窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)終端上行資源調(diào)度的分析與設(shè)計

陳發(fā)堂，邢蘋蘋，楊艷娟

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)(*通信作者電子郵箱593160493@qq.com)

0 引言

無線通信正在迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為構(gòu)建智能世界的推動者之一，需要對各種對象(例如手機(jī)、計算機(jī)、汽車、電子家庭設(shè)備等)建立連接，并且讓這些對象以協(xié)作的方式自動或智能地為人們服務(wù)[1-2]。然而，無線通信和移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的快速增長使得有必要提高當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的性能，以實現(xiàn)諸如低成本、低復(fù)雜性、覆蓋增強(qiáng)等要求[3-5]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的新型窄帶無線技術(shù)，可直接部署在全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication, GSM)或長期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)網(wǎng)絡(luò)中，以減少部署成本[6]。

不同的鏈路資源分配方案直接影響著系統(tǒng)的吞吐量，目前已有相關(guān)學(xué)者對窄帶物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了研究, 如文獻(xiàn)[4]對NB-IoT系統(tǒng)框架進(jìn)行了概括，其研究包括NB-IoT的不同定義、關(guān)鍵技術(shù)、開放性問題和主要挑戰(zhàn)； 文獻(xiàn)[5]對工業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)性的調(diào)查，并總結(jié)了廣泛的研究，所支持關(guān)鍵的技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)中的主要應(yīng)用，并確定了未來的研究趨勢和挑戰(zhàn)；在鏈路資源調(diào)度方面，文獻(xiàn)[6]對NB-IoT下行資源分配提出了一種預(yù)分割資源分配策略；文獻(xiàn)[7]研究了窄帶物理隨機(jī)接入信道(Narrowband Physical Random Access CHannel, NPRACH)的設(shè)計和檢測；文獻(xiàn)[8-9]中研究了窄帶物理上行共享信道(Narrowband Physical Uplink Shared CHannel, NPUSCH)上行鏈路調(diào)度中的幾項重要技術(shù)，如定時和混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat reQuest, HARQ)；文獻(xiàn)[10]對NB-IoT系統(tǒng)上行自適應(yīng)鏈路進(jìn)行了分析與設(shè)計，主要是對調(diào)制解調(diào)等級的選擇，但是并沒有把上行功率控制和覆蓋增強(qiáng)等級考慮在內(nèi)。

因此本文主要對NB-IoT系統(tǒng)的上行鏈路的資源調(diào)度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并將上行功率控制、覆蓋等級、上行(UpLink, UL)傳輸間隙(GAP)以及上行資源調(diào)度考慮在內(nèi)。由于上行是NB-IoT系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)方向，在資源分配、功率控制以及上行傳輸GAP方面分別提供不同的選擇方案，并選擇一個合理的方案。另外，在給定標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)選擇的情況下，對調(diào)制編碼方案和重復(fù)傳輸次數(shù)的選擇進(jìn)行了設(shè)計與分析，并與直傳的方法進(jìn)行了仿真對比。

1 NB-IoT簡述

NB-IoT通過重用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(例如LTE或GSM)，為其部署提供了更大的靈活性，這使得其更加適合5G網(wǎng)絡(luò)。與LTE-A相比，NB-IoT具有以下特征[11]:

1)高覆蓋。NB-IoT系統(tǒng)室內(nèi)覆蓋能力強(qiáng)，與LTE相比提升了20 dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。

2)低功耗。NB-IoT 增加了節(jié)能模式(Power Saving Mode, PSM)和擴(kuò)展非連續(xù)接收(extended Discontinuous Reception, eDRX); 同時引入了兩種數(shù)據(jù)傳輸方案，簡化空口信令，從而使電池壽命時間達(dá)到10年。

3)低成本。將NB-IoT系統(tǒng)集成到LTE網(wǎng)絡(luò)或重復(fù)使用現(xiàn)有GSM頻段的能力使移動網(wǎng)絡(luò)運營商(Mobile Network Operator, MNO)能夠輕松部署它。NB-IoT可以與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存，而且更簡單，能服務(wù)更多的設(shè)備。低復(fù)雜度使得設(shè)備成本低，NB-IoT 用戶終端(User Equipment, UE)比現(xiàn)有的UE便宜約5美元。

4)大連接?？梢酝瑫r有約55 000連接設(shè)備/小區(qū)。

圖1 NB-IoT的三種部署模式

不同于LTE-A系統(tǒng)，NB-IoT系統(tǒng)支持3種部署模式[5]：

1)獨立部署。利用與LTE頻段不重疊的獨立頻段；

2)保護(hù)帶部署。利用LTE的邊緣頻帶的保護(hù)帶部署；

3)帶內(nèi)部署。采用LTE頻段進(jìn)行部署的帶內(nèi)部署，部署LTE頻段資源占用1個物理資源塊(Physical Resource Block, PRB)。

關(guān)于NB-IoT上行鏈路傳輸，支持Single-tone和Multi-tone傳輸。Single-tone傳輸支持兩種載波間隔：15 kHz和3.75 kHz。當(dāng)子載波個數(shù)為1時，支持兩種子載波間隔，3.75 kHz和15 kHz；當(dāng)子載波個數(shù)大于1時，只支持15 kHz的子載波間隔。其中，Single-tone傳輸主要適用于低速率以及覆蓋增強(qiáng)的場景，可以提供更低實現(xiàn)成本; Multi-tone傳輸可以比Single-tone傳輸提供更大速率，也可以支持覆蓋增強(qiáng)得場景。為了增強(qiáng)覆蓋，NB-IoT定義了一個新概念，即重復(fù)傳輸。當(dāng)信道不良且選定的調(diào)制與編碼方案(Modulation and Coding Scheme, MCS)不能支持目標(biāo)誤塊率(BLock Error Rate, BLER)時，需要增加重復(fù)傳輸次數(shù)[12]; 然而，當(dāng)信道相對較好且所選擇的MCS產(chǎn)生低于10%的BLER時，可以減少重復(fù)傳輸次數(shù)。重復(fù)是窄帶物聯(lián)網(wǎng)采用的一種關(guān)鍵解決方案, 因此，本文后面針對NB-IoT上行資源調(diào)度的有關(guān)因素以及調(diào)制編碼方案和重復(fù)傳輸次數(shù)的選擇進(jìn)行了分析和設(shè)計。

2 NB-IoT上行資源調(diào)度

為了獲得更好的上行鏈路吞吐量性能并避免無線鏈路故障，需要對上行鏈路資源調(diào)度以及相關(guān)因素進(jìn)行了分析，本章主要是對相關(guān)因素進(jìn)行了分析，包括上行資源調(diào)度、功率控制以及傳輸間隙(UL GAP)，并對每個因素提供不同的選擇方案從而選出更優(yōu)的選擇。

2.1 資源分配

對于NPUSCH格式1，由于支持多種子載波個數(shù)，所以需要考慮頻域資源分配，為了支持不同大小的傳輸塊，還需要配置對應(yīng)資源單元(Resource Unit，RU)的數(shù)目，需要指示重復(fù)傳輸次數(shù)以通過能量累積支持覆蓋增強(qiáng)[12]。關(guān)于資源分配主要有以下幾個方案：

方案一 預(yù)先定義資源格式，通過高層信令配置使用哪個資源格式，下行控制信息(Downlink Control Information，DCI)中只需指示子塊索引即可。

方案二 動態(tài)指示，當(dāng)子載波間隔3.75 kHz時，NPUSCH格式1只支持單子載波傳輸，所以只需指示子載波位置即可。當(dāng)子載波間隔為15 kHz時，NPUSCH支持單載波和多載波傳輸，所以需要指示子載波個數(shù)和起始位置。

由于方案一中資源格式固定，調(diào)度靈活性受限，因此本文采用方案二進(jìn)行資源調(diào)度。在方案二中，需要指示子載波的位置也有兩種方案： 一是單獨指示，因為子載波個數(shù)有4種，而子載波的位置有12種，所以需要2 b指示子載波個數(shù)，4 b指示子載波位置，即頻域資源需要6 b；二是聯(lián)合指示，如表1，從表中可以看出，只需5 b就可指示子載波個數(shù)和位置，因此，使用聯(lián)合指示的開銷小于單獨指示。

表1 動態(tài)指示子載波個數(shù)

2.2 上行功率的控制

關(guān)于NB-IoT的上行功率控制，主要考慮以下幾個方面：

1)子載波級別的功率控制。NB-IoT采用180 kHz帶寬，上行支持Single-tone傳輸和Multi-tone傳輸，在文獻(xiàn)[11]中已經(jīng)提出了以子載波為粒度進(jìn)行上行功率控制。

2)不同子載波間隔的功率差異。NB-IoT上行Single-tone傳輸支持兩種子載波間隔，即3.75 kHz和15 kHz，對于相同的目標(biāo)信干噪比(Signal-to-Interference plus Noise Ratio, SINR)需求，二者需要的目標(biāo)接收功率不同，針對這一問題，通過在上行傳輸資源帶寬參數(shù)反映了3.75 kHz和15 kHz子載波間隔的功率差異，以15 kHz子載波間隔為基準(zhǔn)，當(dāng)采用3.75 kHz時，上行傳輸資源帶寬參數(shù)設(shè)置為1/4。

3)閉環(huán)功率控制。由于NB-IoT的業(yè)務(wù)場景，通常情況下終端接入后完成一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送會重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，業(yè)務(wù)稀疏且持續(xù)時間短，而閉環(huán)功率控制需要占用一定的開銷。

4)上行控制信息的功率控制。由于NB-IoT中沒有類似于LTE PUCCH的控制信道，上行的控制信息需要通過NPUSCH來傳輸，因此上行控制信息與NPUSCH發(fā)送數(shù)據(jù)可以采用相同的功率控制，兩者之間的功率控制差異可以通過調(diào)整上行控制信息的傳輸方案例如重復(fù)次數(shù)來解決。

綜上所述，對于UE在上行時隙i向服務(wù)小區(qū)c進(jìn)行NPUSCH傳輸?shù)陌l(fā)射功率為PNPUSCH,c(i)，假設(shè)NPUSCH資源單元的重復(fù)次數(shù)大于2，則PNPUSCH,c(i)=PCMAX,c(i)，也就是說，對于需要通過多次重復(fù)傳輸來增強(qiáng)覆蓋的UE，采用最大的發(fā)射功率，否則

PNPUSCH,c(i)=min{PCMAX,c(i),10 lg (MNPUSCH,c(i))+

P0_NPUSCH,c(j)+αc(j)PLc}

(1)

其中:PCMAX,c(i)是系統(tǒng)針對服務(wù)小區(qū)c在上行時隙i配置的UE最大發(fā)射功率；當(dāng)子載波間隔為15 kHz時，MNPUSCH,c(i)的取值包括{1,2,3,4}；當(dāng)子載波間隔為3.75 kHz時，MNPUSCH,c(i)=1/4。P0_NPUSCH,c(j)=P0_NOMINAL_NPUSCH,c(j)+P0_UE_NPUSCH,c(j)，其中j={1,2}。參數(shù)P0_NOMINAL_NPUSCH,c(j)和P0_UE_NPUSCH,c(j)均由高層配置[13]。

當(dāng)j=1時，對于NPUSCH格式1即通過NPUSCH發(fā)送或重傳數(shù)據(jù)，αc(j)由高層信令配置，對于NPDSCH格式2即通過NPUSCH發(fā)送上行控制信息; 當(dāng)j=2時，對應(yīng)于隨機(jī)接入響應(yīng)授權(quán)的NPUSCH的傳輸或重傳，其中αc(j)=1。PLc是UE估計的下行路徑損耗。

eNB應(yīng)根據(jù)收到的功率余量報告(Power Headroom Report，PHR)正確調(diào)度tone和MCS；否則，可能發(fā)生UE側(cè)的功率縮放。關(guān)于功率余量的計算與報告，主要有兩種方案可供選擇:

方案一 不直接報告功率余量，而是UE估計其可以使用的子載波數(shù)量并報告。

方案二 按照NPUSCH的Single-tone以及15 kHz子載波間隔發(fā)送數(shù)據(jù)時的發(fā)射功率進(jìn)行功率余量計算，并按照功率余量取值映射表進(jìn)行報告。

當(dāng)PHR為正時，表示UE可以在下一輪傳輸中增加功率，因此，如果UE已經(jīng)使用最大功率并且eNB沒有接收到UE的PHR報告，則eNB將會錯誤地增加MCS和選擇tone，因此采用方案二來計算功率余量。在NB-IoT中，當(dāng)UE在上行時隙i向服務(wù)小區(qū)c發(fā)送NPUSCH時，功率余量可根據(jù)式(2)計算:

PHc(i)=PCMAX,c(i)-{P0_UE_NPUSCH,c(1)+αc(1)PLc}

(2)

各個參數(shù)的定義與上述相同，這里得到功率余量值只有4個，即{PH1，PH2，PH3，PH4}dB[10], 因此，eNB可以根據(jù)PHc來調(diào)度正確的RU和MCS。

2.3 上行傳輸時隙

由于NB-IoT低成本需求，配備較低成本晶振的NB-IoT終端在連續(xù)長時間的上行傳輸時，終端功率放大器的熱耗散導(dǎo)致發(fā)射機(jī)溫度變化，該溫度變化將導(dǎo)致晶振頻率漂移。因此為了糾正這種頻率漂移，NB-IoT引入了上行傳輸GAP，讓終端在長時間連續(xù)傳輸中可以暫停上行傳輸，并且利用這段時間終端切換到下行鏈路。對于上行傳輸GAP總體設(shè)計需要考慮兩個問題:

1)上行傳輸GAP時間是否可以保證終端利用下行窄帶參考信號(Narrow Reference Signal, NRS)或者窄帶主同步信號/窄帶輔同步信號(Narrowband Primary Synchronization Signal/Narrowband Secondary Synchronization Signal, NPSS/NSSS)時頻偏跟蹤補(bǔ)償后滿足一定的指標(biāo)范圍，如頻偏小于50 Hz；

2)上行鏈路傳輸過程考慮終端的晶振偏移是否滿足頻率誤差要求以及上行鏈路性能損失是否可以接受。

因此，針對NPUSCH信道，終端完成256 ms的數(shù)據(jù)傳輸后，要配置40 ms的上行GAP時間用來進(jìn)行頻率漂移的糾正，剩下的數(shù)據(jù)順延后再發(fā)送。針對NPRACH信道，終端在完成64次前導(dǎo)碼重復(fù)發(fā)送之后，要配置40 ms的UL GAP時間用來進(jìn)行頻率漂移的糾正，剩下的前導(dǎo)碼順延后再發(fā)送。

3 NB-IoT上行MCS和重復(fù)次數(shù)的選擇

合適的MCS等級以及重復(fù)傳輸次數(shù)的選擇可以使得系統(tǒng)的傳輸可靠性和吞吐量之間取得平衡。對于NB-IoT來說，遍歷所有可能的MCS級別和重復(fù)傳輸次數(shù)組合，然后再來選擇一個最優(yōu)的組合，這違背了NB-IoT低復(fù)雜度的特性, 因此, 本文主要涉及一種低復(fù)雜度的上行鏈路機(jī)制，對于MCS級別和重傳傳輸次數(shù)的選擇，主要有兩種方案: 一是先選擇MCS級別然后在選擇重復(fù)傳輸次數(shù)，二是先選擇重復(fù)傳輸次數(shù)然后在選擇MCS級別。在文獻(xiàn)[10]中，已經(jīng)證明了方案一的性能優(yōu)于方案二，所以本文主要介紹方案一。

3.1 MCS的初始選擇

在貪婪選擇中，選擇指定范圍中最高的MCS，中等選擇取MCS范圍的中間值，穩(wěn)定選擇中選擇最小的MCS。MCS的選擇公式如下：

(3) 表2 不同策略下MCS的選擇

3.2 重復(fù)次數(shù)的選擇與MCS的更新

在NB-IoT系統(tǒng)中，在每個NPUSCH傳輸塊傳輸之前，應(yīng)首先通過窄帶物理下行控制信道(NPDCCH)傳輸相關(guān)的控制信息，包括RU數(shù)目、選擇的MCS和重復(fù)傳輸?shù)拇螖?shù)。需要注意的是協(xié)議中規(guī)定NB-IoT的重復(fù)傳輸次數(shù)只能在{1,2,4,8,16,32,64,128}中選擇。圖2給出了在NB-IoT中的重復(fù)的圖示，其中在一次傳輸期間，具有相同內(nèi)容的NPDCCH和NPUSCH傳輸塊都被重復(fù)傳輸4次。

圖2 NB-IoT中的重復(fù)傳輸

假設(shè)有一個NPUSCH傳輸塊需要傳輸，重復(fù)傳輸次數(shù)太少，難以保證數(shù)據(jù)的正確接收，重復(fù)傳輸次數(shù)太多，會消耗無線資源, 因此需要在保證傳輸可靠性的條件下，確定合適重復(fù)傳輸數(shù)目，可以節(jié)約資源的消耗。重復(fù)傳輸?shù)臄?shù)目會受信道質(zhì)量和MCS級別的影響，也就是說，當(dāng)信道質(zhì)量不好且所選的MCS不能達(dá)到傳輸可靠性的要求時，就需要增加重傳的數(shù)目，如果信道質(zhì)量比較好且所選的MCS能夠達(dá)到傳輸可靠性的要求，可以減少重傳的次數(shù)。為了評估是減少重傳還是增加重傳次數(shù)，本文引入了一個補(bǔ)償因子Δ(t)，并定義補(bǔ)償因子的界限，Δ(t)max和Δ(t)min，上下界的初始值設(shè)置為+5、-5。當(dāng)補(bǔ)償因子達(dá)到上界時，減少重傳次數(shù)，當(dāng)補(bǔ)償因子達(dá)到下界時，增加重傳次數(shù)。Δ(t)的值根據(jù)上行傳輸HARQ反饋機(jī)制來計算，其表達(dá)式表示為：

Δ(t)=Δ(t-1)+C

(4)

其中:C表示增量補(bǔ)償因子，初始值設(shè)置為0.2。當(dāng)HARQ反饋信號為ACK時C=CA，C為正數(shù)；當(dāng)反饋信號為NACK時，C為負(fù)數(shù)C=CN。CA與CN的關(guān)系可以表示為：

(5)

TBLER為目標(biāo)BLER，目標(biāo)值BLER小于6%；當(dāng)沒有收到反饋信號時，Δ(t)不變。也就是說，當(dāng)HARQ反饋ACK信號時，且當(dāng)前重復(fù)傳輸次數(shù)為最小值時，則將MCS級別加1，否則重復(fù)次數(shù)較少一半；當(dāng)HARQ反饋信號為NACK信號時，且當(dāng)前重復(fù)傳輸小于最大的重復(fù)傳輸次數(shù)，則將重復(fù)傳輸次數(shù)減小一半，否則MCS減1。在重復(fù)傳輸次數(shù)和更新MCS選擇完之后，利用表3找出對應(yīng)的資源單元NRU數(shù)目。

基于上述，根據(jù)UE的覆蓋等級聯(lián)合PHR的調(diào)度策略來選擇MCS的初始級別，然后通過補(bǔ)償因子來更新MCS的級別之后，利用查找表方法即可確定資源單元的大小,對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 MCS與資源單元數(shù)目的關(guān)系

4 仿真分析

為了評估所提方案的性能，采用Matlab仿真平臺進(jìn)行了仿真分析，仿真參數(shù)如表4所示，部分仿真參數(shù)見文獻(xiàn)[13]，使用最大比合并技術(shù), 單發(fā)送天線, 2天線接收,頻偏為200 Hz, 時偏為2.5 μs, NPDCCH信道編碼采用咬尾卷積編碼, 基于解調(diào)參考信號(Demodulation Reference Signal, DMRS) 的NPDCCH信道估計。

表4 參數(shù)設(shè)置

從圖3可以看出具有不同數(shù)量的RU的SNR與重復(fù)數(shù)目之間的關(guān)系，即不同MCS級別和資源單元下的信噪比與重復(fù)傳輸數(shù)目之間的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)使用的重復(fù)次數(shù)較大時，正確解碼信道條件較差的消息的概率增大, 因此，可以得出當(dāng)重復(fù)傳輸次數(shù)增大時，可在更差信道條件下成功傳輸消息。

圖3 SNR與重復(fù)數(shù)目之間的關(guān)系

圖4 NRU=3,TBS=632 b的SNR-BLER性能曲線

圖5 NRU=5,TBS=192 b的SNR-BLER性能曲線

表5顯示了所提方案在不同覆蓋等級下的資源消耗以及活動時間。與直接轉(zhuǎn)發(fā)的方法相比，所提方案平均可節(jié)省56%的活動時間和46%的資源消耗。即說明了，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠的基礎(chǔ)上，當(dāng)數(shù)據(jù)包較小以及信號較好時，資源節(jié)省較多；當(dāng)數(shù)據(jù)包較大且覆蓋不好的情況下，可以大量節(jié)約資源的消耗。因此，當(dāng)信道條件較好時，可以選擇更大的MCS級別來節(jié)省消耗的資源。

表5 不同覆蓋等級下的活動時間與資源消耗數(shù)目

5 結(jié)語

本文針對如何更有效地使用NB-IoT資源或頻譜(即資源分配和調(diào)度)問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析。首先重點分析了NB-IoT上行鏈路調(diào)度機(jī)制，其中包括資源分配、功率控制以及上行傳輸時隙；其次，針對調(diào)制編碼方案和重復(fù)傳輸次數(shù)的選擇，提出一種基于不同的覆蓋等級聯(lián)合PHR的貪婪-穩(wěn)定策略來初步選擇MCS級別，然后在重復(fù)傳輸次數(shù)時，引入了一個補(bǔ)償因子以衡量重傳次數(shù)的大小并更新MCS的級別。仿真結(jié)果表明，與直接傳輸方法相比，采用所提方案平均可節(jié)省超過46%的資源消耗在數(shù)據(jù)包和56%的活動時間。另外，本文仿真僅針對某些配置，并未進(jìn)行系統(tǒng)級的仿真，因此系統(tǒng)級的仿真是下一步的研究重點。