2、物理层设计：下行OFDMA与上行SC-FDMA、子载波间隔、时隙结构与资源单元

好，咱们进入第二章。这一章聊的是NB-IoT物理层的核心设计。说白了，就是数据在空口上到底怎么传的。

我刚开始接触NB-IoT时，有个困惑：为什么下行用OFDMA，上行却用SC-FDMA？这不是多此一举吗？后来踩过坑才明白——这里面全是工程上的权衡。

2.1 下行OFDMA：为什么选它？

OFDMA，正交频分多址。这个名字听着唬人，其实原理很简单：把整个频带切成很多小份，每个用户分几份用。

NB-IoT下行带宽只有180kHz，但依然用了OFDMA。为什么？两个原因：

• 抗多径能力强——OFDM天生对多径衰落不敏感，加个循环前缀（CP）就能搞定大部分问题
• 频域调度灵活——基站可以根据信道质量，给不同用户分配不同的子载波

我记得有个项目，终端放在地下室，信号弱得可怜。换成OFDMA后，靠着频域调度，硬是把误码率降下来了。嗯，这里要注意：OFDMA的峰均比（PAPR）偏高，但下行是基站发，基站不差那点功耗，所以没问题。

2.2 上行SC-FDMA：终端省电是关键

上行就不一样了。终端是电池供电的，功耗是命门。

SC-FDMA，单载波频分多址。它和OFDMA最大的区别是：峰均比低。

你想想看，终端发射功率本来就有限，如果峰均比高，功放就得留余量，效率就低。SC-FDMA的峰均比比OFDMA低2-3dB，这意味着同样的电池容量，能多传不少数据。

我曾经帮一个水表厂商做测试，他们原来用OFDMA上行，电池半年就得换。改成SC-FDMA后，直接撑到两年。这就是差距。

SC-FDMA在NB-IoT里有两种模式：

• 单子载波模式——3.75kHz子载波间隔，适合极低速率场景
• 多子载波模式——15kHz子载波间隔，支持更高的数据速率

2.3 子载波间隔：15kHz vs 3.75kHz

NB-IoT的子载波间隔有两种：15kHz和3.75kHz。为什么搞两个？

15kHz是LTE的遗产，兼容性好。3.75kHz是NB-IoT特有的，为了覆盖更远。

咱们算笔账：

参数	15kHz	3.75kHz
子载波带宽	15kHz	3.75kHz
符号时长	66.7μs	266.7μs
CP时长	4.7μs	8.3μs
覆盖能力	标准	更强（+6dB）
适用场景	下行、上行多子载波	上行单子载波

3.75kHz的子载波间隔更窄，符号时长更长，CP也更长。这意味着什么？抗时延扩展能力更强。说白了，就是能覆盖更远的距离。

我在一个偏远山区的项目中，终端离基站十几公里，15kHz根本解调不了。换成3.75kHz单子载波，信号居然能解出来。虽然速率慢得可怜，但至少数据能传回来。

2.4 时隙结构与资源单元

NB-IoT的时隙结构，说白了就是时间轴怎么切。

一个时隙（slot）是0.5ms。两个时隙组成一个子帧（1ms）。

但NB-IoT真正干活的最小单位是资源单元（RU，Resource Unit）。RU的定义取决于子载波间隔和传输模式：

• 下行RU：固定为1个子帧（1ms），包含12个子载波
• 上行RU：根据子载波间隔不同，时长也不同
  • 3.75kHz单子载波：1个RU = 32ms（包含16个时隙）
  • 15kHz多子载波（3个子载波）：1个RU = 4ms
  • 15kHz多子载波（6个子载波）：1个RU = 2ms
  • 15kHz多子载波（12个子载波）：1个RU = 1ms

为什么上行RU时长不固定？因为NB-IoT要兼顾覆盖和速率。覆盖差的终端，用更长的RU来获得处理增益；覆盖好的终端，用更短的RU来提高速率。

我举个例子：一个水表在井盖下面，信号很差。它用3.75kHz单子载波，一个RU要传32ms。这32ms里，基站会做多次合并，把信号从噪声里捞出来。虽然慢，但能传通。

另一个智能路灯在路边，信号很好。它用15kHz 12子载波，一个RU只要1ms。速度快，功耗也低。

嗯，这一章的内容就这些。下一章咱们聊重传机制——数据丢了怎么办？NB-IoT的重传可不是简单的「没收到就重发」，里面有很多门道。