NB—IoT無線吞吐率及低功耗技術(shù)探討

郭寶+劉毅+張陽

【摘 要】為了對NB-IoT進行研究，重點分析了NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、物理信道、上下行吞吐率以及其特有的低功耗技術(shù)，最后對NB-IoT如何與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容協(xié)作也作出了相應(yīng)的探討，希望以此幫助企業(yè)對NB-IoT技術(shù)覆蓋、吞吐率、功耗等方面進行整體規(guī)劃。

低功耗 節(jié)電模式 增強的非連續(xù)接收

1 引言

NB-IoT是3GPP針對低功耗廣覆蓋（LPWA，Low Power Wide Area）類業(yè)務(wù)而定義的新一代蜂窩物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，是基于全新空口設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，最少可只使用200 kHz授權(quán)頻段，主要面向低速率、低時延、超低成本、低功耗、廣深覆蓋、大連接需求的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。NB-IoT在物理層發(fā)送方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、信令流程等方面做了簡化，并提出了在GSM基礎(chǔ)上增強20 dB的覆蓋目標(biāo)，即最大耦合路損（MCL，Maximum Coupling Loss）要達到164 dB，這個目標(biāo)主要通過提高功率譜密度、重復(fù)發(fā)送、低階調(diào)制編制等方式實現(xiàn)。因此，本文接下來將在介紹NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、三種部署方式以及上下行物理信道的基礎(chǔ)上，闡述NB-IoT無線吞吐率的計算方法以及低功耗關(guān)鍵技術(shù)的工作原理。

2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 NB-IoT部署方式

NB-IoT目前只在FDD有定義，終端為半雙工方式。NB-IoT上下行有效帶寬為180 kHz，其中下行采用OFDM，子載波帶寬與LTE相同，為15 kHz；上行有兩種傳輸方式：單載波傳輸（Single-tone）和多載波傳輸（Multi-tone），其中Single-tone的子載波帶寬包括3.75 kHz和15 kHz兩種，Multi-tone子載波間隔為15 kHz，支持3、6、12個子載波的傳輸。

NB-IoT支持3種不同的部署方式：獨立部署（Stand-alone operation）、保護帶部署（Guard-band operation）、帶內(nèi)部署（In-band operation），如圖1所示。Stand-alone部署在LTE帶寬之外，Guard-band部署在LTE的保護帶內(nèi)，In-band占LTE的1個PRB資源，需保證與LTE PRBs的正交性。

Stand-alone可獨立設(shè)置發(fā)射功率，例如20 W；Guard-band、In-band的功率與LTE功率有關(guān)系，通過設(shè)置NB-IoT窄帶參考信號（NRS，Narrowband Reference Signal）與LTE公共參考信號（CRS，Common Reference Signal）的功率差來設(shè)定NB-IoT的功率，目前協(xié)議定義的可設(shè)置NRS比CRS最大高9 dB，實際大小需根據(jù)設(shè)備的發(fā)射能力而定。NB-IoT子幀結(jié)構(gòu)與LTE FDD相同，引入了新的參考信號NRS和新的主輔同步信號（NPSS/NSSS，Narrowband Primary Synchronization Signal/Narrowband Secondary Synchronization Signal），支持單端口和雙端口兩種發(fā)射模式。

在頻譜分配上，Stand-alone是頻譜上獨占，不存在與現(xiàn)有系統(tǒng)共存問題；Guard-band方式需要考慮與LTE系統(tǒng)的共存，如干擾規(guī)避、射頻指標(biāo)等問題；In-band需要考慮與LTE系統(tǒng)的共存，如干擾消除、射頻指標(biāo)等問題。

在帶寬規(guī)劃中，Stand-alone限制會比較少，規(guī)劃難度低；Guard-band方式中，LTE系統(tǒng)帶寬不同對應(yīng)的可用Guard-band帶寬也不同，另外，因為要滿足中心頻點300 kHz需求，所以可以用在NB-IoT的頻域位置也比較少。同樣，要滿足中心頻點300 kHz需求，Inband可以用在NB-IoT的頻域位置也比較少。

從兼容性考慮，Stand-alone下配置限制較少；Guard-band需要考慮與LTE兼容；In-band需要考慮與LTE兼容，如避開PDCCH區(qū)域、避開CSI-RS、PRS、LTE-同步信道和PBCH、CRS、TDD上下行配比等。

覆蓋、容量及傳輸時延方面，三種方式都可滿足要求。Stand-alone覆蓋略大、容量較大、時延略??；Guard-band模式下覆蓋略小、容量較大、時延略大；In-band模式覆蓋最小、支持容量較小、時延最大。

2.2 NB-IoT物理信道

NB-IoT在物理層做了簡化，保留了LTE網(wǎng)絡(luò)中的廣播信道、下行控制信道、下行共享信道、隨機接入信道以及上行共享信道，取消了PCFICH、PHICH和PUCCH信道，不支持CSI的上報。NB-IoT下行未引入控制域的概念，上行共享信道的ACK/NACK反饋信息在下行控制信道中指示，下行共享信道的ACK/NACK反饋信息在上行共享信道format 2中反饋。NB-IoT以上行業(yè)務(wù)為主，需要重點關(guān)注上行共享信道的承載能力和覆蓋能力。

（1）窄帶物理廣播信道（NPBCHN，Narrowband Physical Broadcast Channel）

NPBCH信道與LTE的PBCH不同，廣播周期為640 ms，重復(fù)8次發(fā)送，終端接收若干個子幀信號進行解調(diào)。

（2）窄帶物理下行控制信道（NPDCCH，Na-

rrowband Physical Downlink Control Channel）

負責(zé)上下行調(diào)度信息。LTE的PDCCH固定使用子幀前幾個符號，NPDCCH與PDCCH差別較大，使用的窄帶控制信道資源（NCCE，Narrowband Control Channel Element）占6個子載波。Stand-alone和Guard-band模式下，可使用所有OFDM符號；In-Band模式下，錯開LTE的控制符號位置。NPDCCH有兩種format：NPDCCH format 0的聚合等級為1，占用NCCE0或NCCE1；NPDCCH format 1的聚合等級為2，占用NCCE0和NCCE1。其中，NPDCCH最大重復(fù)次數(shù)可配，取值范圍為{1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128， 256， 512， 1024， 2048}。

（3）窄帶物理下行共享信道（NPDSCH，Narrowband Physical Downlink Shared Channel）

負責(zé)下行數(shù)據(jù)發(fā)送、尋呼、隨機接入響應(yīng)等。NPDSCH頻域資源占12個子載波，Stand-alone和Guard-band模式下，使用全部OFDM符號；In-band模式下需錯開LTE控制域的符號，由于SIB1-NB中指示控制域符號數(shù)，因此如果是SIB1-NB使用NPDSCH子幀，固定錯開前3個符號。NPDSCH調(diào)制方式為QPSK，MCS只有0～12。

（4）窄帶物理隨機接入信道（NPRACH，Narrowband Physical Random Access Channel）

負責(zé)上行隨機接入。NPRACH子載波間隔為3.75 kHz，占用1個子載波，有Preamble format 0和fomrat 1兩種格式，對應(yīng)66.7 μs和266.7 μs兩種CP長度，對應(yīng)不同的小區(qū)半徑。1個Symbol Group包括1個CP和5個符號，4個Symbol Group組成1個NPRACH信道。NPRACH信道重復(fù)獲得覆蓋增強，重復(fù)次數(shù)可以是{1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128}。

（5）窄帶物理上行共享信道（NPUSCH，Narrowband Physical Uplink Shared Channel）

負責(zé)上行數(shù)據(jù)發(fā)送、上行控制信息發(fā)送。NPUSCH上行子載波間隔有3.75 kHz和15 kHz兩種，上行有兩種傳輸方式：單載波傳輸（Single-tone）、多載波傳輸（Multi-tone），其中Single-tone的子載波帶寬包括3.75 kHz和15 kHz兩種；Multi-tone子載波間隔為15 kHz，支持3、6、12個子載波的傳輸。上行傳輸資源是以RU（Resource Unit）為單位進行分配的，Single-tone和Multi-tone的RU單位定義如表1所示，調(diào)度RU數(shù)可以為{1， 2， 3， 4， 5， 6， 8， 10}，在NPDCCH N0中指示。

3 NB-IoT吞吐率

3.1 NB-IoT下行峰值吞吐率

NB-IoT下行采用15 kHz子載波間隔進行傳輸，即一個NB-IoT載波的200 kHz帶寬內(nèi)，共有12個子載波，其有效帶寬為180 kHz。在時域上，NB-IoT子幀結(jié)構(gòu)與LTE Type1保持一致；在下行調(diào)度上，單用戶最小調(diào)度單元為一個子幀，即1 ms。如表2所示，NB-IoT在原有LTE MCS/TBS表的基礎(chǔ)上做了一定修改，第一列為ITBS指示，第一行為調(diào)度子幀數(shù)指示。NB-IoT只支持表2中標(biāo)黃的部分。值得注意的是，ITBS=11/12僅在獨立部署（Stand-alone）、LTE FDD保護帶部署（Guard-band）兩種場景下支持。

為簡化交互信令流程系統(tǒng)，NB-IoT下行僅支持單線程，且考慮終端復(fù)雜度，在下行傳輸中PDCCH調(diào)度信息與相應(yīng)PDSCH之間，PDSCH與ACK/HACK反饋的PUSCH之間均預(yù)留了較長時延。NPDSCH開始傳輸?shù)淖訋c相應(yīng)NPDCCH調(diào)度之間的時延至少為4 ms，ULACK/NACK開始的子幀與相應(yīng)NPDSCH的傳輸至少為12 ms，即對于某一處于正常覆蓋場景下的終端，若需達到峰值吞吐率，則需在3個子幀內(nèi)完成，如圖2所示。

在這種情況下，其峰值吞吐率可計算如下：

下行峰值速率=680 bit/（1 ms（PDCCH調(diào)度時延）+4 ms（PDCCH調(diào)度與PDSCH時延）+3 ms（PDSCH傳輸時延）+12 ms（PUSCH與PDSCH時延）+2 ms（PUSCH傳輸時延）+10 ms（NPDCCH調(diào)度限制1））=21.25 kbit/s （1）

3.2 NB-IoT上行峰值吞吐率

NB-IoT上行有Single-tone與Multi-tone兩種不同的傳輸方式，其中Single-tone有3.75 kHz及15 kHz兩種子載波帶寬，并采用單用戶單次傳輸僅可調(diào)度一個子載波的方式進行上行數(shù)據(jù)傳輸。Multi-tone僅有15 kHz子載波帶寬，可采用給單用戶調(diào)度多個載波的方式進行傳輸。在3GPP R13版本中引入了Resource Unit的概念，作為單用戶上行可調(diào)度的最小單元。其中：

Single-tone方式下，15 kHz子載波帶寬場景中，Resource unit為8 ms連續(xù)子幀；Single-tone 3.75 kHz子載波帶寬場景中，Resource unit為32 ms連續(xù)子幀。

Multi-tone方式下，12個子載波同時被調(diào)度時，Resource unit為1 ms；6個子載波同時被調(diào)度時，Resource unit為2 ms；3個子載波同時被調(diào)度時，Resource unit為4 ms。

計算峰值吞吐率時可考慮終端處于覆蓋較好的場景下。在該場景下，終端發(fā)射功率有較大余量，可考慮Multi-tone用12子載同時調(diào)度。為進一步簡化系統(tǒng)，NB-IoT上行也僅支持單線程，其調(diào)度信息與實際傳輸信息間時延，以及傳輸所耗時間具體如圖3所示。

NPUSCH開始傳輸?shù)淖訋c相應(yīng)NPDCCH調(diào)度之間的時延至少為8 ms，DLACK/NACK開始的子幀與相應(yīng)NPUSCH的傳輸時延至少為3 ms，對于某一處于正常覆蓋場景下的終端，若需達到峰值吞吐率，則需4個子幀內(nèi)完成TBS=1 000 bit的傳輸。

由此，上行峰值吞吐率可計算如下：

上行峰值速率=1 000 bit/（1 ms（PDCCH調(diào)度時延）+8 ms（PDCCH調(diào)度與PUSCH時延）+4 ms（PUSCH 傳輸時延）+3 ms（PUSCH與PDSCH時延））=62.5 kbit/s （2）

4 低功耗技術(shù)

NB-IoT通過簡化物理層設(shè)計降低實現(xiàn)復(fù)雜度，上行Single-tone模式峰值均比低，下行采用Tail-biting卷積碼，降低解碼復(fù)雜度，對移動性要求較低，不要求連接態(tài)測量及互操作，不要求異系統(tǒng)測量及互操作，減少了測量對象，從而降低功耗。

窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)在3GPP R12和R13分別引入了兩大重要的節(jié)電特性：在R12引入了節(jié)電模式功能（PSM，Power Saving Mode）；在R13引入了擴展的非連續(xù)接收特性（e-DRX，Extended Discontinues Reception）。

4.1 節(jié)電模式PSM

PSM功能允許終端數(shù)據(jù)傳輸完成后向網(wǎng)絡(luò)申請進入深度睡眠。終端可以在Attach Request/TAU Request/RAU Request等NAS信令中向網(wǎng)絡(luò)申請開啟PSM功能，系統(tǒng)確認后通過Attach Accept/TAU Accept/RAU Accept等信令配置Active Time。終端從連接態(tài)轉(zhuǎn)到空閑態(tài)后開啟Active Time，在Active Time超時后進入PSM狀態(tài)。如圖4所示，終端在Active Time時間內(nèi)正常監(jiān)聽尋呼消息，為可及狀態(tài)；進入PSM狀態(tài)后不再監(jiān)聽尋呼消息，變?yōu)椴豢杉盃顟B(tài)。當(dāng)需要傳輸上行數(shù)據(jù)或者周期性TAU/RAU時，終端離開PSM。

終端進入PSM狀態(tài)后，在網(wǎng)絡(luò)中仍然是已注冊狀態(tài)，其業(yè)務(wù)狀態(tài)類似于關(guān)機。終端處于PSM狀態(tài)時無法被尋呼到，適用于終端數(shù)據(jù)傳輸不是很頻繁且對時延不敏感的業(yè)務(wù)?？紤]到智能表類終端的業(yè)務(wù)一般是數(shù)據(jù)上報，且上報周期比較長，承載該類業(yè)務(wù)的終端非常適合配置PSM功能。以每兩小時上報一條長度為200字節(jié)的數(shù)據(jù)包計算，處于覆蓋中點的終端有99%的時間可以處于PSM狀態(tài)，也就是說幾乎大部分時間待機電流都在極低的水平，能夠大幅度延長工作時長。

需要說明的是，PSM功能本身是不帶周期配置的，對于有下行數(shù)據(jù)傳輸需求的業(yè)務(wù)，可以合理配置TAU的周期。PSM和周期性TAU相結(jié)合，可以保證終端即使沒有上行數(shù)據(jù)傳輸，也可以按照固定間隔從PSM中醒來，接收下行數(shù)據(jù)。

4.2 增強的非連續(xù)接收eDRX

目前LTE網(wǎng)絡(luò)下終端DRX周期最長為2.56 s，eDRX通過延長DRX周期（空閑態(tài)最大周期為43分鐘，連接態(tài)最大周期為10.24 s），進一步降低終端連接態(tài)和待機功耗。對于時延要求在分鐘量級或存在較多數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)，周期性TAU和終端自主喚醒較為頻繁，如果使用PSM會引入大量的信令交互。對于不適用PSM的業(yè)務(wù)，更靈活的方法是使用eDRX。

eDRX功能是在R8 DRX基礎(chǔ)上，為了進一步增強節(jié)電增益而進行的功能擴展。R8定義的DRX周期最長為2.56 s（空閑態(tài)和連接態(tài)最大周期相同），eDRX通過延長喚醒周期進一步降低終端連接態(tài)和空閑態(tài)功耗。對于空閑態(tài)，NB-IoT eDRX最大周期為174.76分鐘，周期取值范圍為{20.48， 40.96， 81.92， 163.84， 327.68， 655.36， 1 310.72， 2 621.44， 5 242.88， 10 485.76} s，工作示意如圖5所示：

關(guān)于eDRX功能的使用，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的時延要求、數(shù)據(jù)傳輸頻率，可以選擇合理的eDRX周期，對連接態(tài)和空閑態(tài)eDRX周期進行差異化配置。同時，eDRX和PSM可以聯(lián)合使用，在連接態(tài)和空閑態(tài)（Active Time）配置eDRX，Active Time超時后進入PSM，達到最大省電效果。

5 結(jié)束語

通過前文對NB-IoT無線吞吐率及低功耗技術(shù)的探討可知，NB-IoT技術(shù)在物理層發(fā)送方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、信令流程等方面做了簡化，鏈路預(yù)算中實現(xiàn)在GSM基礎(chǔ)上增強20 dB的覆蓋目標(biāo)，其低功耗技術(shù)也非常突出?？偨Y(jié)來說，NB-IoT在覆蓋、功耗、成本、連接數(shù)等方面性能占優(yōu)，可全面滿足LPWA類業(yè)務(wù)的需求，但無法滿足移動性及中等速率要求，其特有的關(guān)鍵技術(shù)特性可滿足智能家居、智慧連接、智能抄表、市政物聯(lián)、物流追蹤、智能穿戴、廣域物聯(lián)等LPWA類物聯(lián)網(wǎng)的需求。從建設(shè)方案來看，NB-IoT可依托原有2G網(wǎng)絡(luò)或4G網(wǎng)絡(luò)進行建設(shè)，如果依托2G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，需在基站上新增基帶板以支持NB-IoT；如果依托4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可與現(xiàn)有設(shè)備共主控板及傳輸網(wǎng)，但需新增基帶板、RRU及天饋系統(tǒng)。無論是依托2G或4G建設(shè)，都需要獨立部署核心網(wǎng)或升級現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備。

參考文獻：

[1] R1-156006. NB-IoT-Battery lifetime evaluation[R]. 2015.

[2] 3GPP TR 45.820 V1.4.0. Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things（Release 13）[S]. 2016.

[3] 3GPP TR 24.301. Non-Access-Stratum （NAS） protocol for Evolved Packet System （EPS） V14.0.1[S]. 2016.

[4] 3GPP TR 23.401. General Packet Radio Service （GPRS） enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） access V14.0.0[S]. 2016.

[5] 3GPP TS 36.201. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； LTE physical layer； General description V13.2.0[S]. 2016.

[6] 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Physical channels and modulation V13.2.0[S]. 2016.

[7] 3GPP TS 36.212. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Multiplexing and channel coding V13.2.0[S]. 2016.

[8] 3GPP TS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Physical layer procedures V13.2.0[S]. 2016.

[9] 程日濤，鄧安達，孟繁麗. NB-IoT規(guī)劃目標(biāo)及規(guī)劃思路初探[J]. 電信科學(xué)， 2016（S1）： 137-143.

[10] 劉瑋，董江波，劉娜. NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)與規(guī)劃仿真方法[J]. 電信科學(xué)， 2016（S1）： 144-148.

[11] 張建國. 中國移動NB-IoT部署策略研究[J]. 移動通信， 2017，41（1）： 25-30.