NB—IoT系統(tǒng)資源調(diào)度研究

邱剛+陳憲明+戴博

結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）系統(tǒng)的上下行幀結(jié)構(gòu)、復用方式、調(diào)度單元的特點，提供了適用于NB-IoT系統(tǒng)的資源調(diào)度的設計方案，包括非連續(xù)的下行調(diào)度、動態(tài)的上下行調(diào)度定時以及跨多個調(diào)度單元的上下行資源分配。采用上述方案，避免了在極端或增強覆蓋場景下，因下行資源的連續(xù)占用所導致的對其他終端設備的上下行授權(quán)和下行業(yè)務傳輸?shù)淖枞约跋滦锌刂瀑Y源的浪費，同時確保了相對靈活的資源分配。

調(diào)度定時；資源分配；覆蓋增強

In terms of the features of uplink （UP）/downlink （DL） frame structure， multiplexing method and scheduling unit used by narrowband IoT（NB-IoT）， the design schemes for resource scheduling， which is suitable for NB-IoT is proposed in this paper， including discontinuous DL scheduling， dynamic DL/UL scheduling timing and DL/UL resource allocation across multiple scheduling units. Based on the above schemes， the blocking of the transmission of DL/UL grant and DL traffic to other users caused by the continuous occupation of DL resource for enhanced or extreme coverage and the waste of DL control resource can all be avoided， and relative flexible resource allocation can be ensured.

scheduling timing； resource allocation； coverage enhancement

為滿足蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（IoT）需求，設計新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）接入系統(tǒng)在第3代合作伙伴計劃（3GPP）組織第69次全會中被提出。NB-IoT系統(tǒng)關(guān)注低復雜度和低吞吐量的射頻接入技術(shù)，主要研究目標包括：改善的室內(nèi)覆蓋、巨量低吞吐量用戶設備的支持、較低的延時敏感性、超低設備成本、低的設備功率損耗以及網(wǎng)絡架構(gòu)。NB-IoT系統(tǒng)的上下行的發(fā)射帶寬都是180 kHz，與長期演進（LTE）系統(tǒng)的一個物理資源塊（PRB）的帶寬相同，這有利于在NB-IoT系統(tǒng)中重用現(xiàn)有LTE系統(tǒng)的有關(guān)設計。NB-IoT系統(tǒng)支持3種操作模式：獨立操作，例如利用增強數(shù)據(jù)速率全球移動通信演進無線接入網(wǎng)（GERAN）系統(tǒng)使用的1個或多個全球移動通信系統(tǒng)（GSM）載波；保護帶操作，例如利用在LTE載波的保護帶范圍內(nèi)未被使用的資源塊；帶內(nèi)操作，例如利用在正常LTE載波范圍內(nèi)的資源塊[1]。

文章中，我們主要關(guān)注NB-IoT系統(tǒng)的資源調(diào)度設計。資源調(diào)度是無線通信系統(tǒng)物理層設計的重要方面。不同的幀結(jié)構(gòu)、復用方式和調(diào)度單元適用不同的資源調(diào)度設計方法；此外，在上述幀結(jié)構(gòu)、復用方式和調(diào)度單元中，后項在一定程度上受到前項的影響。基于上述原因，我們首先介紹NB-IoT系統(tǒng)上下行的幀結(jié)構(gòu)、復用方式和調(diào)度單元，這是后續(xù)資源調(diào)度設計的基礎(chǔ)；然后，基于上述確定的幀結(jié)構(gòu)、復用方式和調(diào)度單元，分析適用于NB-IoT系統(tǒng)下行的非連續(xù)調(diào)度方式，上下行的調(diào)度定時以及上下行的資源分配方案。

1 NB-IoT幀結(jié)構(gòu)

為支持帶內(nèi)操作模式，NB-IoT系統(tǒng)下行仍采用15 kHz子載波間隔，多址方式仍重用正交頻分多址（OFDMA）方式；系統(tǒng)的下行幀結(jié)構(gòu)、時隙結(jié)構(gòu)、資源格和資源單元定義與LTE相同，只是在頻域上僅包含12個連續(xù)子載波（對應1個資源塊）。NB-IoT系統(tǒng)的上行同時支持3.75 kHz和15 kHz兩種子載波間隔，多址方式仍重用單載波頻分多址（SC-FDMA）方式。采用3.75 kHz的子載波間隔只支持單載波的調(diào)度，而15 kHz子載波間隔同時支持單載波和多載波的調(diào)度。對于15 kHz的子載波間隔、幀結(jié)構(gòu)與LTE相同；為更好適配3.75 kHz的子載波間隔，新的長度為2 ms的窄帶時隙結(jié)構(gòu)被定義，如圖1所示，一個無線幀包含5個窄帶時隙，每個窄帶時隙包含7個正交頻分復用（OFDM）符號[1]。

2 NB-IoT復用方式

基于已確定的幀結(jié)構(gòu)，窄帶物理下行控制信道（NPDCCH）和窄帶物理下行共享信道（NPDSCH）以及不同NPDSCH的復用能夠只按照時分復用（TDM）方式，或按照TDM和頻分多路復用（FDM）的方式。前者實現(xiàn)簡單，標準化影響小且具有更好的后向兼容性。為支持后者，除NPDCCH以外，NPDSCH也必須支持子載波級別的資源分配，這會導致較大的標準化影響。采用固定的FDM圖樣會導致資源浪費，而采用動態(tài)的FDM圖樣雖然具有更好的靈活性但控制開銷較大。另外，對于下行，支持子載波級的資源粒度并不能帶來覆蓋提升和顯著的調(diào)度增益，反而會導致調(diào)度的復雜度和資源的碎片化。基于上述的分析，最終NB-IoT標準規(guī)定在NPDCCH與NPDSCH之間以及在不同NPDSCH之間的復用只采用TDM的方式，這直接決定了NPDCCH以及與其相關(guān)的上下行調(diào)度的整體機制[2]。與下行不同，為實現(xiàn)更高的用戶容量或復用程度以及擴展的上行覆蓋，上行需要支持單載波的調(diào)度，所以不同的窄帶物理上行共享信道（NPUSCH）之間允許采用FDM的復用方式。

3 NB-IoT調(diào)度單元

由于NB-IoT系統(tǒng)的下行只支持不同NPDSCH之間以TDM方式復用資源，所以NPDSCH的調(diào)度自然應該以子幀為單位。對于NB-IoT系統(tǒng)上行，當子載波間隔為3.75 kHz時，考慮到不管是針對承載上行業(yè)務還是混合自動重傳請求確認信息（HARQ-ACK）的NPUSCH都只支持單載波調(diào)度，最終用于上行業(yè)務和HARQ-ACK調(diào)度的調(diào)度單元大小可以分別確定為32 ms（16個窄帶時隙）以及8 ms（4個窄帶時隙）。當子載波間隔為15 kHz時，對于承載上行業(yè)務的NPUSCH，調(diào)度單元的劃分原則是：對于不同的頻域子載波數(shù)，一個調(diào)度單元中有效的資源單元數(shù)量應該盡可能保持一致，同時還要保證時域長度恰好是2的整數(shù)冪。上述方法有助于在對應不同的頻域子載波數(shù)的調(diào)度單元共享上行資源的情況下，降低資源的碎片率。基于上述原則，對應不同子載波數(shù)的調(diào)度單元的大小，如表1所示。對于承載HARQ-ACK的NPUSCH，只有單載波調(diào)度被支持，最終用于HARQ-ACK調(diào)度的調(diào)度單元大小確定為2 ms（即2個子幀）[3-4]。