3. NB-IoT物理层与关键特性
NB-IoT 的物理层设计围绕一个核心矛盾展开：终端要便宜、省电、能穿墙，而网络又要能可靠地收到数据。围绕这个矛盾，3GPP 在物理层上做了几组关键取舍——把载波带宽压到 180 kHz、用重复传输换取覆盖增益、用 SC-FDMA 降低终端发射功耗、用 OFDMA 承载下行、再用 PSM 和 eDRX 把待机功耗压到微安级。理解这几组取舍之间的联动关系，比单独记住每个参数更重要。
载波带宽：180 kHz 与资源格
NB-IoT 的物理层最小带宽是 180 kHz，对应 LTE 的一个物理资源块（PRB）。这个数字不是随意选的：它让 NB-IoT 可以直接“寄生”在 LTE 的频谱里，通过三种部署方式落地——独立部署（Stand-alone，占用 GSM 退网后的 200 kHz 信道）、保护带部署（Guard-band，利用 LTE 保护带内未使用的 PRB）、带内部署（In-band，占用 LTE 载波内的一个 PRB）。三种方式对终端而言物理层参数一致，差别主要在射频滤波和干扰环境。
在 180 kHz 内，子载波间隔有两种配置：15 kHz（与 LTE 兼容，带内部署常用）和 3.75 kHz（上行专用，覆盖更强）。以 15 kHz 为例，180 kHz 恰好容纳 12 个子载波，构成一个 PRB；时域上 1 个时隙 0.5 ms、7 个 SC-FDMA 符号，1 个子帧 1 ms、14 个符号。下行 OFDMA 的最小调度单位是子帧，上行 SC-FDMA 的最小调度单位是时隙。这个“12 子载波 × 14 符号”的资源格，就是后面所有重复传输、跳频、调度计算的坐标系。
覆盖增强与重复传输
NB-IoT 的目标是比 GSM 多 20 dB 的覆盖增益（MCL 提升约 20 dB）。这 20 dB 不是靠提高发射功率得到的——终端功率仍限制在 23 dBm（200 mW），而是靠“重复传输 + 窄带集中能量 + 低阶调制”三者叠加。其中重复传输是最主要的贡献项。
重复传输的基本逻辑是：把同一个传输块在时域上连续发送 N 次，接收端把 N 次信号相干合并，信噪比理论上提升 10·log10(N) dB。例如 N=128 时约 21 dB，N=2048 时约 33 dB。3GPP 为不同信道定义了覆盖增强等级（CE Level），通常分为 CE0、CE1、CE2 三档，对应不同的重复次数范围。终端根据下行参考信号接收功率（RSRP）和下行控制信道解码结果，选择进入哪一档。
示例（合理假设，非实测）：某终端在小区边缘测得 RSRP = -125 dBm，下行 NPDCCH 连续解码失败，判定进入 CE2。此时上行 NPUSCH 重复次数可能配置为 128 次，单次传输 1 ms，则一个传输块占用 128 ms 空口时间。若数据量 100 字节、速率约 1 kbps，则发送耗时约 0.8 s。这就是“用时间换覆盖”的直接代价。
重复传输带来的副作用是时延和功耗上升。因此实际部署中不会无脑拉满重复次数，而是通过链路自适应在“能解出来”和“少发几次”之间找平衡。终端每次重复后都会尝试解码下行反馈，一旦成功就提前终止，这就是所谓的“早停”机制。
上行 SC-FDMA 与下行 OFDMA
NB-IoT 沿用 LTE 的双工多址结构：下行用 OFDMA，上行用 SC-FDMA。下行 OFDMA 把 180 kHz 分成 12 个 15 kHz 子载波并行承载，峰均比（PAPR）高但基站侧功放不受限，频谱效率好。上行 SC-FDMA 在 OFDMA 之前加了一层 DFT 预编码，把信号“摊平”，使 PAPR 明显低于 OFDMA，终端功放可以工作在更接近饱和区，从而在相同 23 dBm 下获得更高的有效发射效率和更长的电池寿命。
上行子载波间隔可选 15 kHz 或 3.75 kHz。3.75 kHz 时一个时隙只有 2 个符号、子载波数更少，单载波能量更集中，覆盖更好，但速率更低，适合 CE2 场景；15 kHz 则用于 CE0/CE1 和需要较高上行速率的场景。下行固定 15 kHz，因为基站不需要考虑省电。
低功耗设计：PSM 与 eDRX
NB-IoT 的省电目标是把终端电池寿命做到数年甚至十年。实现手段主要有两个：省电模式（PSM）和扩展不连续接收（eDRX）。
PSM 的工作方式是：终端在完成一次数据交互后，向核心网请求一个激活定时器（Active Timer，例如 10 s）和一个扩展周期定时器（TAU，例如 2 小时）。Active Timer 内终端保持连接态或空闲态可被寻呼；超时后进入 PSM 深度休眠，射频和基带基本关闭，功耗可降到 5 μA 量级。此时终端不可被寻呼，只有上行数据或 TAU 到期才会唤醒。因此 PSM 适合“终端主动上报、下行不频繁”的场景，比如水表、气表。
eDRX 则是在空闲态下延长寻呼周期。普通 LTE 的寻呼周期是 1.28 s 或 2.56 s，eDRX 可以把它拉长到几十秒甚至数十分钟（NB-IoT 支持最长约 2.9 小时）。终端只在寻呼时间窗（PTW）内监听 NPDCCH，其余时间休眠。eDRX 的代价是下行可达性变差——网络要等终端醒来才能下发数据，时延从秒级变成分钟级。实际选型时，PSM 和 eDRX 可以组合使用：eDRX 负责空闲态省电，PSM 负责连接释放后的深度休眠。
选型参考：若业务要求下行随时可达（如远程开关），优先用 eDRX 并接受较大时延；若业务以下行不敏感的上报为主（如抄表），优先用 PSM 并把 TAU 设长；若两者都有，可先 eDRX 再 PSM，但要注意终端唤醒后重新同步和随机接入的额外开销。
参数联动与工程判断
这几个特性不是独立的，而是互相牵制。举一个典型的工程判断链：终端在 CE2 下需要 128 次重复，单次上行 1 ms，则一个传输块占 128 ms；如果此时还开着 eDRX 长周期，下行反馈要等到下一个 PTW 才能收到，整体时延会进一步拉长。反过来，如果为了降时延把重复次数调低，边缘用户可能直接解不出来，导致重传反而更耗电。因此实际配置时，通常先根据现场 RSRP 和误块率确定 CE Level，再在该档位内选择满足目标 BLER（例如 10%）的最小重复次数，最后用 PSM/eDRX 参数匹配业务的上报周期和下行时延容忍度。
另一个容易忽略的点是上行子载波间隔的选择。3.75 kHz 虽然覆盖好，但一个时隙只有 2 个符号，调度粒度粗，且与 15 kHz 终端不能在同一资源上混用。如果小区内既有 CE0 又有 CE2 终端，网络需要分别配置资源，这会增加调度复杂度。工程上常见的做法是：CE0/CE1 用 15 kHz 单载波或 3 子载波，CE2 用 3.75 kHz 单载波，通过系统消息和 RRC 信令下发。