NB-IoT上行鏈路關(guān)鍵技術(shù)分析與性能仿真

陳剛　黃欣　王家誠(chéng)　王慧倩　龐宇

摘要：本文對(duì)第三代合作伙伴計(jì)劃NB-IoT協(xié)議中的上行鏈路及其涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并基于Matlab搭建仿真平臺(tái)，為芯片和模組等硬件開發(fā)流程提供便利的參考。

[關(guān)鍵詞]NB-IoT協(xié)議分析仿真平臺(tái)性能仿真

近年來，物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT）發(fā)展迅速，世界萬物都可以通過互聯(lián)網(wǎng)互連互通，包括高速率業(yè)務(wù)（如視頻類業(yè)務(wù)等）和低速率業(yè)務(wù)（如抄表類業(yè)務(wù)等）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，低速率業(yè)務(wù)已占據(jù)67%以，上的IoT業(yè)務(wù)，且缺乏良好的蜂窩技術(shù)支持，這意味著低速率廣域網(wǎng)技術(shù)的市場(chǎng)需求巨大。隨著IoT的不斷發(fā)展，IoT通信技術(shù)也日趨成熟，其中廣域網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展尤為明顯。廣域網(wǎng)通信技術(shù)按頻譜是否授權(quán)可以分成兩種類型：一是非授權(quán)，如Lora和Sigfox等，如圖1所示;二是授權(quán)，3GPP制訂的蜂窩通信技術(shù)，如2G、3G、4G以及基于4G演進(jìn)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）技術(shù)。

在物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和商用推進(jìn)過程中，NB-IoT已脫穎而出。NB-IoT使用授權(quán)頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。NB-IoT自身具備的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優(yōu)勢(shì)，使其可以廣泛應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，如遠(yuǎn)程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)等。經(jīng)過近幾年的培育和探索，全球物聯(lián)網(wǎng)正從碎片化、孤立化應(yīng)用為主的起步階段，邁入重點(diǎn)聚焦、跨界融合的全新階段，市場(chǎng)快速啟動(dòng)，在許多領(lǐng)域加速滲透，物聯(lián)網(wǎng)正處于大規(guī)模爆發(fā)式增長(zhǎng)的前夜，此時(shí)進(jìn)行NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)終端芯片關(guān)鍵技術(shù)研究及示范應(yīng)用，依托于現(xiàn)有的公用無線通信網(wǎng)絡(luò)，充分利用5G相關(guān)技術(shù)的研究成果和設(shè)備構(gòu)建的廣域公眾蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠助力物聯(lián)網(wǎng)走出碎片化，迅速在各個(gè)行業(yè)和地區(qū)形成商業(yè)化應(yīng)用，有力地推動(dòng)廣域物聯(lián)網(wǎng)的普及和發(fā)展。

1NB-loT標(biāo)準(zhǔn)化

在NB-IoT提出之前，業(yè)界已經(jīng)啟動(dòng)了機(jī)器類通信的研究。而在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，低功耗，廣覆蓋，低成本，低速率的LPWAN技術(shù)將涵蓋大部分物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模型。因此面向LPWAN場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)成為蜂窩及非蜂窩物聯(lián)通信重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面，3GPP一直努力推動(dòng)相關(guān)機(jī)器類通信（MTC）技術(shù)的發(fā)展。一方面，在LTE及LTE一A演進(jìn)階段，3GPP定義了許多不同的終端類型，從而適應(yīng)不同場(chǎng)景不同業(yè)務(wù)下的物聯(lián)網(wǎng)終端需求。在Rel-8版本中，從速率的角度定義了Category1～5的終端類型。在之后的版本演進(jìn)中，不僅制定了支持高帶寬，高速率的Category6，Category9等終端類型，同時(shí)也定義了更低成本，支持更低功耗的Category0終端類型。但考慮到Category0技術(shù)需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，升級(jí)成本與終端收益并不高，因此其被普遍商用的可能性不高，更多被認(rèn)為是一種過渡。因此3GPP于2014年成立Cat.M工作組。目前Cat.M核心標(biāo)準(zhǔn)已凍結(jié)。

另一方面3GPP基于窄帶傳輸?shù)乃悸?，討論其演進(jìn)和全新接入技術(shù)的研究。長(zhǎng)期以來，運(yùn)營(yíng)商的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)主要依靠成本低廉的GPRS模塊提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間通信需求。但近幾年由于LoRa，Sigfox等基于非蜂窩的新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)于GPRS模塊在成本，功耗和覆蓋等方面有較大沖擊。因此3GPP在GERAN#62會(huì)議上成立新的SI，希望可以支持更低成本，更低功耗，更強(qiáng)覆蓋等特性。而NB-IoT正是基于第二種思路提出的一種新的傳輸方案。在時(shí)延不敏感，移動(dòng)性需求不高的LPWAN場(chǎng)景下，NB-IoT技術(shù)在續(xù)航、覆蓋方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，無疑更得到各方關(guān)注。

2NB-IoT上行鏈路分析

2.1NB-IoT部署模式

根據(jù)NB-IoT的立項(xiàng)目標(biāo)，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的無線接入的重點(diǎn)需求是增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋，支持大量的低吞吐量設(shè)備，低延遲敏感度，超低成本、低功耗設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。

NB-IoT系統(tǒng)所支持的部署模式根據(jù)其所處的頻段可分為Stand-alone，Guard-alone，In-band三種，示意圖如圖2所示。

獨(dú)立部署（Stand-alone）：GSM運(yùn)營(yíng)商使用NB-IoT替代200kHz的GSM帶寬，在GSMEDGE無線接入網(wǎng)等系統(tǒng)中重新規(guī)劃專用頻譜，這種部署方式在實(shí)際應(yīng)用中是可行的，因?yàn)镚SM的帶寬，包含保護(hù)帶在內(nèi)，與NB-IoT的帶寬相同，均為200kHz;

保護(hù)帶部署（Guard-band）：利用LTE運(yùn)營(yíng)商保護(hù)帶內(nèi)未使用的資源塊來部署NB-IoT系

帶內(nèi)部署（In-band）：即LTE運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部的NB-IoT系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)商通過規(guī)劃，將一個(gè)180kHz的帶內(nèi)物理資源塊分為給NB-IoT系統(tǒng)。經(jīng)過NB-IoT空口優(yōu)化，可以與現(xiàn)有LTE系統(tǒng)和諧共存，而不影響其傳輸性能;

在實(shí)際部署中，運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)自身的頻譜資源和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)情況，選擇合適的工作模式，通過新建或者網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的方式部署NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)。

NB-IoT目標(biāo)承載低價(jià)值、數(shù)目龐大的物聯(lián)網(wǎng)終端，主流核心網(wǎng)建設(shè)方案為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（CIoT）核心網(wǎng)獨(dú)立組網(wǎng)，與傳統(tǒng)高價(jià)值用戶的LTE演進(jìn)分組核心網(wǎng)（EPC）獨(dú)立組網(wǎng)區(qū)分管理，采用不同的運(yùn)營(yíng)模式。CIoT核心網(wǎng)的處理機(jī)制與傳統(tǒng)EPC有較大差異，獨(dú)立部署的核心網(wǎng)設(shè)備的軟硬件要求可基于CIoT業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化和裁減，更好滿足業(yè)務(wù)需求。此外，NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)一直在增強(qiáng)演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)升級(jí)較頻繁，獨(dú)立部署可與LTEEPC互不影響。NB-IoT業(yè)務(wù)帶寬小，時(shí)延不敏感，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)存在的用戶面性能問題，在NB-IoT不是瓶頸，因此可根據(jù)部署時(shí)間點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)成熟度優(yōu)先考慮基于NFV技術(shù)。

2.2NB-IoT上行鏈路分析

根據(jù)NB-IoT系統(tǒng)需求，NB-IoT終端的上行發(fā)射帶寬為180kHz。NB-IoT系統(tǒng)在上行支持兩種子載波間隔：3.75kHz和15kHz，其中對(duì)于覆蓋增強(qiáng)場(chǎng)景，3.75kHz子載波間隔比15kHz子載波間隔可以提供更大的系統(tǒng)容量。但是在In-band場(chǎng)景下，15kHz子載波間隔比3.75kHz子載波間隔具有更好的LTE兼容性。NB-IoT系統(tǒng)在上行多址接入方式均基于SC-FDMA多址技術(shù)。

從幀結(jié)構(gòu)上來看，對(duì)于15kHz子載波間隔，NB-IoT上行幀結(jié)構(gòu)和legacyLTE相同。每個(gè)無線幀長(zhǎng)10ms，對(duì)于15kHz子載波間隔，1個(gè)無線幀包含20個(gè)0.5ms長(zhǎng)的時(shí)隙。對(duì)于3.75kHz子載波間隔，NB-IoT新定義了一個(gè)2ms長(zhǎng)度的窄帶時(shí)隙結(jié)構(gòu)（NB-slot），即一個(gè)無線幀包含5個(gè)窄帶時(shí)隙。每個(gè)窄帶時(shí)隙包含了7個(gè)符號(hào)，3.75kHz對(duì)應(yīng)的符號(hào)包含528Ts，CP長(zhǎng)度為16Ts，其中假設(shè)Ts=1/1.92MHz。在2ms周期內(nèi)，除了前面的7個(gè)符號(hào)，剩下的144Ts作為一個(gè)保護(hù)間隔，用于最小化NB-IoT符號(hào)和LTE-CRS之間的沖突。NB-IoT中，上行繼續(xù)沿用了LTE的Resourcegrid和Resourceelement的概念，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

除了Resourcegrid和Resourceelement之外，NB-oT在上行還引入資源單元（Resourceunit）的概念，上行數(shù)據(jù)的調(diào)度和HARQ一ACK信息的發(fā)送是以資源單元為單位的。用于上行數(shù)據(jù)發(fā)送的資源單元的劃分原則是對(duì)于不同的頻域子載波數(shù)目的一個(gè)資源單元中有效的Resourceelement數(shù)量一致;同時(shí)要保證時(shí)域長(zhǎng)度為2的整數(shù)次冪，這樣能在調(diào)度不同類型（不同的頻域子載波數(shù)目）的資源單元時(shí)，降低資源碎片率。當(dāng)子載波間隔為3.75kHz時(shí)，NB-IoT系統(tǒng)只支持Single-tone的發(fā)送，頻域占用1個(gè)子載波，時(shí)域占用32ms。當(dāng)子載波間隔為15kHz時(shí)，上行定義了下列幾種數(shù)據(jù)發(fā)送的資源單元：

頻域12個(gè)子載波，時(shí)域1ms;

頻域6個(gè)子載波，時(shí)域2ms;

頻域3個(gè)子載波，時(shí)域4ms;

頻域1個(gè)子載波，時(shí)域8ms;

對(duì)于15kHz和3.75kHz兩種子載波間隔，發(fā)送HARQ-ACK信息的資源單元都只支持Single-tone發(fā)送。對(duì)于15kHz子載波間隔，發(fā)送HARQ-ACK信息的資源單元在時(shí)域上占用2ms;對(duì)于3.75kHz子載波間隔，發(fā)送HARQ-ACK信息的資源單元在時(shí)域上占用8ms。

2.3上行鏈路關(guān)鍵技術(shù)分析

在NB-IoT上行鏈路中，物理層接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)為多址接入、調(diào)制解調(diào)和信道碼譯碼。

（1）多址接入方式采用的是與LTE上行鏈路類似的SC-FDMA方案。在實(shí)際系統(tǒng)中，為了抑制調(diào)制信號(hào)的峰均比，降低對(duì)移動(dòng)端射頻器件的動(dòng)態(tài)范圍要求，從而實(shí)現(xiàn)射頻器件的低成本化，SC-FDMA的發(fā)射端和接收端均需要進(jìn)行快速傅里葉變換（FastFourierTransform，F(xiàn)FT）和IFFT變換?？紤]到FFT與IFFT運(yùn)算操作的相似性，在實(shí)際系統(tǒng)中可以共享FFT硬件加速模塊，因此，F(xiàn)FT硬件加速器的高效實(shí)現(xiàn)稱為NB-IoT系統(tǒng)上行鏈路的關(guān)鍵技術(shù)之

（2）在NB-IoT上行鏈路中，可選的調(diào)制方式為QPSK和BPSK兩種，這兩種調(diào)制方式的數(shù)字化調(diào)制和解調(diào)已經(jīng)在LTE系統(tǒng)中有非常成熟的運(yùn)用，因此在NB-IoT系統(tǒng)中可以有很好的借鑒。

（3）NB-IoT系統(tǒng)中上行鏈路信道編碼方案采用的是Turbo碼方案[8-13]，Turbo碼最早于1993年在ICC會(huì)議上作為一種以可接受的復(fù)雜度逼近香農(nóng)限的信道編碼方案被提出，其基本結(jié)構(gòu)由兩個(gè)分量卷積碼和一個(gè)隨機(jī)交織器組成，因其譯碼過程是在兩個(gè)分量譯碼器之間進(jìn)行消息迭代更新傳遞，被作者描述為“渦輪”而得名。Turbo碼在提供優(yōu)越糾錯(cuò)性能的同時(shí)，也帶來較高的譯碼復(fù)雜度，因此Turbo譯碼器也是NB-IoT上行鏈路物理層的關(guān)鍵技術(shù)。

3NB-IoT上行仿真鏈路搭建

3.1NPUSCH格式1

窄帶物理上行共享信道（NarrawPhysicalUplinkSharingChannel）用于攜帶UL-DSCH，支持Single-tone和Multi-tone的傳輸。其中，Single-tone主要適用于低速率、覆蓋增強(qiáng)場(chǎng)景。Multi-tone傳輸速率更高，也可以支持覆蓋增強(qiáng)。

（1）調(diào)制方式：支持BPSK和QPSK兩種，當(dāng)子載波個(gè)數(shù)為1時(shí)，支持BPSK和QPSK;當(dāng)子載波個(gè)數(shù)大于1時(shí)，只支持QPSK。

（2）信道編碼：考慮到上行鏈路基站端可以承載更高強(qiáng)度的運(yùn)算，因此采用雖然復(fù)雜度稍高，但是譯碼性能更好的Turbo碼。

（3）多址方式：NB-IoT上行鏈路均采用SC-FDMA多址方式。

（4）子載波間隔：3.75kHz和15kHz兩種，當(dāng)子載波個(gè)數(shù)為1時(shí)，支持兩種子載波間隔;當(dāng)子載波個(gè)數(shù)大于1時(shí)，只支持15kHz的子載波間隔。

3.2NPUSCH格式2

LTE系統(tǒng)中，上行控制信息包含HARQ-ACK信息、SR信息和CSI信息。對(duì)于NB-IoT系統(tǒng)來說，使用隨機(jī)接入實(shí)現(xiàn)調(diào)度請(qǐng)求就能滿足需求，所以不需要額外上報(bào)SR。而NB-IoT的終端通常都是靜止的或者以很低的速度移動(dòng)，經(jīng)歷的信道變化不會(huì)很頻繁，所以上報(bào)的CSI的必要性不大，所以Nb-IoT系統(tǒng)中，上行需要發(fā)送的控制信息只包含HARQ-ACK信息。NPDSCH格式2就是用來發(fā)送HARQ-ACK消息。

NPDSCH格式2基本參數(shù)與NPUSCH格式1相同，只有編碼方式不同，因?yàn)镹PUSCH格式1中的采用的Turbo信道碼不適合小比特的信息編碼，需要發(fā)送到HARQ-ACK僅為1比特，所以編碼方式采用重復(fù)碼。此外，由于NPUSCH格式2只需要發(fā)送1比特HARQ-ACK信息，所以調(diào)制方式為BPSK。

4性能仿真結(jié)果

圖4和圖5中分別給出了15kHz子載波間隔下的NB-IoT上行鏈路的誤塊率（BlockErrorRate，BLER）仿真結(jié)果，其中圖4中為QPSK調(diào)制方式，Turbo碼譯碼迭代次數(shù)為5次，圖4中為BPSK調(diào)制方式，Turbo碼譯碼迭代次數(shù)同樣為5次。

5結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為未來“萬物互聯(lián)”愿景的重要支撐技術(shù)，在未來多種垂直行業(yè)中展現(xiàn)了巨大應(yīng)用前景。第三代合作伙伴計(jì)劃（ThirdGenerationPartnershipProject，3GPP）基于第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)推出的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NarrawBandInternetofThings，NB-IoT）展現(xiàn)了良好的傳輸性能和低廉的部署成本，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化和商業(yè)化進(jìn)程中逐漸形成稱為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)。目前，NB-IoT技術(shù)發(fā)展急需配套的軟件仿真平臺(tái)，為硬件和芯片開發(fā)測(cè)試提供基線。本文對(duì)第三代合作伙伴計(jì)劃NB-IoT協(xié)議中的上行鏈路及其涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并基于Matlab搭建仿真平臺(tái)，為芯片和模組等硬件開發(fā)流程提供便利的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]3GPP T. Long Term Evolution[S].

[2] 3GPP T. Uni versal Mobi 1 eTe lecommunications Sys tem[S].

[3] HILLEBRAND F. GSM and UMTS ：the creation of global mobilecommunications [M]. Chichester， UK：John Wiley & Sons， Ltd，2001. 582.[4]SINHA R S，WEI Y，HWANG S. A surveyon LPWA technology： LoRa and NB-IoT[J]. Ict Express， 2017， 3（1）： 14-21.

[5]ADHIKARY A， LIN X，WANG Y P E.

、Performance evaluation of NB-IoTcoverage [C]//Vehicular TechnologyConference （VTC-Fa11）， 2016 IEEE84th. IEEE， 2016： 1-5.

[6] RATASUK R，MANGALVEDHE N，ZHANG Y，et al. 0verview of I narrowband IoTin LTE Rel-13[C] //Standards forCommunications and Ne tworking （CSCN），2016 IEEE Conference on. IEEE， 2016：1-7.

[7] MANGALVEDHE N，RATASUK R，GHOSH A.NB-IoT deployment study for lowpower wide area cellular IoT[C]//Personal，Indoor，i and Mobile RadioCommunications （PIMRC）， 2016 IEEE27th Annual International Symposiumon，IEEE，2016：1-6.

[8] BERROU C，GLAVIEUX A，THITIMAJSHIMA P.Near Shannon limit error-correctingcoding and decoding： Turbo-codes.1 [C]//Communications，1993. ICC' 93Geneva. Technical Program， ConferenceRecord，IEEE International Conferenceon. IEEE， 1993， 2： 1064-1070.

[9]KARIM S M，CHAKRABARTI I. High-throughput turbo decoder usingpipelined parallel architecture andcollision-free interleaver[J]. IETCommunications，2012， 6（11）： 1416.

[10]AHMED A， AWAIS M，ur REHMAN A，et al. A high throughput turbo decoder VLSI architecture for3GPP LTE standard[C]//MultitopicConference （INMIC）， 2011 IEEE 14thInternational. IEEE， 2011： 340- 346.

[11] SYUDER C，BENKESER C，BELFANTI S，et al. Design and Implementation ofa Parallel Turbo-Decoder ASIC for3GPP-LTE[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2011， 46（1）： 8-17.

[12]KARIM S M，CHAKRABARTI I. Design ofefficient high throughput pipelinedparallel turbo decoder using QPPinterleaver[C]//Proc. of Int. Conf.on Multimedia， Signal Processing andCommunication Technologies （IMPACT）.2011： 248-251.

[13] MULLER 0，BAGHDADI A， JEZEQUEL M.Exploring parallel processing levelsfor convolutional turbo decoding[C]//Information and CommunicationTechnologies，2006. ICTTA' 06.2nd.IEEE，2006， 2： 2353-2358.