基于NB—IoT协议的加解扰设计

摘 要：本文提出一种快速且可以在耗费资源少的情况下生成的解扰序列，并提出NB-IoT协议公共数据信道的加扰/解扰的设计方法。本设计方法采用预先自生成的表格、RNTI值以及小区参数（物理层小区ID号、无线帧号SFN、时隙号Ns等），快速生成NC比特后的短序列状态，再以此短序列为初始态，按序列生成公式、生成所需要的伪随机序列，最后实现对公共数据信道的加扰/解扰功能，从而避免整个扰码序列前NC个比特的生成耗时。改进后，本发明对正常的加解扰功能没有影响，但整个伪随机序列生成总耗时至少降低了一半。对现有的软硬件模块没有冲突，不需要重新设计，成本较少。

关键词：伪随机序列；窄带物联网；加扰；解扰

中图分类号：TN929.5；TP391.44 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）05-0194-03

Scrambling Design Based on NB-IoT Protocol

RUAN Junbing

（Jingxin Software Technology（Guangzhou）Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，China）

Abstract：In this paper，we propose a fast and efficient descramble sequence generated in the case of less resource consumption，and propose a design method of scrambling/descramping for the common data channel of the NB-IoT protocol. The design method uses the pre generated form，RNTI value and cell parameters（physical layer ID number，wireless frame number SFN，time slot number Ns，etc.）to quickly generate the short sequence state after NC bit，and then take the short sequence as the initial state，and generate the required pseudo random sequence according to the sequence generation formula，and finally，the scrambling/descrambling function of the common data channel is realized，so as to avoid the time consuming of generating NC bits before the scrambling sequence. After improvement，the invention has no influence on the normal scrambling and scrambling function，but the total pseudo random sequence generation time is reduced by at least half. There is no conflict between the existing hardware and software modules，no redesign and less cost.

Keywords：pseudo random sequence；narrowband Internet of things；scrambling；descrambling

0 引 言

物联网通信技术的快速发展催生了低功耗广域（Low Power Wide Area，LPWA）技术的兴起。LPWA技术主要面向低功耗、广覆盖、远距离、低带宽的物联网业务，种类繁多，其中具有代表性的技术有基于授权频谱的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），NB-IoT是3GPP（3rd Generation Partnership Project，3GPP）为支持超低复杂性和低吞吐量物的联网所引入蜂窝系统的一种LPWA蜂窝解决方案，具有低成本、低功耗、大连接、广覆盖等优点。在NB-IoT系统中，上下行公共数据信道，如图1和图2所示的处理过程与LTE类似，基站端同样要对数据进行加扰或解扰处理，而加扰或解扰的重点是扰码序列的生成。

在实际的工程应用中，对低成本、大连接的系统特性以及信号处理的实现复杂度提出了更高的效率要求。本文主要从适用于NB协议特性的伪随机序列生成过程中耗费时间优化进行研究。本文提出一种有用的初始序列快速预生成的算法，与常规算法相比，该算法极大地提高了执行速度。

1 伪随机系统生成算法

1.1 NB-IoT系统伪随机序列的生成

扰码序列的生成方法如下所述。

其中x1（n）为第一伪随机序列，x2（n）为第二伪随机序列，这两个序列均为Gold序列，初始值为31位，也就是n从0到30。因此，c（n）也是一个Gold序列。对于第一伪随机序列，它的初始值为x1（0）=1，x1（n）=0；n=1，…，30；第二伪随机序列，，其中Cinit的值由UE的参数以及所在的帧号而定。这样，可以通过掩码序列产生第一伪随机序列的自加扰序列，具体实施过程如下：

第一伪随机序列的自加扰序列生成多项式为：

第二伪随机序列的自加扰序列生成多项式为：

式中，Nc=1600，NC是为了保证不同序列之间的非相关性而特意增加的状态偏移量。

1.2 伪随机序列的常规算法

伪随机序列C（n）生成过程中，两个m序列分别由31个带有反馈的线性移位寄存器移位产生。由式（2）、（3）可以知道，自加扰序列从第31位开始，每一位均与前面序列有关。又根据公式（1）知道扰码序列是由第NC位产生的，NC取值为1600。因此，自加扰序列从第1600位开始才是有效序列，用于产生扰码序列c（n）。显然，1600次的计算既浪费时间也浪费资源。在NB-IoT系统中，伪随机序列的有效长度最大不会超过3800bit，更多的情况下，需要生成的伪随机序列长度非常短，最短只有24bit，这就导致系统更多的时间耗费在初始迭代的NC次运算上。正是基于这一点，本文提出了一种新的实现方法，可以提高伪随机序列生成的效率。

1.3 初始序列快速预生成算法

从式（2）、（3）可以知道，自加扰序列从第31位开始，每一位均与前面序列有关，而且通过递归都可以表示为：

其中M0，M1，…，M30为正整数序列，其取值与M的值有关，而与x1（n）的初始序列取值无关（即与伪随机序列的Cinit的值无关）。同时，从公式（1）、（2）、（3）可以得出，无论是x1（n）、x2（n）或者C（n），都是由多个值为0或1的值累加后，再对2进行求模，最终得到的值也是0或1。因此，可以对M0，M1，…，M30这个正整数序列分别进行模2求值，获得对应的M0，M1，…，M30。再把M0，M1，…，M30组合成一个32位表示的正整数M1_data，M0在低位，M30在高位。

求x1（M）的值，只要把M1_data和x1（0），x1（1），…，x1（30）组成的另一个正整数M1_data（x1（0）在低位，x1（30）在高位）进行与运算，得到Y1_data，再求出Y1_data中比特位为1的个数Z1，最后对Z1进行模2运算，获得的值即为x1（M）的值。由于x1（n）的初始值固定，且只有x1（0）为1，则x1（M）的计算公式可以简化为：

同理，x2（M）的计算公式为：

式中，BitCount是指计算一个整数中比特位为1的个数。

在求得x1（M）、x2（M）的值后，根据公式（1）求出最终的c（M）的值。

综上所述，可以把M1_data做成一个M个元素的已知查找表，（M的值为伪随机序列需求的最大长度），其为第一伪随机序列x1（n）的运算查找表。同理，也可以把M2_data做成一个M个元素的已知查找表，其为第二伪随机序列x2（n）的运算查找表，此查找表与伪随机序列的Cinit值进行相与运算后得到Y2_data/Y2_data，再求Y1_data/Y2_data中比特位为1的个数z1/z2，对z1/z2求模2运算后，即得到我们需要的Gold码比特。再根据公式（1），求得所需要的扰码序列比特值。因此，在偏移NC个比特后，由本文提出的优化算法生成有效序列的初始状态值，再根据常规算法获得加扰/解扰所需要的扰码序列，实现加扰/解扰功能。

2 DSP实现及仿真分析

2.1 DSP实现流程

初始序列快速预生成算法在DSP中实现的流程图如图3所示。

2.2 仿真分析

为比较常规算法和初始序列快速预生成算法的优劣，从时间复杂度进行仿真分析。从不同的扰码序列长度来比较：长度分别为24bit、256bit、512bit、1600bit、3800bit、10000bit。用这6组数据进行仿真，结果如图4所示。

为了清楚地表示算法的执行效率，图4中横坐标采用对数形式。从图4中可以看到，与常规算法比较，随着伪随机序列长度的增加，其执行效率趋向于一致，但在伪随机序列长度较短时，优化算法的执行效率得到极大提高。因此，本算法比较适用于NB-IoT系统。

3 结 论

本文对正常的加扰/解扰没有影响，在NB-IoT系统中，本实现方法极大地提高了加扰/解扰的执行效率。同时，NC的取值大小对扰码生成复杂度无影响。本发明对现有的软硬件模块没有冲突，不需要重新设计，成本较少，并且与大系统中连接UE的个数或系统制式等无关，在理论上也降低了系统成本。

参考文献：

[1] 3GPP TS 36.211 v9.1.0，3rd Generation Partnership Project；Technical Specification Group Ration Access Network；Evolued Universal Terrestrial Radios Access（E-UTRA）；Physical Channels and Modulation（Release 9） [S].2010.

[2] 谢书通，梅雪浩.NB-IoT技术研讨与应用实例 [J].现代信息科技，2017，1（6）：121-122.

[3] 曾丽丽.基于NB-IoT的随机接入技术研究 [J].现代信息科技，2018，2（1）：176-177.

作者简介：阮俊冰（1983.05-），男，中级工程师，硕士。研究方向：通信基带信号处理。