窄带蜂窝物联网终端上行资源调度的分析与设计

陈发堂，邢苹苹，杨艳娟

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)(*通信作者电子邮箱593160493@qq.com)

0 引言

无线通信正在迅猛发展，物联网作为构建智能世界的推动者之一，需要对各种对象(例如手机、计算机、汽车、电子家庭设备等)建立连接，并且让这些对象以协作的方式自动或智能地为人们服务[1-2]。然而，无线通信和移动互联网服务的快速增长使得有必要提高当前物联网技术的性能，以实现诸如低成本、低复杂性、覆盖增强等要求[3-5]。窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)是一种专为物联网设计的新型窄带无线技术，可直接部署在全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication, GSM)或长期演进(Long Term Evolution, LTE)网络中，以减少部署成本[6]。

不同的链路资源分配方案直接影响着系统的吞吐量，目前已有相关学者对窄带物联网进行了研究, 如文献[4]对NB-IoT系统框架进行了概括，其研究包括NB-IoT的不同定义、关键技术、开放性问题和主要挑战； 文献[5]对工业中的物联网进行了系统性的调查，并总结了广泛的研究，所支持关键的技术以及物联网在工业中的主要应用，并确定了未来的研究趋势和挑战；在链路资源调度方面，文献[6]对NB-IoT下行资源分配提出了一种预分割资源分配策略；文献[7]研究了窄带物理随机接入信道(Narrowband Physical Random Access CHannel, NPRACH)的设计和检测；文献[8-9]中研究了窄带物理上行共享信道(Narrowband Physical Uplink Shared CHannel, NPUSCH)上行链路调度中的几项重要技术，如定时和混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat reQuest, HARQ)；文献[10]对NB-IoT系统上行自适应链路进行了分析与设计，主要是对调制解调等级的选择，但是并没有把上行功率控制和覆盖增强等级考虑在内。

因此本文主要对NB-IoT系统的上行链路的资源调度进行了详细的分析，并将上行功率控制、覆盖等级、上行(UpLink, UL)传输间隙(GAP)以及上行资源调度考虑在内。由于上行是NB-IoT系统的主要业务方向，在资源分配、功率控制以及上行传输GAP方面分别提供不同的选择方案，并选择一个合理的方案。另外，在给定标准化参数选择的情况下，对调制编码方案和重复传输次数的选择进行了设计与分析，并与直传的方法进行了仿真对比。

1 NB-IoT简述

NB-IoT通过重用现有的网络结构(例如LTE或GSM)，为其部署提供了更大的灵活性，这使得其更加适合5G网络。与LTE-A相比，NB-IoT具有以下特征[11]:

1)高覆盖。NB-IoT系统室内覆盖能力强，与LTE相比提升了20 dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力。

2)低功耗。NB-IoT 增加了节能模式(Power Saving Mode, PSM)和扩展非连续接收(extended Discontinuous Reception, eDRX); 同时引入了两种数据传输方案，简化空口信令，从而使电池寿命时间达到10年。

3)低成本。将NB-IoT系统集成到LTE网络或重复使用现有GSM频段的能力使移动网络运营商(Mobile Network Operator, MNO)能够轻松部署它。NB-IoT可以与传统的蜂窝网络共存，而且更简单，能服务更多的设备。低复杂度使得设备成本低，NB-IoT 用户终端(User Equipment, UE)比现有的UE便宜约5美元。

4)大连接。可以同时有约55 000连接设备/小区。

图1 NB-IoT的三种部署模式

不同于LTE-A系统，NB-IoT系统支持3种部署模式[5]：

1)独立部署。利用与LTE频段不重叠的独立频段；

2)保护带部署。利用LTE的边缘频带的保护带部署；

3)带内部署。采用LTE频段进行部署的带内部署，部署LTE频段资源占用1个物理资源块(Physical Resource Block, PRB)。

关于NB-IoT上行链路传输，支持Single-tone和Multi-tone传输。Single-tone传输支持两种载波间隔：15 kHz和3.75 kHz。当子载波个数为1时，支持两种子载波间隔，3.75 kHz和15 kHz；当子载波个数大于1时，只支持15 kHz的子载波间隔。其中，Single-tone传输主要适用于低速率以及覆盖增强的场景，可以提供更低实现成本; Multi-tone传输可以比Single-tone传输提供更大速率，也可以支持覆盖增强得场景。为了增强覆盖，NB-IoT定义了一个新概念，即重复传输。当信道不良且选定的调制与编码方案(Modulation and Coding Scheme, MCS)不能支持目标误块率(BLock Error Rate, BLER)时，需要增加重复传输次数[12]; 然而，当信道相对较好且所选择的MCS产生低于10%的BLER时，可以减少重复传输次数。重复是窄带物联网采用的一种关键解决方案, 因此，本文后面针对NB-IoT上行资源调度的有关因素以及调制编码方案和重复传输次数的选择进行了分析和设计。

2 NB-IoT上行资源调度

为了获得更好的上行链路吞吐量性能并避免无线链路故障，需要对上行链路资源调度以及相关因素进行了分析，本章主要是对相关因素进行了分析，包括上行资源调度、功率控制以及传输间隙(UL GAP)，并对每个因素提供不同的选择方案从而选出更优的选择。

2.1 资源分配

对于NPUSCH格式1，由于支持多种子载波个数，所以需要考虑频域资源分配，为了支持不同大小的传输块，还需要配置对应资源单元(Resource Unit，RU)的数目，需要指示重复传输次数以通过能量累积支持覆盖增强[12]。关于资源分配主要有以下几个方案：

方案一 预先定义资源格式，通过高层信令配置使用哪个资源格式，下行控制信息(Downlink Control Information，DCI)中只需指示子块索引即可。

方案二 动态指示，当子载波间隔3.75 kHz时，NPUSCH格式1只支持单子载波传输，所以只需指示子载波位置即可。当子载波间隔为15 kHz时，NPUSCH支持单载波和多载波传输，所以需要指示子载波个数和起始位置。

由于方案一中资源格式固定，调度灵活性受限，因此本文采用方案二进行资源调度。在方案二中，需要指示子载波的位置也有两种方案： 一是单独指示，因为子载波个数有4种，而子载波的位置有12种，所以需要2 b指示子载波个数，4 b指示子载波位置，即频域资源需要6 b；二是联合指示，如表1，从表中可以看出，只需5 b就可指示子载波个数和位置，因此，使用联合指示的开销小于单独指示。

表1 动态指示子载波个数

2.2 上行功率的控制

关于NB-IoT的上行功率控制，主要考虑以下几个方面：

1)子载波级别的功率控制。NB-IoT采用180 kHz带宽，上行支持Single-tone传输和Multi-tone传输，在文献[11]中已经提出了以子载波为粒度进行上行功率控制。

2)不同子载波间隔的功率差异。NB-IoT上行Single-tone传输支持两种子载波间隔，即3.75 kHz和15 kHz，对于相同的目标信干噪比(Signal-to-Interference plus Noise Ratio, SINR)需求，二者需要的目标接收功率不同，针对这一问题，通过在上行传输资源带宽参数反映了3.75 kHz和15 kHz子载波间隔的功率差异，以15 kHz子载波间隔为基准，当采用3.75 kHz时，上行传输资源带宽参数设置为1/4。

3)闭环功率控制。由于NB-IoT的业务场景，通常情况下终端接入后完成一个数据包的发送会重新进入休眠状态，业务稀疏且持续时间短，而闭环功率控制需要占用一定的开销。

4)上行控制信息的功率控制。由于NB-IoT中没有类似于LTE PUCCH的控制信道，上行的控制信息需要通过NPUSCH来传输，因此上行控制信息与NPUSCH发送数据可以采用相同的功率控制，两者之间的功率控制差异可以通过调整上行控制信息的传输方案例如重复次数来解决。

综上所述，对于UE在上行时隙i向服务小区c进行NPUSCH传输的发射功率为PNPUSCH,c(i)，假设NPUSCH资源单元的重复次数大于2，则PNPUSCH,c(i)=PCMAX,c(i)，也就是说，对于需要通过多次重复传输来增强覆盖的UE，采用最大的发射功率，否则

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)是系统针对服务小区c在上行时隙i配置的UE最大发射功率；当子载波间隔为15 kHz时，MNPUSCH,c(i)的取值包括{1,2,3,4}；当子载波间隔为3.75 kHz时，MNPUSCH,c(i)=1/4。P0_NPUSCH,c(j)=P0_NOMINAL_NPUSCH,c(j)+P0_UE_NPUSCH,c(j)，其中j={1,2}。参数P0_NOMINAL_NPUSCH,c(j)和P0_UE_NPUSCH,c(j)均由高层配置[13]。

当j=1时，对于NPUSCH格式1即通过NPUSCH发送或重传数据，αc(j)由高层信令配置，对于NPDSCH格式2即通过NPUSCH发送上行控制信息; 当j=2时，对应于随机接入响应授权的NPUSCH的传输或重传，其中αc(j)=1。PLc是UE估计的下行路径损耗。

eNB应根据收到的功率余量报告(Power Headroom Report，PHR)正确调度tone和MCS；否则，可能发生UE侧的功率缩放。关于功率余量的计算与报告，主要有两种方案可供选择:

方案一 不直接报告功率余量，而是UE估计其可以使用的子载波数量并报告。

方案二 按照NPUSCH的Single-tone以及15 kHz子载波间隔发送数据时的发射功率进行功率余量计算，并按照功率余量取值映射表进行报告。

当PHR为正时，表示UE可以在下一轮传输中增加功率，因此，如果UE已经使用最大功率并且eNB没有接收到UE的PHR报告，则eNB将会错误地增加MCS和选择tone，因此采用方案二来计算功率余量。在NB-IoT中，当UE在上行时隙i向服务小区c发送NPUSCH时，功率余量可根据式(2)计算:

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

(2)

各个参数的定义与上述相同，这里得到功率余量值只有4个，即{PH1，PH2，PH3，PH4}dB[10], 因此，eNB可以根据PHc来调度正确的RU和MCS。

2.3 上行传输时隙

由于NB-IoT低成本需求，配备较低成本晶振的NB-IoT终端在连续长时间的上行传输时，终端功率放大器的热耗散导致发射机温度变化，该温度变化将导致晶振频率漂移。因此为了纠正这种频率漂移，NB-IoT引入了上行传输GAP，让终端在长时间连续传输中可以暂停上行传输，并且利用这段时间终端切换到下行链路。对于上行传输GAP总体设计需要考虑两个问题:

1)上行传输GAP时间是否可以保证终端利用下行窄带参考信号(Narrow Reference Signal, NRS)或者窄带主同步信号/窄带辅同步信号(Narrowband Primary Synchronization Signal/Narrowband Secondary Synchronization Signal, NPSS/NSSS)时频偏跟踪补偿后满足一定的指标范围，如频偏小于50 Hz；

2)上行链路传输过程考虑终端的晶振偏移是否满足频率误差要求以及上行链路性能损失是否可以接受。

因此，针对NPUSCH信道，终端完成256 ms的数据传输后，要配置40 ms的上行GAP时间用来进行频率漂移的纠正，剩下的数据顺延后再发送。针对NPRACH信道，终端在完成64次前导码重复发送之后，要配置40 ms的UL GAP时间用来进行频率漂移的纠正，剩下的前导码顺延后再发送。

3 NB-IoT上行MCS和重复次数的选择

合适的MCS等级以及重复传输次数的选择可以使得系统的传输可靠性和吞吐量之间取得平衡。对于NB-IoT来说，遍历所有可能的MCS级别和重复传输次数组合，然后再来选择一个最优的组合，这违背了NB-IoT低复杂度的特性, 因此, 本文主要涉及一种低复杂度的上行链路机制，对于MCS级别和重传传输次数的选择，主要有两种方案: 一是先选择MCS级别然后在选择重复传输次数，二是先选择重复传输次数然后在选择MCS级别。在文献[10]中，已经证明了方案一的性能优于方案二，所以本文主要介绍方案一。

3.1 MCS的初始选择

在贪婪选择中，选择指定范围中最高的MCS，中等选择取MCS范围的中间值，稳定选择中选择最小的MCS。MCS的选择公式如下：

(3) 表2 不同策略下MCS的选择

3.2 重复次数的选择与MCS的更新

在NB-IoT系统中，在每个NPUSCH传输块传输之前，应首先通过窄带物理下行控制信道(NPDCCH)传输相关的控制信息，包括RU数目、选择的MCS和重复传输的次数。需要注意的是协议中规定NB-IoT的重复传输次数只能在{1,2,4,8,16,32,64,128}中选择。图2给出了在NB-IoT中的重复的图示，其中在一次传输期间，具有相同内容的NPDCCH和NPUSCH传输块都被重复传输4次。

图2 NB-IoT中的重复传输

假设有一个NPUSCH传输块需要传输，重复传输次数太少，难以保证数据的正确接收，重复传输次数太多，会消耗无线资源, 因此需要在保证传输可靠性的条件下，确定合适重复传输数目，可以节约资源的消耗。重复传输的数目会受信道质量和MCS级别的影响，也就是说，当信道质量不好且所选的MCS不能达到传输可靠性的要求时，就需要增加重传的数目，如果信道质量比较好且所选的MCS能够达到传输可靠性的要求，可以减少重传的次数。为了评估是减少重传还是增加重传次数，本文引入了一个补偿因子Δ(t)，并定义补偿因子的界限，Δ(t)max和Δ(t)min，上下界的初始值设置为+5、-5。当补偿因子达到上界时，减少重传次数，当补偿因子达到下界时，增加重传次数。Δ(t)的值根据上行传输HARQ反馈机制来计算，其表达式表示为：

Δ(t)=Δ(t-1)+C

(4)

其中:C表示增量补偿因子，初始值设置为0.2。当HARQ反馈信号为ACK时C=CA，C为正数；当反馈信号为NACK时，C为负数C=CN。CA与CN的关系可以表示为：

(5)

TBLER为目标BLER，目标值BLER小于6%；当没有收到反馈信号时，Δ(t)不变。也就是说，当HARQ反馈ACK信号时，且当前重复传输次数为最小值时，则将MCS级别加1，否则重复次数较少一半；当HARQ反馈信号为NACK信号时，且当前重复传输小于最大的重复传输次数，则将重复传输次数减小一半，否则MCS减1。在重复传输次数和更新MCS选择完之后，利用表3找出对应的资源单元NRU数目。

基于上述，根据UE的覆盖等级联合PHR的调度策略来选择MCS的初始级别，然后通过补偿因子来更新MCS的级别之后，利用查找表方法即可确定资源单元的大小,对应关系如表3所示。

表3 MCS与资源单元数目的关系

4 仿真分析

为了评估所提方案的性能，采用Matlab仿真平台进行了仿真分析，仿真参数如表4所示，部分仿真参数见文献[13]，使用最大比合并技术, 单发送天线, 2天线接收,频偏为200 Hz, 时偏为2.5 μs, NPDCCH信道编码采用咬尾卷积编码, 基于解调参考信号(Demodulation Reference Signal, DMRS) 的NPDCCH信道估计。

表4 参数设置

从图3可以看出具有不同数量的RU的SNR与重复数目之间的关系，即不同MCS级别和资源单元下的信噪比与重复传输数目之间的关系。结果表明，当使用的重复次数较大时，正确解码信道条件较差的消息的概率增大, 因此，可以得出当重复传输次数增大时，可在更差信道条件下成功传输消息。

图3 SNR与重复数目之间的关系

图4 NRU=3,TBS=632 b的SNR-BLER性能曲线

图5 NRU=5,TBS=192 b的SNR-BLER性能曲线

表5显示了所提方案在不同覆盖等级下的资源消耗以及活动时间。与直接转发的方法相比，所提方案平均可节省56%的活动时间和46%的资源消耗。即说明了，在保证数据传输可靠的基础上，当数据包较小以及信号较好时，资源节省较多；当数据包较大且覆盖不好的情况下，可以大量节约资源的消耗。因此，当信道条件较好时，可以选择更大的MCS级别来节省消耗的资源。

表5 不同覆盖等级下的活动时间与资源消耗数目

5 结语

本文针对如何更有效地使用NB-IoT资源或频谱(即资源分配和调度)问题进行了详细的分析。首先重点分析了NB-IoT上行链路调度机制，其中包括资源分配、功率控制以及上行传输时隙；其次，针对调制编码方案和重复传输次数的选择，提出一种基于不同的覆盖等级联合PHR的贪婪-稳定策略来初步选择MCS级别，然后在重复传输次数时，引入了一个补偿因子以衡量重传次数的大小并更新MCS的级别。仿真结果表明，与直接传输方法相比，采用所提方案平均可节省超过46%的资源消耗在数据包和56%的活动时间。另外，本文仿真仅针对某些配置，并未进行系统级的仿真，因此系统级的仿真是下一步的研究重点。