜距（Slant）：卫星与 UE 之间的直线距离（假设 UE 位于覆盖边缘，且处于最小仰角下）。
覆盖区域（Coverage surface）：卫星的高度和仰角共同定义了地球表面的覆盖区域，即 “视场（FoV）”。

这些参数所代指的图示如下

卫星轨道主要分为低轨（Low earth orbit LEO）、中轨（Medium earth orbit MEO）、地球静止轨道（Geostationary earth orbit GEO）、高椭圆轨道（High elliptical orbit HEO），还有高空气球平台（High altitude platform systems HAPS），各自特性如下：

低轨卫星（Low Earth Orbit, LEO）

轨道参数：高度约 500~2000km，运行速度约 28000km/h，轨道周期约 90 分钟。
核心优势：往返时延（RTT）典型值 < 30ms，接近地面网络；卫星尺寸小（周长通常 < 1 米，甚至是纳米卫星，重量 < 500kg）；波束覆盖范围 100~1000km。
不足：运行环境恶劣（仍有大气气体影响），生命周期通常 < 10 年。

中轨卫星（Medium Earth Orbit, MEO）

轨道参数：高度约 7000~25000km，运行速度约 13800km/h，轨道周期约 6~12 小时。
覆盖特性：波束覆盖范围与 LEO 星座类似。

地球静止轨道卫星（Geostationary Earth Orbit, GEO）

轨道参数：赤道上空 35786km，运行速度 11070km/h，轨道周期与地球自转周期一致（1 天），因此相对于地面某点的仰角和方位角固定。
覆盖与时延：波束覆盖范围差异大（窄波束约 200km，大波束可达 4000km）；但因距离远，RTT 约 544ms，时延较高。

高椭圆轨道卫星（High Elliptical Orbit, HEO）

轨道形态：椭圆轨道。
现状：在 3GPP 非地面网络（NTN）当前版本中暂未被考虑。

高空气球平台（High Altitude Platform Systems, HAPS）

载体类型：涵盖飞机、气球、直升机、无人机（UAV）等 airborne 设备。
高度与时延：运行高度灵活（数百米～15km）；波束覆盖直径数公里～100km，因距离近，RTT 可达地面网络级别（数毫秒）。
应用场景：热点区域覆盖、系统短期恢复与 connectivity 重建。

卫星通信

卫星链路

卫星的链路主要有三种：卫星间链路（Inter-satellite link）；与UE间的服务链路（Service Link）；与地面基站间的馈电链路（Feeder Link）

卫星数据载荷

卫星通信中，有两种数据载荷，一种叫透明载荷（Transparent Payload）（有时也称 “弯管载荷 Bent Pipe”）；另一种是再生载荷（Regenerative Payloads）

透明载荷（Transparent Payload）：卫星仅作为 “放大 - 转发” 中继器。接收馈电链路（Feeder link）的信号后，进行放大、（可选）频率转换，再通过服务链路（Service link）转发；反向传输同理。

再生载荷（Regenerative Payloads）：卫星具备信号 “再生处理” 能力，可对接收信号进行解调、解码、重新编码、调制后再转发，类似地面基站的部分功能。3GPP将它称为“卫星上的gNB（the gNB onboard the satellite）”。这个gNB可以是一个DU+RU+CU的完整组合（下图左），也可以是DU+RU（下图右）。

由于再生载荷可以在卫星上直接解码、处理并重新编码信号，而不是简单地转发信号到地面站，它可以减少信号往返地面站的处理时间，提升链路效率，显著降低通信时延。

卫星下的波束

卫星通常通过大量波束覆盖目标区域，针对非静止卫星（如 LEO 卫星），波束有以下两种设计方式：

固定波束（Fixed beam）：卫星配备一组固定波束，但波束覆盖的 “足迹（footprint）” 会随卫星移动而持续移动。
可操纵波束（Steerable beam）：波束可被控制，使 “足迹” 在卫星覆盖范围内保持（近似）固定；当卫星离开覆盖范围时，波束调整到新区域，同时新卫星接管原区域的覆盖。

若单颗卫星的视场（FoV）无法实现全区域覆盖，可将多颗卫星及其波束分组为集群（clusters），通过多卫星协同实现大范围连续覆盖。

卫星的双工方式

卫星几乎不可用时分双工（TDD）：卫星 NTN 的传播时延极大，若采用 TDD，需要设置 “极端大的保护时间” 来避免上下行干扰，实际部署中不可行。

频分双工（FDD）为默认选择：卫星与终端之间的链路（卫星到设备、设备到卫星）采用频率分隔的 FDD 方式，通过不同频段区分上下行，规避时延带来的干扰问题。

卫星下的时间对齐

时延补偿

卫星与设备间的传播时延远大于地面链路，且时延会因卫星相对于设备的位置变化而显著波动。

设备需估计并预补偿卫星与自身之间的传播时延；若卫星是透明载荷，还需额外补偿 “卫星 - 地面站” 链路的传播时延（该时延对同一卫星下的所有设备相同，但会随卫星移动持续变化）。

为了使得设备可以对时延进行估计，会对设备提供星历数据（Ephemeris data）。星历数据作为 NTN 专属系统信息（SIB19）广播，格式可选开普勒轨道根数（Keplerian elements）或笛卡尔坐标系+速度分量的形式。

上下行时序对齐

地面网络中，上下行时序关系通过多种时隙偏移定义，例如：

DCI-to-PUSCH：动态调度的 PUSCH 上行时隙由 DCI 调度 grant 的时隙偏移 (K_2)（0~32 时隙）决定。
PDSCH-to-HARQ 反馈：HARQ 反馈上行时隙由时隙偏移 (K_1) 决定。
非周期 SRS 传输：SRS 上行时隙由触发 DCI 的时隙偏移决定。地面网络的传播时延小（最多数百微秒），因此上下行时序失配（DL/UL timing dis-alignment）通常小于 1 个时隙。

上下行时序关系的核心是：设备需在发送上行时隙前，先接收包含上行调度信息的下行时隙。即下行时隙的传输时机要早于对应上行时隙的发送时机，以保证设备有足够时间处理调度指令。

对于地面网络，基站与用户设备之间的传播时间通常最多只有100微秒。因此，下行/上行的时隙不对准，它们的差异大多数也在不到一个时隙的范围内。

然而，由于 NTN 传播时延大导致上下行时隙失配严重，会超越一个时隙。如下图所示。

早期版本的时序工具无法满足需求，因此引入参数(K_{\text{offset}})来修正，确保即使上下行时隙失配很大，设备仍能在发送对应上行时隙前接收下行时隙，保障上下行时序关系的有效性。

P2-6小练习

IIoT use cases usually has what kind of requirements? （b，工业物联网核心需求是低延迟高稳定）

a. High Latency & Low Reliability
b. Low Latency & High Reliability
c. Low Latency & High Throughput
d. High Throughput & High Reliability

When a device has a high priority uplink scheduling request, but another user has already been scheduled in the next slots. How can the network handle this request? （d，使用增强功率传输；c选项是错的是因为没有所谓设置高优先级的说法，必须要DCI去控制取消传输）

a. Schedule in the next available slot
b. Do not schedule
c. Set priority to high and schedule in next slot
d. Schedule in next slot with a higher power

What can be done to improve the reliability of the transmission? （d，数据包复制、多站点传输、鲁棒的 MCS 和 CQI 表均可提升传输可靠性）

a. Packet Duplication
b. Multi Site Transmission
c. Robust MCS & CQI Tables
d. All of the above

How many antennas can a RedCap device minimally support? （b，RedCap 设备支持单天线，而普通NR设备至少需要2根天线）

a. 0
b. 1
c. 2
d. 3

Where is the propagation delay compensated for in time synchronisation? （d，时间同步中，网络侧和设备侧都可以对传播延迟进行补偿）

a. Not compensated
b. Network Side
c. Device Side
d. Both b & c

Which of the following type of satellite has the largest Field of View? （c，这几个轨道中Geostationary（地球禁静止轨道）最高，所以最广）

a. Low Earth Orbit
b. Medium Earth Orbit
c. Geostationary
d. High Altitude Platform

What is an advantage of using regenerative payload? （a，再生载荷可对信号解调、重编码，从而降低时延）

a. Lower latency
b. Higher bandwidth
c. Larger field of view
d. Larger capacity

What is the usually duplexing mode for NTN? （b，NTN 因传播时延大，TDD 需极端保护时间不可行，故采用FDD）

a. Code Division Duplexing
b. Frequency Division Duplexing
c. Time Division Duplexing
d. Half Duplex FDD

Rank the following satellite orbits by their distance from Earth (increasing): 1.GEO, 2.LEO, 3.MEO （d，LEO 距离地球最近，MEO 次之，GEO 最远）

a. 1, 2, 3
b. 3, 2, 1
c. 3, 2, 1
d. 2, 3, 1

Satellite to device propagation time can be calculated using? （b，需结合星历数据（Ephemeris data）和设备位置来估计传播时间）

a. Device location only
b. Ephemeris data & device location
c. MIB
d. DM-RS