NB-IoT上行链路关键技术分析与性能仿真

陈刚　黄欣　王家诚　王慧倩　庞宇

摘要：本文对第三代合作伙伴计划NB-IoT协议中的上行链路及其涉及到的关键技术进行分析，并基于Matlab搭建仿真平台，为芯片和模组等硬件开发流程提供便利的参考。

[关键词]NB-IoT协议分析仿真平台性能仿真

近年来，物联网（InternetofThings，IoT）发展迅速，世界万物都可以通过互联网互连互通，包括高速率业务（如视频类业务等）和低速率业务（如抄表类业务等）。据不完全统计，低速率业务已占据67%以，上的IoT业务，且缺乏良好的蜂窝技术支持，这意味着低速率广域网技术的市场需求巨大。随着IoT的不断发展，IoT通信技术也日趋成熟，其中广域网通信技术的发展尤为明显。广域网通信技术按频谱是否授权可以分成两种类型：一是非授权，如Lora和Sigfox等，如图1所示;二是授权，3GPP制订的蜂窝通信技术，如2G、3G、4G以及基于4G演进的窄带物联网（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）技术。

在物联网标准和商用推进过程中，NB-IoT已脱颖而出。NB-IoT使用授权频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。经过近几年的培育和探索，全球物联网正从碎片化、孤立化应用为主的起步阶段，迈入重点聚焦、跨界融合的全新阶段，市场快速启动，在许多领域加速渗透，物联网正处于大规模爆发式增长的前夜，此时进行NB-IoT物联网终端芯片关键技术研究及示范应用，依托于现有的公用无线通信网络，充分利用5G相关技术的研究成果和设备构建的广域公众蜂窝物联网网络技术，能够助力物联网走出碎片化，迅速在各个行业和地区形成商业化应用，有力地推动广域物联网的普及和发展。

1NB-loT标准化

在NB-IoT提出之前，业界已经启动了机器类通信的研究。而在物联网领域，低功耗，广覆盖，低成本，低速率的LPWAN技术将涵盖大部分物联网业务模型。因此面向LPWAN场景下的物联网接入技术成为蜂窝及非蜂窝物联通信重点关注领域。

在国际标准方面，3GPP一直努力推动相关机器类通信（MTC）技术的发展。一方面，在LTE及LTE一A演进阶段，3GPP定义了许多不同的终端类型，从而适应不同场景不同业务下的物联网终端需求。在Rel-8版本中，从速率的角度定义了Category1～5的终端类型。在之后的版本演进中，不仅制定了支持高带宽，高速率的Category6，Category9等终端类型，同时也定义了更低成本，支持更低功耗的Category0终端类型。但考虑到Category0技术需要对现有网络进行改造，升级成本与终端收益并不高，因此其被普遍商用的可能性不高，更多被认为是一种过渡。因此3GPP于2014年成立Cat.M工作组。目前Cat.M核心标准已冻结。

另一方面3GPP基于窄带传输的思路，讨论其演进和全新接入技术的研究。长期以来，运营商的物联网业务主要依靠成本低廉的GPRS模块提供物联网设备间通信需求。但近几年由于LoRa，Sigfox等基于非蜂窝的新型物联网技术的出现，对于GPRS模块在成本，功耗和覆盖等方面有较大冲击。因此3GPP在GERAN#62会议上成立新的SI，希望可以支持更低成本，更低功耗，更强覆盖等特性。而NB-IoT正是基于第二种思路提出的一种新的传输方案。在时延不敏感，移动性需求不高的LPWAN场景下，NB-IoT技术在续航、覆盖方面的技术优势，无疑更得到各方关注。

2NB-IoT上行链路分析

2.1NB-IoT部署模式

根据NB-IoT的立项目标，蜂窝物联网的无线接入的重点需求是增强室内覆盖，支持大量的低吞吐量设备，低延迟敏感度，超低成本、低功耗设备和网络体系架构。

NB-IoT系统所支持的部署模式根據其所处的频段可分为Stand-alone，Guard-alone，In-band三种，示意图如图2所示。

独立部署（Stand-alone）：GSM运营商使用NB-IoT替代200kHz的GSM带宽，在GSMEDGE无线接入网等系统中重新规划专用频谱，这种部署方式在实际应用中是可行的，因为GSM的带宽，包含保护带在内，与NB-IoT的带宽相同，均为200kHz;

保护带部署（Guard-band）：利用LTE运营商保护带内未使用的资源块来部署NB-IoT系

带内部署（In-band）：即LTE运营商内部的NB-IoT系统，运营商通过规划，将一个180kHz的带内物理资源块分为给NB-IoT系统。经过NB-IoT空口优化，可以与现有LTE系统和谐共存，而不影响其传输性能;

在实际部署中，运营商可根据自身的频谱资源和现有网络情况，选择合适的工作模式，通过新建或者网络升级的方式部署NB-IoT无线网络。

NB-IoT目标承载低价值、数目庞大的物联网终端，主流核心网建设方案为蜂窝物联网（CIoT）核心网独立组网，与传统高价值用户的LTE演进分组核心网（EPC）独立组网区分管理，采用不同的运营模式。CIoT核心网的处理机制与传统EPC有较大差异，独立部署的核心网设备的软硬件要求可基于CIoT业务特点进行优化和裁减，更好满足业务需求。此外，NB-IoT标准一直在增强演进，网络升级较频繁，独立部署可与LTEEPC互不影响。NB-IoT业务带宽小，时延不敏感，当前网络功能虚拟化（NFV）技术存在的用户面性能问题，在NB-IoT不是瓶颈，因此可根据部署时间点和产业成熟度优先考虑基于NFV技术。

2.2NB-IoT上行链路分析

根据NB-IoT系统需求，NB-IoT终端的上行发射带宽为180kHz。NB-IoT系统在上行支持两种子载波间隔：3.75kHz和15kHz，其中对于覆盖增强场景，3.75kHz子载波间隔比15kHz子载波间隔可以提供更大的系统容量。但是在In-band场景下，15kHz子载波间隔比3.75kHz子载波间隔具有更好的LTE兼容性。NB-IoT系统在上行多址接入方式均基于SC-FDMA多址技术。

从帧结构上来看，对于15kHz子载波间隔，NB-IoT上行帧结构和legacyLTE相同。每个无线帧长10ms，对于15kHz子载波间隔，1个无线帧包含20个0.5ms长的时隙。对于3.75kHz子载波间隔，NB-IoT新定义了一个2ms长度的窄带时隙结构（NB-slot），即一个无线帧包含5个窄带时隙。每个窄带时隙包含了7个符号，3.75kHz对应的符号包含528Ts，CP长度为16Ts，其中假设Ts=1/1.92MHz。在2ms周期内，除了前面的7个符号，剩下的144Ts作为一个保护间隔，用于最小化NB-IoT符号和LTE-CRS之间的冲突。NB-IoT中，上行继续沿用了LTE的Resourcegrid和Resourceelement的概念，结构如图3所示。

除了Resourcegrid和Resourceelement之外，NB-oT在上行还引入资源单元（Resourceunit）的概念，上行数据的调度和HARQ一ACK信息的发送是以资源单元为单位的。用于上行数据发送的资源单元的划分原则是对于不同的频域子载波数目的一个资源单元中有效的Resourceelement数量一致;同时要保证时域长度为2的整数次幂，这样能在调度不同类型（不同的频域子载波数目）的资源单元时，降低资源碎片率。当子载波间隔为3.75kHz时，NB-IoT系统只支持Single-tone的发送，频域占用1个子载波，时域占用32ms。当子载波间隔为15kHz时，上行定义了下列几种数据发送的资源单元：

频域12个子载波，时域1ms;

频域6个子载波，时域2ms;

频域3个子载波，时域4ms;

频域1个子载波，时域8ms;

对于15kHz和3.75kHz两种子载波间隔，发送HARQ-ACK信息的资源单元都只支持Single-tone发送。对于15kHz子载波间隔，发送HARQ-ACK信息的资源单元在时域上占用2ms;对于3.75kHz子载波间隔，发送HARQ-ACK信息的资源单元在时域上占用8ms。

2.3上行链路关键技术分析

在NB-IoT上行链路中，物理层接收机关键技术为多址接入、调制解调和信道码译码。

（1）多址接入方式采用的是与LTE上行链路类似的SC-FDMA方案。在实际系统中，为了抑制调制信号的峰均比，降低对移动端射频器件的动态范围要求，从而实现射频器件的低成本化，SC-FDMA的发射端和接收端均需要进行快速傅里叶变换（FastFourierTransform，FFT）和IFFT变换。考虑到FFT与IFFT运算操作的相似性，在实际系统中可以共享FFT硬件加速模块，因此，FFT硬件加速器的高效实现称为NB-IoT系统上行链路的关键技术之

（2）在NB-IoT上行链路中，可选的调制方式为QPSK和BPSK两种，这两种调制方式的数字化调制和解调已经在LTE系统中有非常成熟的运用，因此在NB-IoT系统中可以有很好的借鉴。

（3）NB-IoT系统中上行链路信道编码方案采用的是Turbo码方案[8-13]，Turbo码最早于1993年在ICC会议上作为一种以可接受的复杂度逼近香农限的信道编码方案被提出，其基本结构由两个分量卷积码和一个随机交织器组成，因其译码过程是在两个分量译码器之间进行消息迭代更新传递，被作者描述为“涡轮”而得名。Turbo码在提供优越纠错性能的同时，也带来较高的译码复杂度，因此Turbo译码器也是NB-IoT上行链路物理层的关键技术。

3NB-IoT上行仿真链路搭建

3.1NPUSCH格式1

窄带物理上行共享信道（NarrawPhysicalUplinkSharingChannel）用于携带UL-DSCH，支持Single-tone和Multi-tone的传输。其中，Single-tone主要适用于低速率、覆盖增强场景。Multi-tone传输速率更高，也可以支持覆盖增强。

（1）调制方式：支持BPSK和QPSK两种，当子载波个数为1时，支持BPSK和QPSK;当子载波个数大于1时，只支持QPSK。

（2）信道编码：考虑到上行链路基站端可以承载更高强度的运算，因此采用虽然复杂度稍高，但是译码性能更好的Turbo码。

（3）多址方式：NB-IoT上行链路均采用SC-FDMA多址方式。

（4）子载波间隔：3.75kHz和15kHz两种，当子载波个数为1时，支持两种子载波间隔;当子载波个数大于1时，只支持15kHz的子载波间隔。

3.2NPUSCH格式2

LTE系统中，上行控制信息包含HARQ-ACK信息、SR信息和CSI信息。对于NB-IoT系统来说，使用随机接入实现调度请求就能满足需求，所以不需要额外上报SR。而NB-IoT的终端通常都是静止的或者以很低的速度移动，经历的信道变化不会很频繁，所以上报的CSI的必要性不大，所以Nb-IoT系统中，上行需要发送的控制信息只包含HARQ-ACK信息。NPDSCH格式2就是用来发送HARQ-ACK消息。

NPDSCH格式2基本参数与NPUSCH格式1相同，只有编码方式不同，因为NPUSCH格式1中的采用的Turbo信道码不适合小比特的信息编码，需要发送到HARQ-ACK仅为1比特，所以编码方式采用重复码。此外，由于NPUSCH格式2只需要发送1比特HARQ-ACK信息，所以调制方式为BPSK。

4性能仿真结果

图4和图5中分别给出了15kHz子载波间隔下的NB-IoT上行链路的误块率（BlockErrorRate，BLER）仿真结果，其中图4中为QPSK调制方式，Turbo码译码迭代次数为5次，图4中为BPSK调制方式，Turbo碼译码迭代次数同样为5次。

5結束语

物联网技术作为未来“万物互联”愿景的重要支撑技术，在未来多种垂直行业中展现了巨大应用前景。第三代合作伙伴计划（ThirdGenerationPartnershipProject，3GPP）基于第四代移动通信系统演进推出的窄带物联网技术（NarrawBandInternetofThings，NB-IoT）展现了良好的传输性能和低廉的部署成本，在国际标准化和商业化进程中逐渐形成称为统一标准的趋势。目前，NB-IoT技术发展急需配套的软件仿真平台，为硬件和芯片开发测试提供基线。本文对第三代合作伙伴计划NB-IoT协议中的上行链路及其涉及到的关键技术进行分析，并基于Matlab搭建仿真平台，为芯片和模组等硬件开发流程提供便利的参考。

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