NB—IoT系统资源调度研究

邱刚+陈宪明+戴博

结合窄带物联网（NB-IoT）系统的上下行帧结构、复用方式、调度单元的特点，提供了适用于NB-IoT系统的资源调度的设计方案，包括非连续的下行调度、动态的上下行调度定时以及跨多个调度单元的上下行资源分配。采用上述方案，避免了在极端或增强覆盖场景下，因下行资源的连续占用所导致的对其他终端设备的上下行授权和下行业务传输的阻塞以及下行控制资源的浪费，同时确保了相对灵活的资源分配。

调度定时；资源分配；覆盖增强

In terms of the features of uplink （UP）/downlink （DL） frame structure， multiplexing method and scheduling unit used by narrowband IoT（NB-IoT）， the design schemes for resource scheduling， which is suitable for NB-IoT is proposed in this paper， including discontinuous DL scheduling， dynamic DL/UL scheduling timing and DL/UL resource allocation across multiple scheduling units. Based on the above schemes， the blocking of the transmission of DL/UL grant and DL traffic to other users caused by the continuous occupation of DL resource for enhanced or extreme coverage and the waste of DL control resource can all be avoided， and relative flexible resource allocation can be ensured.

scheduling timing； resource allocation； coverage enhancement

为满足蜂窝物联网（IoT）需求，设计新的窄带物联网（NB-IoT）接入系统在第3代合作伙伴计划（3GPP）组织第69次全会中被提出。NB-IoT系统关注低复杂度和低吞吐量的射频接入技术，主要研究目标包括：改善的室内覆盖、巨量低吞吐量用户设备的支持、较低的延时敏感性、超低设备成本、低的设备功率损耗以及网络架构。NB-IoT系统的上下行的发射带宽都是180 kHz，与长期演进（LTE）系统的一个物理资源块（PRB）的带宽相同，这有利于在NB-IoT系统中重用现有LTE系统的有关设计。NB-IoT系统支持3种操作模式：独立操作，例如利用增强数据速率全球移动通信演进无线接入网（GERAN）系统使用的1个或多个全球移动通信系统（GSM）载波；保护带操作，例如利用在LTE载波的保护带范围内未被使用的资源块；带内操作，例如利用在正常LTE载波范围内的资源块[1]。

文章中，我们主要关注NB-IoT系统的资源调度设计。资源调度是无线通信系统物理层设计的重要方面。不同的帧结构、复用方式和调度单元适用不同的资源调度设计方法；此外，在上述帧结构、复用方式和调度单元中，后项在一定程度上受到前项的影响。基于上述原因，我们首先介绍NB-IoT系统上下行的帧结构、复用方式和调度单元，这是后续资源调度设计的基础；然后，基于上述确定的帧结构、复用方式和调度单元，分析适用于NB-IoT系统下行的非连续调度方式，上下行的调度定时以及上下行的资源分配方案。

1 NB-IoT帧结构

为支持带内操作模式，NB-IoT系统下行仍采用15 kHz子载波间隔，多址方式仍重用正交频分多址（OFDMA）方式；系统的下行帧结构、时隙结构、资源格和资源单元定义与LTE相同，只是在频域上仅包含12个连续子载波（对应1个资源块）。NB-IoT系统的上行同时支持3.75 kHz和15 kHz两种子载波间隔，多址方式仍重用单载波频分多址（SC-FDMA）方式。采用3.75 kHz的子载波间隔只支持单载波的调度，而15 kHz子载波间隔同时支持单载波和多载波的调度。对于15 kHz的子载波间隔、帧结构与LTE相同；为更好适配3.75 kHz的子载波间隔，新的长度为2 ms的窄带时隙结构被定义，如图1所示，一个无线帧包含5个窄带时隙，每个窄带时隙包含7个正交频分复用（OFDM）符号[1]。

2 NB-IoT复用方式

基于已确定的帧结构，窄带物理下行控制信道（NPDCCH）和窄带物理下行共享信道（NPDSCH）以及不同NPDSCH的复用能够只按照时分复用（TDM）方式，或按照TDM和频分多路复用（FDM）的方式。前者实现简单，标准化影响小且具有更好的后向兼容性。为支持后者，除NPDCCH以外，NPDSCH也必须支持子载波级别的资源分配，这会导致较大的标准化影响。采用固定的FDM图样会导致资源浪费，而采用动态的FDM图样虽然具有更好的灵活性但控制开销较大。另外，对于下行，支持子载波级的资源粒度并不能带来覆盖提升和显著的调度增益，反而会导致调度的复杂度和资源的碎片化。基于上述的分析，最终NB-IoT标准规定在NPDCCH与NPDSCH之间以及在不同NPDSCH之间的复用只采用TDM的方式，这直接决定了NPDCCH以及与其相关的上下行调度的整体机制[2]。与下行不同，为实现更高的用户容量或复用程度以及扩展的上行覆盖，上行需要支持单载波的调度，所以不同的窄带物理上行共享信道（NPUSCH）之间允许采用FDM的复用方式。

3 NB-IoT调度单元

由于NB-IoT系统的下行只支持不同NPDSCH之间以TDM方式复用资源，所以NPDSCH的调度自然应该以子帧为单位。对于NB-IoT系统上行，当子载波间隔为3.75 kHz时，考虑到不管是针对承载上行业务还是混合自动重传请求确认信息（HARQ-ACK）的NPUSCH都只支持單载波调度，最终用于上行业务和HARQ-ACK调度的调度单元大小可以分别确定为32 ms（16个窄带时隙）以及8 ms（4个窄带时隙）。当子载波间隔为15 kHz时，对于承载上行业务的NPUSCH，调度单元的划分原则是：对于不同的频域子载波数，一个调度单元中有效的资源单元数量应该尽可能保持一致，同时还要保证时域长度恰好是2的整数幂。上述方法有助于在对应不同的频域子载波数的调度单元共享上行资源的情况下，降低资源的碎片率。基于上述原则，对应不同子载波数的调度单元的大小，如表1所示。对于承载HARQ-ACK的NPUSCH，只有单载波调度被支持，最终用于HARQ-ACK调度的调度单元大小确定为2 ms（即2个子帧）[3-4]。