窄帶蜂窩物聯網終端上行資源調度的分析與設計

陳發堂，邢蘋蘋，楊艷娟

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，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展，物聯網作為構建智能世界的推動者之一，需要對各種對象(例如手機、計算機、汽車、電子家庭設備等)建立連接，并且讓這些對象以協作的方式自動或智能地為人們服務[1-2]。然而，無線通信和移動互聯網服務的快速增長使得有必要提高當前物聯網技術的性能，以實現諸如低成本、低復雜性、覆蓋增強等要求[3-5]。窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)是一種專為物聯網設計的新型窄帶無線技術，可直接部署在全球移動通信系統(Global System for Mobile Communication, GSM)或長期演進(Long Term Evolution, LTE)網絡中，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的吞吐量，目前已有相關學者對窄帶物聯網進行了研究, 如文獻[4]對NB-IoT系統框架進行了概括，其研究包括NB-IoT的不同定義、關鍵技術、開放性問題和主要挑戰； 文獻[5]對工業中的物聯網進行了系統性的調查，并總結了廣泛的研究，所支持關鍵的技術以及物聯網在工業中的主要應用，并確定了未來的研究趨勢和挑戰；在鏈路資源調度方面，文獻[6]對NB-IoT下行資源分配提出了一種預分割資源分配策略；文獻[7]研究了窄帶物理隨機接入信道(Narrowband Physical Random Access CHannel, NPRACH)的設計和檢測；文獻[8-9]中研究了窄帶物理上行共享信道(Narrowband Physical Uplink Shared CHannel, NPUSCH)上行鏈路調度中的幾項重要技術，如定時和混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat reQuest, HARQ)；文獻[10]對NB-IoT系統上行自適應鏈路進行了分析與設計，主要是對調制解調等級的選擇，但是并沒有把上行功率控制和覆蓋增強等級考慮在內。

因此本文主要對NB-IoT系統的上行鏈路的資源調度進行了詳細的分析，并將上行功率控制、覆蓋等級、上行(UpLink, UL)傳輸間隙(GAP)以及上行資源調度考慮在內。由于上行是NB-IoT系統的主要業務方向，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，在給定標準化參數選擇的情況下，對調制編碼方案和重復傳輸次數的選擇進行了設計與分析，并與直傳的方法進行了仿真對比。

1 NB-IoT簡述

NB-IoT通過重用現有的網絡結構(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網絡。與LTE-A相比，NB-IoT具有以下特征[11]:

1)高覆蓋。NB-IoT系統室內覆蓋能力強，與LTE相比提升了20 dB增益，相當于提升了100倍覆蓋區域能力。

2)低功耗。NB-IoT 增加了節能模式(Power Saving Mode, PSM)和擴展非連續接收(extended Discontinuous Reception, eDRX); 同時引入了兩種數據傳輸方案，簡化空口信令，從而使電池壽命時間達到10年。

3)低成本。將NB-IoT系統集成到LTE網絡或重復使用現有GSM頻段的能力使移動網絡運營商(Mobile Network Operator, MNO)能夠輕松部署它。NB-IoT可以與傳統的蜂窩網絡共存，而且更簡單，能服務更多的設備。低復雜度使得設備成本低，NB-IoT 用戶終端(User Equipment, UE)比現有的UE便宜約5美元。

4)大連接。可以同時有約55 000連接設備/小區。

圖1 NB-IoT的三種部署模式

不同于LTE-A系統，NB-IoT系統支持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)保護帶部署。利用LTE的邊緣頻帶的保護帶部署；

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

關于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。當子載波個數為1時，支持兩種子載波間隔，3.75 kHz和15 kHz；當子載波個數大于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的場景，可以提供更低實現成本; 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得場景。為了增強覆蓋，NB-IoT定義了一個新概念，即重復傳輸。當信道不良且選定的調制與編碼方案(Modulation and Coding Scheme, MCS)不能支持目標誤塊率(BLock Error Rate, BLER)時，需要增加重復傳輸次數[12]; 然而，當信道相對較好且所選擇的MCS產生低于10%的BLER時，可以減少重復傳輸次數。重復是窄帶物聯網采用的一種關鍵解決方案, 因此，本文后面針對NB-IoT上行資源調度的有關因素以及調制編碼方案和重復傳輸次數的選擇進行了分析和設計。

2 NB-IoT上行資源調度

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度以及相關因素進行了分析，本章主要是對相關因素進行了分析，包括上行資源調度、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，所以需要考慮頻域資源分配，為了支持不同大小的傳輸塊，還需要配置對應資源單元(Resource Unit，RU)的數目，需要指示重復傳輸次數以通過能量累積支持覆蓋增強[12]。關于資源分配主要有以下幾個方案：

方案一 預先定義資源格式，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 動態指示，當子載波間隔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和起始位置。

由于方案一中資源格式固定，調度靈活性受限，因此本文采用方案二進行資源調度。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，4 b指示子載波位置，即頻域資源需要6 b；二是聯合指示，如表1，從表中可以看出，只需5 b就可指示子載波個數和位置，因此，使用聯合指示的開銷小于單獨指示。

表1 動態指示子載波個數

2.2 上行功率的控制

關于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[11]中已經提出了以子載波為粒度進行上行功率控制。

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，對于相同的目標信干噪比(Signal-to-Interference plus Noise Ratio, SINR)需求，二者需要的目標接收功率不同，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，當采用3.75 kHz時，上行傳輸資源帶寬參數設置為1/4。

3)閉環功率控制。由于NB-IoT的業務場景，通常情況下終端接入后完成一個數據包的發送會重新進入休眠狀態，業務稀疏且持續時間短，而閉環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發送數據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整上行控制信息的傳輸方案例如重復次數來解決。

綜上所述，對于UE在上行時隙i向服務小區c進行NPUSCH傳輸的發射功率為PNPUSCH,c(i)，假設NPUSCH資源單元的重復次數大于2，則PNPUSCH,c(i)=PCMAX,c(i)，也就是說，對于需要通過多次重復傳輸來增強覆蓋的UE，采用最大的發射功率，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)是系統針對服務小區c在上行時隙i配置的UE最大發射功率；當子載波間隔為15 kHz時，MNPUSCH,c(i)的取值包括{1,2,3,4}；當子載波間隔為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P0_NOMINAL_NPUSCH,c(j)和P0_UE_NPUSCH,c(j)均由高層配置[13]。

當j=1時，對于NPUSCH格式1即通過NPUSCH發送或重傳數據，αc(j)由高層信令配置，對于NPDSCH格式2即通過NPUSCH發送上行控制信息; 當j=2時，對應于隨機接入響應授權的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應根據收到的功率余量報告(Power Headroom Report，PHR)正確調度tone和MCS；否則，可能發生UE側的功率縮放。關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量并報告。

方案二 按照NPUSCH的Single-tone以及15 kHz子載波間隔發送數據時的發射功率進行功率余量計算，并按照功率余量取值映射表進行報告。

當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UE在上行時隙i向服務小區c發送NPUSCH時，功率余量可根據式(2)計算:

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

(2)

各個參數的定義與上述相同，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PHc來調度正確的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終端在連續長時間的上行傳輸時，終端功率放大器的熱耗散導致發射機溫度變化，該溫度變化將導致晶振頻率漂移。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)時頻偏跟蹤補償后滿足一定的指標范圍，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的數據傳輸后，要配置40 ms的上行GAP時間用來進行頻率漂移的糾正，剩下的數據順延后再發送。針對NPRACH信道，終端在完成64次前導碼重復發送之后，要配置40 ms的UL GAP時間用來進行頻率漂移的糾正，剩下的前導碼順延后再發送。

3 NB-IoT上行MCS和重復次數的選擇

合適的MCS等級以及重復傳輸次數的選擇可以使得系統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級別和重復傳輸次數組合，然后再來選擇一個最優的組合，這違背了NB-IoT低復雜度的特性, 因此, 本文主要涉及一種低復雜度的上行鏈路機制，對于MCS級別和重傳傳輸次數的選擇，主要有兩種方案: 一是先選擇MCS級別然后在選擇重復傳輸次數，二是先選擇重復傳輸次數然后在選擇MCS級別。在文獻[10]中，已經證明了方案一的性能優于方案二，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 重復次數的選擇與MCS的更新

在NB-IoT系統中，在每個NPUSCH傳輸塊傳輸之前，應首先通過窄帶物理下行控制信道(NPDCCH)傳輸相關的控制信息，包括RU數目、選擇的MCS和重復傳輸的次數。需要注意的是協議中規定NB-IoT的重復傳輸次數只能在{1,2,4,8,16,32,64,128}中選擇。圖2給出了在NB-IoT中的重復的圖示，其中在一次傳輸期間，具有相同內容的NPDCCH和NPUSCH傳輸塊都被重復傳輸4次。

圖2 NB-IoT中的重復傳輸

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

Δ(t)=Δ(t-1)+C

(4)

其中:C表示增量補償因子，初始值設置為0.2。當HARQ反饋信號為ACK時C=CA，C為正數；當反饋信號為NACK時，C為負數C=CN。CA與CN的關系可以表示為：

(5)

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

基于上述，根據UE的覆蓋等級聯合PHR的調度策略來選擇MCS的初始級別，然后通過補償因子來更新MCS的級別之后，利用查找表方法即可確定資源單元的大小,對應關系如表3所示。

表3 MCS與資源單元數目的關系

4 仿真分析

為了評估所提方案的性能，采用Matlab仿真平臺進行了仿真分析，仿真參數如表4所示，部分仿真參數見文獻[13]，使用最大比合并技術, 單發送天線, 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, 基于解調參考信號(Demodulation Reference Signal, DMRS) 的NPDCCH信道估計。

表4 參數設置

從圖3可以看出具有不同數量的RU的SNR與重復數目之間的關系，即不同MCS級別和資源單元下的信噪比與重復傳輸數目之間的關系。結果表明，當使用的重復次數較大時，正確解碼信道條件較差的消息的概率增大, 因此，可以得出當重復傳輸次數增大時，可在更差信道條件下成功傳輸消息。

圖3 SNR與重復數目之間的關系

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。與直接轉發的方法相比，所提方案平均可節省56%的活動時間和46%的資源消耗。即說明了，在保證數據傳輸可靠的基礎上，當數據包較小以及信號較好時，資源節省較多；當數據包較大且覆蓋不好的情況下，可以大量節約資源的消耗。因此，當信道條件較好時，可以選擇更大的MCS級別來節省消耗的資源。

表5 不同覆蓋等級下的活動時間與資源消耗數目

5 結語

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