NB-IoT下行鏈路關鍵技術分析與性能仿真

文/陳剛 黃欣 王家誠 龐宇 趙汝法

1 引言

近年來，物聯網(Internet of Things，IoT)發展迅速，稱為未來“萬物互聯”愿景的重要底層支撐技術。據技術市場研究公司Gartner的預測，預計到2020年，移動物聯網設備將超過260 億臺。而目前物聯網市場上，據不完全統計，低速率業務已占據67%以上的IoT業務，且缺乏良好的蜂窩技術支持，這意味著低速率廣域網技術的市場需求巨大。隨著IoT的不斷發展，廣域網通信技術的發展尤為明顯。

基于長期演進項目(Long Term Evoluntation, LTE)的4G 通信系統擴展的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）技術具有明顯的優勢。NB-IoT 的系統設計，盡可能與LTE 保持兼容一致，便于利用LTE 已有成熟的產業鏈和全球廣覆蓋的網絡，快速升級支持NB-IoT 發展。與此同時，NBIoT 系統的芯片、模組和設備發開正在快速推進，與之配套的軟件算法仿真平臺一方面能夠輔助開發人員進行調試和性能測試；另一方面能夠成為開發人員快速了解NB-IoT 系統的平臺工具。因此，本文對NB-IoT 系統下行鏈路進行分析，并基于Matlab 搭建NB-IoT 下行鏈路仿真平臺。

2 NB-IoT標準化

物聯網應用發展已經超過10年，但采用的大多是針對特定行業或非標準化的解決方案，存在可靠性低，安全性差，操作維護成本高等缺點?；诙嗄甑臉I界實踐可以看出，物聯網通信能否成功發展的一個關鍵因素是標準化。與傳統蜂窩通信不同，物聯網應用具有支持海量連接數、低終端成本、低終端功耗和超強覆蓋能力等特殊需求。這些年來，不同行業和標準組織制訂了一系列物聯網通信方面的標準，例如針對機器到機器（M2M）應用的碼分多址（CDMA）2000 優化版本，長期演進（LTE）R12 和R13 的低成本終端category0 及增強機器類型通信（eMTC），基于全球移動通信系統（GSM）的物聯網（IoT）增強等，但從產業鏈發展以及技術本身來看，仍然無法很好滿足上述物聯網應用需求。在這個背景下，3GPP 于2015年9月正式確定窄帶物聯網（NB-IoT）標準立項，全球業界超過50 家公司積極參與，標準協議核心部分在2016年6月宣告完成，并正式發布基于3GPP LTE R13版本的第1 套NB-IoT 標準體系。

圖1：NB-IoT 系統三種部署模式

3 NB-IoT下行鏈路分析

NB- IoT 系統預期能夠滿足在180 kHz 的傳輸帶寬下支持覆蓋增強（提升20 dB 的覆蓋能力）、超低功耗（5Wh 電池可供終端使用10年）、巨量終端接入（單扇區可支持50000個連接）的非時延敏感（上行時延可放寬到10s 以上）的低速業務（支持單用戶上下行至少160bit/s）需求。NB-IoT 基于現有4G LTE系統對空口物理層和高層、接入網以及核心網進行改進和優化，以更好地滿足上述預期目標。

3.1 NB-IoT部署模式

根據NB-IoT 的立項目標，蜂窩物聯網的無線接入的重點需求是增強室內覆蓋，支持大量的低吞吐量設備，低延遲敏感度，超低成本、低功耗設備和網絡體系架構。

NB-IoT 系統所支持的部署模式根據其所處的頻段可分為Stand-alone, Guard-alone, Inband 三種，示意圖如圖1所示。

（1）獨立部署(Stand-alone)：GSM 運營商使用NB-IoT 替代200kHz 的GSM 帶寬，在GSM EDGE 無線接入網等系統中重新規劃專用頻譜，這種部署方式在實際應用中是可行的，因為GSM 的帶寬，包含保護帶在內，與NBIoT 的帶寬相同，均為200kHz；

（2）保護帶部署(Guard-band)：利用LTE 運營商保護帶內未使用的資源塊來部署NB-IoT 系統；

（3）帶內部署(In-band)：即LTE 運營商內部的NB-IoT 系統，運營商通過規劃，將一個180kHz 的帶內物理資源塊分為給NB-IoT系統。經過NB-IoT 空口優化，可以與現有LTE 系統和諧共存，而不影響其傳輸性能；

在實際部署中，運營商可根據自身的頻譜資源和現有網絡情況，選擇合適的工作模式，通過新建或者網絡升級的方式部署NB-IoT 無線網絡?？紤]到網絡建設初期NB-IoT 業務量小，完全新建一張專用核心網絡成本較高，工作量較大，也可采用現有LTE EPC 升級的方式快速支持NB-IoT。當NB-IoT 業務量大時再通過獨立建網的方式支持。中國電信NB-IoT 網絡優先考慮采用獨立工作模式部署在800 MHz上端，通過對800 MHz 碼分多址（CDMA）部分載波進行重耕部署LTE800 MHz，再通過軟件升級的方式支持NB-IoT。NB-IoT 與800 MHz LTE 無線網絡共站址、共天饋、共設備、共傳輸，具有廣覆蓋的優勢。同時，為了快速支持NB-IoT 網絡開通和業務運營，核心網初期采用EPC 升級的方式，后續NB-IoT 業務量大時，再獨立建網。裝有NB-IoT 模塊的終端通過NB-IoT 蜂窩網絡連接至全國統一的物聯網連接管理和業務應用使能平臺，通過平臺層接口對應用層各種業務進行開放。NB-IoT 端到端整體網絡架構。

圖2：NB-IoT 下行仿真鏈路

圖3：QPSK 調制方式下的BLER 性能仿真結果

4 NB-IoT下行仿真鏈路搭建及仿真

NB-IoT 與LTE 系統類似，下行采用OFDMA 的多址方式，對于Stand-alone、Guard-band 和In-band 三種操作模式，都采用15kHz 的子載波間隔。NB-IoT 的部署規范如表1所示。

4.1 下行鏈路關鍵技術分析

在NB-IoT 下行鏈路中，物理層接收機關鍵技術為多址接入、調制解調和信道碼譯碼：

（1）多址接入方式采用的是與LTE 下行鏈路一致的OFDMA 方案。OFDMA 多址方案在的發射端和接收端分別需要進行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)和IFFT變換。考慮到FFT 與IFFT 運算操作的相似性，在實際系統中可以共享FFT 硬件加速模塊，因此，FFT 硬件加速器的高效實現稱為NB-IoT 系統下行鏈路的關鍵技術之一。

（2）在NB-IoT 下行鏈路中，調制方式為QPSK 和BPSK 兩種，并未支持如16QAM的更高階調制，其目的是為了降低系統功耗開銷，這兩種調制方式的數字化調制和解調已經在LTE 系統中有非常成熟的運用，因此在NB-IoT 系統中可以有很好的借鑒。

（3）NB-IoT 系統中上行鏈路信道編碼方案采用的是咬尾卷積碼（TBCC）方案，TBCC 碼相比于NB-IoT 上行鏈路采用的Turbo碼[8-13]雖然糾錯性能稍弱，但其譯碼復雜度很低，比較適合于低功耗移動端設備，考慮到NB-IoT 下行鏈路中基站發射端射頻功耗相對不太敏感，而移動端設備基帶處理功耗極端受限，因此NB-IoT 下行鏈路采用了TBCC 碼作為信道編碼方案。

4.2 NB-IoT下行仿真鏈路

表1：NB-IoT 系統規范

窄帶物理下行共享信道(Narraw Physical Dowlink Sharing Channel, NPDSCH)用于承載NB-IoT 系統不同的下行業務數據，如單播業務數據、尋呼消息以及RAR 消息等，仿真鏈路框圖如圖2所示，其中：

（1）CRC：按照TS36.212 通過24 比特的CRC 校驗碼。

（2）信道編碼：與LTE 標準中的Turbo相比，咬尾卷積碼（TBCC）具有更低的譯碼復雜度，更適合低功耗、低成本的移動終端，因此，NPDSCH 中采用TBCC 編碼。

（3）調制：考慮到NB-IoT 低功耗、低成本終端設備的接收信噪比不會很高，不需要支持16QAM 調制，NPDSCH 中采用QPSK 調制方式。

（4）天線規模：NB-IoT 中規定可支持到2 天線端口，采用空頻塊碼（SFBC）的方式利用天線分集。本仿真中收發均為單天線。

（5）多址方式：NPDSCH 采用的多址方式為OFDMA

（6）帶寬：終端下行射頻接收帶寬為180kHz，15kHz 子載波間隔

（7）資源映射：以4 端口LTE CRS 和2端口窄帶參考信號為例，如下圖所示，在每個子幀范圍內，調至符號按照先頻域后時域的方式進行映射，其中，上述調制符號不會映射到分配用于窄帶參考信號和LTE CRS 傳輸的資源單元以及LTE 的控制信道區域。當在一個子幀內的資源單元完全被調制符號填充之后，生于調制符號繼續映射到傳輸時間間隔內的下一個子幀。

4.3 仿真結果

圖3給出了15kHz 子載波間隔下的NBIoT 上行鏈路的誤塊率(Block Error Rate, BLER)仿真結果，其中Turbo 碼譯碼迭代次數為5 次。

5 結束語

目前，NB-IoT 系統的芯片、模組和設備的開發正在快速推進，急需配套的軟件仿真平臺，為硬件和芯片開發測試提供基線。本文對第三代合作伙伴計劃NB-IoT 協議中的下行鏈路及其涉及到的關鍵技術進行分析，并基于Matlab 搭建仿真平臺，為芯片和模組等硬件開發流程提供便利的參考。