NB—IoT物理控制信道NB—PDCCH及資源調(diào)度機(jī)制

盧斌

摘要：為了研究NB-IoT物理控制信道NB-PDCCH及資源調(diào)度機(jī)制，在介紹NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對物理控制信道NB-PDCCH特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對NB-PDCCH上承載的DCI信息種類和特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，同時(shí)深入分析了NB-PDCCH的資源調(diào)度機(jī)制，為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)無線資源調(diào)度的研究測試和優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：NB-IoT NB-PDCCH 資源調(diào)度

1 引言

在3GPP第69次RAN全會(huì)上，NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通過立項(xiàng)。根據(jù)立項(xiàng)文檔，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織擬制定一種全新的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用現(xiàn)有授權(quán)頻譜資源滿足廣覆蓋、低功耗、低速率的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃在2016年6月份完成凍結(jié)，2016年第4季度進(jìn)行外場測試，2017年上半年實(shí)現(xiàn)商用。

根據(jù)NB-IoT目前已達(dá)成的規(guī)范，其具備以下特點(diǎn)[1]：1）帶寬為180 kHz，和現(xiàn)有LTE系統(tǒng)的一個(gè)PRB的帶寬相同；2）下行采用OFDMA，子載波間隔為15 kHz（和LTE相同）； 上行支持兩種模式，多載波15 kHz和單載波3.75 kHz；3）全新的物理信道和信號(hào)，對下行的PBCH、PDSCH、PDCCH采用單一的TM傳輸模式；4）降低終端成本和功耗，采用半雙工方式，一根接收天線；5）為充分利用現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)提供靈活的零散頻率資源部署，NB-IoT建議部署模式：獨(dú)立模式、保護(hù)帶模式和帶內(nèi)模式。

NB-IoT計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：1）實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋和深度覆蓋，比傳統(tǒng)的GPRS技術(shù)增強(qiáng)20 dB；2）實(shí)現(xiàn)大容量終端接入；3）實(shí)現(xiàn)降低的終端成本，每個(gè)終端低于5美元；4）實(shí)現(xiàn)低功耗，在5 Wh時(shí)提供大于10年的支持。

本文將重點(diǎn)分析NB-PDCCH資源調(diào)度方式。

2 下行控制物理信道NB-PDCCH

NB-IoT采用全新的無線技術(shù)，但大部分還是基于LTE技術(shù)的，其下行控制物理信道NB-PDCCH的定義和功能也參照了LTE中的PDCCH[7-9]，如圖1所示：

在NB-IoT技術(shù)中，在頻域上只有180 kHz，即一個(gè)PRB寬度。從時(shí)域上看，NB-IoT系統(tǒng)的下行幀結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有LTE系統(tǒng)類似，只不過每個(gè)子幀在頻域上只包含12個(gè)子載波，其時(shí)域幀結(jié)構(gòu)每個(gè)OFDM symbol、slot、以及Subframe的持續(xù)時(shí)間與LTE完全一致。下行的最小資源分配單元即最小RU（Resource Unit）是一個(gè)子幀，即一個(gè)子幀12個(gè)子載波。

而下行控制信道NB-PDCCH是符合上述幀結(jié)構(gòu)的。細(xì)化到具體的時(shí)頻資源，如圖2所示：

如圖2所示，在一個(gè)子幀中，NB-PDCCH占用12個(gè)子載波，承載DCI信息的顆粒度不是單個(gè)RE或REG，而是使用CCE。這里的CCE和LTE的定義不同，CCE大小為半個(gè)PRB pair，具體為：1個(gè)PRB pair中，定義兩個(gè)CCE，其中頻域（子載波）編號(hào)較高的6個(gè)子載波作為一個(gè)CCE，頻域（子載波）編號(hào)較低的6個(gè)子載波作為另一個(gè)CCE。CCE聚合等級(jí)支持兩種，即AL=1CCE和AL=2CCE。其中組成AL=2的兩個(gè)CCE位于相同子幀，并且重復(fù)傳輸僅支持AL=2。鑒于NB-IoT基本上都利用重復(fù)傳輸技術(shù)來進(jìn)行覆蓋增強(qiáng)，所以CCE聚合等級(jí)大部分采用AL2。圖2表示了單個(gè)PRB的CCE分布，其中NB-IoT下行參考信號(hào)NB-RS分布在每個(gè)SLOT的最后兩個(gè)OFDM符號(hào)上。

在圖2的右邊中，描述了NB-PDCCH資源映射：在非inBand操作模式時(shí)，從子幀中第一個(gè)OFDM符號(hào)開始使用資源；對于inBand操作模式時(shí)，根據(jù)SIB1配置的起始OFDM符號(hào)開始使用資源，避開現(xiàn)有LTE控制域的OFDM符號(hào)和參考信號(hào)的LTE-RS的位置。

根據(jù)上述NB-PDCCH的資源映射，決定了NB-IoT的控制域?qū)Y源的調(diào)度為跨子幀調(diào)度，和傳統(tǒng)的LTE子幀內(nèi)調(diào)度機(jī)制不同，如圖3所示：

跨子幀調(diào)度會(huì)影響資源調(diào)度的相應(yīng)時(shí)間（時(shí)延特性）。這里意味著NB-IoT的子幀格式，一種攜帶僅控制信息，一種僅攜帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（inBand部署模式除外），標(biāo)準(zhǔn)中暫不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)攜帶控制信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的混合子幀。

3 NB-PDCCH承載的DCI種類和特點(diǎn)

和LTE類似，NB-PDCCH對業(yè)務(wù)資源的調(diào)度也是通過DCI格式進(jìn)行分類[2，4，10，11]。從第三節(jié)可知，對LTE來說，PDCCH調(diào)度分配只對其傳輸?shù)耐蛔訋行?，采用的DCI格式分為格式1、1A、1B、1D、2、2A、2B和2C，使用的DCI格式取決于配置的發(fā)送模式，并允許在控制信息開銷和調(diào)度靈活性之間進(jìn)行折中。

對于NB-IoT，對于所有覆蓋類型和操作模式，用于下行調(diào)度的DCI和用于上行調(diào)度的DCI具有相同的size（bits）。DCI格式分為四種：N0（用于UL Grant）、N1（用于DL Grant）、N2（用于paging）、N3（DL Grant）。CSS也可以搜N0/N1，公共搜素空間有兩個(gè)（RAR和paging），RAR搜索空間可檢測N0、N1和N3，paging搜索空間僅檢測N2。N2Format N3為調(diào)度RAR使用，并不是獨(dú)立的format，屬于format N1的一種情況。DCI format N0如表1所示：

格式N0用于UL Grant，其各個(gè)字段分別說明如下：

1）Flag for format N0/format N1 differentiation：指示格式為N0或N1。

2）Subcarrier indication：指示子載波，可以取值為5或6。

5用于上行子載波間隔為15 kHz的情況。根據(jù)規(guī)范定義，有效的NB-PUSCH的子載波資源集合為{12， 6， 3， 1}，表示子載波資源分配可按照12、6、3、1個(gè)進(jìn)行分配，不支持其他數(shù)量的資源。比如全部12個(gè)子載波作為一個(gè)整體圖樣進(jìn)行分配，則指示為{0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9， 10， 11}，每3個(gè)不交疊子載波資源分配指示分別為{0， 1， 2}、{3， 4， 5}、{6， 7， 8}、{9， 10， 11}。以此類推，共計(jì)20種圖樣，用5個(gè)比特表示。

6用于上行子載波間隔為3.75 kHz的情況，共有48個(gè)不交疊的子載波圖樣。

1）Resource assignment：3 bits，用于指示TTI bunding的大小，取值集合為{1， 2， 3， 4， 5， 6， 8， 10}。

2）Scheduling delay：2 bits，用于指示NB-PDCCH結(jié)束時(shí)點(diǎn)和NB-PUSCH數(shù)據(jù)發(fā)送開始時(shí)點(diǎn)之間的調(diào)度時(shí)延，按照規(guī)范，該數(shù)值與NB-PDCCH、NB-PUSCH的重復(fù)傳輸次數(shù)有關(guān)，定時(shí)間隔的最小值是8 ms，取值集合為{8， 16， 32， 64}，分別針對不同的覆蓋等級(jí)，具體參見文獻(xiàn)[2]。

3）Modulation and coding scheme：4 bits，表示16中不同的MCS的索引值，包括multi-tone QPSK、single-tone pi/2-BPSK和pi/4-QPSK。

4）Redundancy version：1 bit，針對Multi-tone和Singal-tone，通過這個(gè)比特分別表示RV0和RV2不同版本。

5）DCI subframe repetition number：2 bits，用于表示NB-PDCCH重復(fù)傳輸?shù)拇螖?shù)（用于Paging的CSS除外），共4種。

6）Repetition numbe：3 bits。目前該數(shù)值尚未最后確定，指示NB-PUSCH重復(fù)傳輸?shù)拇螖?shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，3 bits表示了{(lán)1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128}中的一種。

DCI format N1如表2所示：

格式N1用于DL Grant，和N0不同的字段說明如下：

1）HARQ-ACK resource：指示HARQ-ACK信息，代替?zhèn)鹘y(tǒng)LTE的PHICH信息指示，目前規(guī)范尚未確定具體數(shù)值。

2）Repetition numbe：4 bits。目前該數(shù)值尚未最后確定，指示NB-PDSCH重復(fù)傳輸?shù)拇螖?shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，4 bits表示了{(lán)1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128， 256， 512， 1024， 2048}中的一種。

DCI format N2如表3所示。

格式N2用于paging，分為Paging和Direct Indication兩種，字段說明如下：

1）Flag for paging/direct indication differentiation：格式的標(biāo)志區(qū)分。

2）Direct Indication information，8 bits，直接指示系統(tǒng)更新信息。

3）Reserved information bits，信息保留位。

DCI format N3如表4所示：

Format N3為調(diào)度RAR使用，并不是獨(dú)立的format，屬于format N1的一種情況。

4 結(jié)論

NB-IoT的NB-PDCCH是重要的物理控制信道之一，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)和資源調(diào)度對系統(tǒng)的性能有重要的影響。NB-IoT的PDCCH時(shí)頻結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)LTE有一定差異，其承載的DCI信息針對物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化配置，PDCCH的無線資源調(diào)度機(jī)制充分體現(xiàn)了有限資源和較高效調(diào)度效率的特點(diǎn)，為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)無線資源調(diào)度的研究測試和優(yōu)化提供有用的參考。

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[11] R1-161841. DCI design for NB-IoT[R]. 2016. ★