NB-IoT性能浅析

2017-12-26张超高有军丁海煜

移动通信 2017年21期

关键词：子帧吞吐量载波

张超，高有军，丁海煜

（中国移动通信集团公司研究院，北京 100032）

NB-IoT性能浅析

张超，高有军，丁海煜

（中国移动通信集团公司研究院，北京 100032）

随着物联网应用的不断发展，针对低功耗广覆盖类LPWA应用设计的新型窄带蜂窝物联网NB-IoT技术，由于其低功耗、低成本、广覆盖、大连接的特点受到越来越多的关注，因此基于NB-IoT相关协议规范，通过传输机制分析，从用户速率、小区吞吐量等方面，分析了NB-IoT网络性能，为NB-IoT在智能抄表、智能家居、市政物联、物流追踪、智能穿戴、广域物联和工业物联等垂直行业中的进一步应用提供了参考。

NB-IoT 用户速率吞吐量

1 引言

NB-IoT是专门为LPWA类物联网业务设计的全新技术，具备广覆盖、大连接、低功耗、低成本的特点，通过牺牲速率和时延性能，换取更极致的物联网承载能力。

相比于传统4G，NB-IoT采用了革新空口技术，更加适合物联网业务，采用超窄带设计（200 kHz系统带宽、3.75 kHz/15 kHz信道带宽）、长时间发送（如多次重复）实现覆盖增强；设计更窄的资源粒度带宽实现大连接；通过物理信道简化、高层协议优化、设计新的节电特性实现功耗降低（如PSM省电模式、eDRX功能），可达续航10年；基于LTE协议栈对终端和网络进行功能精简，以及降低性能要求，实现低成本的目标。

本文重点分析NB-IoT的网络性能，首先介绍NBIoT的传输原理及特征，然后依次研究分析单用户性能、NB小区多用户性能。

2 用户速率

2.1 NB-IoT传输机制

（1）下行传输

NB-IoT的下行数据调度是由PDCCH下发调制编码方式、时频资源位置和数据量等信息，PDSCH承载业务数据，然后由PUSCH反馈至HARQ ACK，基本流程与LTE类似，不过一次调度的PDCCH和PDSCH不在同一个子帧（最小调度时间单元）内，两者最小间隔是4 ms。PDSCH的ACK反馈信息由PUSCH format 2承载，两者最小间隔是12 ms；上下行转换时延要求是3 ms。因此，一次下行数据传输所需要的时间=PDCCH传输时间+4 ms+PDSCH传输时间+12 ms+PUSCH传输时间+3 ms，一次传输需要占用一个HARQ进程，这个时间通常称为HARQ RTT。NB-IoT下行调度时序图如图1所示。

另外，NB-IoT的PDCCH并不像LTE那样可以出现在每个下行子帧中，而是周期出现，PDCCH周期由最大重复次数Rmax和占空比G相乘得到，T=Rmax×G。因此，一次HARQ RTT结束之后，需要等待下一个PDCCH周期到来才能进行下一次数据调度。本次数据传输结束子帧与下一个PDCCH起始子帧之间的等待时间为资源碎片，除此之外的时间都是数据传输必须的。因此，如果要提升速率和降低时延，除提升调制编码方式外，还需要尽可能地减少资源碎片。资源碎片最小为0，即一个HARQ RTT之后正好碰到PDCCH搜索空间，可以直接进行下一次调度。资源碎片最大为PDCCH周期×N-HARQ RTT，N为满足PDCCH周期×N大于HARQ RTT的最小整数值。

（2）上行传输

与下行传输流程不同，NB-IoT的上行数据传输是由PDCCH下发调制编码方式、时频资源位置和数据量等信息，PUSCH format 1承载业务数据。一次调度的PDCCH和PUSCH最小间隔是8 ms。PUSCH的ACK反馈信息没有专门的信道来承载，而是由下一次调度的PDCCH中的NDI指示，上下行转换时延要求是3 ms。因此，一次上行数据传输所需要的时间=PDCCH传输时间+8 ms+PUSCH传输时间+3 ms。NB-IoT上行调度时序图如图2所示。

同样，一次上行HARQ RTT结束之后，需要等待下一个PDCCH周期到来才能进行下一次数据调度，同样会有资源碎片。与下行类似，上行传输过程中的资源碎片最小值也是0，最大值为PDCCH周期×N-HARQ RTT，N为满足PDCCH周期×N大于HARQ RTT的最小整数值。

2.2 用户速率分析

由于NB-IoT每个用户只有一个HARQ进程，因此，理论上用户速率可以用公式(1)计算：

图2 NB-IoT上行调度时序图

表1 单用户速率

通过表1的公式(2)速率与实验室测试速率对比可以看出，实测速率绝大部分场景都高于按照公式(2)计算的理论速率，这是由于厂商对设备进行了产业优化改进，主要是通过PDCCH配置参数优化、调度算法优化和处理能力增强来降低资源碎片大小，提升了调度效率，达到提升速率的效果。

另外，表1中展示的实验室测试速率为各个设备厂商的平均速率，实际中各个厂商设备的性能还是有一定差异的，例如：下行峰值各厂商平均速率为22 kbit/s，而设备性能较好的厂商最高可以达到25 kbit/s，将资源碎片压缩到很小。

3 小区吞吐量

对于下行链路来讲，由于NB-IoT用户都是单HARQ进程，而一个HARQ RTT中包含很多等待时间，导致单用户无法用满全部系统资源。因此，NBIoT网络的单用户下行峰值速率是远远小于小区下行峰值速率的，这点与LTE网络不同，LTE网络中的用户可以多HARQ进程并发，类似于多用户传输的效果，因此，单用户下行峰值速率可以达到小区下行峰值速率的水平。另外，NB-IoT中PBCH、PSS、SSS、PDCCH、PDSCH等下行信道不能复用到同一子帧中传输，因此开销很大。

对于上行链路Multi-tone传输方式来讲，同样由于NB-IoT用户是单HARQ进程，导致NB-IoT网络的单用户上行峰值速率是远远小于小区上行峰值速率的。对于Single-tone传输方式来讲，单用户只能单载波传输，无法占满整个系统带宽，单用户上行速率会更低。而LTE网络中的单用户上行峰值速率可以达到小区上行峰值速率的水平。

3.1 小区下行峰值吞吐量

分析小区峰值吞吐量，首先需要计算资源开销，然后再计算数据传输可用资源能承载的数据速率。

NB-IoT下行信道结构如图3和图4所示。

资源开销如下：

（1）子帧0固定传输NPBCH，资源开销比例为10%；

（2）子帧5固定传输NPSS，资源开销比例为10%；

（3）每两个无线帧的子帧9固定传输NSSS，资源开销比例为5%；

（4）SIB1在2 560 ms周期内传输64次（按照重复次数8计算），每80 ms传输一次，资源开销比例为2.5%；

（5）如表2所示，其他主要SIB消息，资源开销比例为2.27%。

综上得到，NB-IoT系统的资源开销总计约30%，那么数据传输可用资源为70%。

Standalone/Guard-band模式下，从表3中得到传输效率最高的方式为一个四个子帧的NPDSCH承载TBS=680 bit的数据。另外，一次调度需要一个NPDCCH，最少占用半个子帧，那么最高效的传输方式就是3.5个子帧传输680 bit的数据，在不考虑资源碎片的情况下：

图3 NB-IoT下行信道结构示意图（Standalone/Guard-band）

图4 NB-IoT下行信道结构示意图（In-band）

表2 SI资源开销

表3 PDSCH传输块大小（下行）

In-band模式下，由于其需要避开与LTE的CRS和控制域重合的区域，每个PRB中可用的RE数较少，3GPP 36.213协议中规定最大可使用的TBS_INDEX=10，因此传输效率最高的方式为一个四个子帧的NPDSCH承载TBS=680 bit的数据。另外，一次调度需要一个NPDCCH，最少占用半个子帧，那么最高效的传输方式就是4.5个子帧传输680 bit的数据，那么：

通过上述分析，不考虑资源碎片的情况下，NBIoT系统在Standalone/Guard-band模式下的小区下行峰值吞吐量为136 kbit/s，In-band模式下的小区下行峰值吞吐量为105 kbit/s。在相同的网络配置下，目前实验室工程测试中，能够达到的小区下行峰值吞吐量为110 kbit/s（SA模式）和80 kbit/s（IB）。可以看到，在实际应用中，通过PDCCH参数优化、调度算法优化和基带处理能力增强等方式，小区下行峰值吞吐量可以达到理论峰值的80%。

3.2 小区上行峰值吞吐量

N B-I o T的上行信道结构比较简单，仅包含NPUSCH和NPRACH两种信道。

在NPRACH周期为40 ms，子载波数为24的典型配置下，NPRACH的资源开销比例为8%，那么数据传输可用资源为92%。

由于NB-IoT的上行有三种传输方式：3.75 kHz单载波、15 kHz单载波、15 kHz多载波，其中3.75 kHz单载波和15 kHz单载波的RU占用的时频资源是一样的，TBS_INDEX使用范围也相同，都是最大取10，因此两者的小区上行峰值吞吐量相同。而15 kHz多载波的TBS_INDEX最大可以取12，且RU占用的时频资源与单载波不同，因此小区上行峰值吞吐量也与单载波不同的。

以15 kHz单载波计算，从表4中得到传输效率最高的方式为一个五RU的NPUSCH承载TBS=872 bit的数据。那么不考虑资源碎片的情况下：

15 kHz多载波情况下，从表4中得到传输效率最高的方式为一个四RU的NPUSCH承载TBS=1 000 bit的数据。那么不考虑资源碎片的情况下：

表4 PUSCH传输块大小（上行）

通过上述分析，不考虑资源碎片的情况下，NBIoT系统在单载波传输下的小区上行峰值吞吐量为240 kbit/s，多载波传输下的的小区上行峰值吞吐量为230 kbit/s。在相同的网络配置下，目前实验室工程测试中，能够达到的小区上行峰值吞吐量为210 kbit/s。可以看到，在实际应用中，通过PDCCH参数优化、调度算法优化和基带处理能力增强等方式，小区上行峰值吞吐量可以达到理论峰值的85%以上。

4 结束语

本文总结了NB-IoT的上下行传输原理，并与LTE进行了分析对比，基于NB-IoT的传输机制，给出了资源碎片的准确描述，分析了其对性能的影响；基于对NB-IoT传输特点的分析，首先给出了用户速率的理论计算方法，然后进一步分析了多用户情况下，小区吞吐量的计算方法。最后基于实验室测试，分别给出了NB-IoT实际应用中的用户速率以及小区吞吐量，为NB-IoT在智能抄表、智能家居、市政物联、物流追踪、智能穿戴、广域物联和工业物联等垂直行业中的进一步应用提供了重要参考。并将理论计算值与实际测试值进行了对比，指明了产业降低资源碎片、提升调度效率的手段和方法，从目前实验室测试的NB-IoT性能来看，还有一定的提升空间，后续产业可以在参数优化、调度算法优化和基带处理能力增强等方面进一步提升性能。

[1] 3GPP TS 36.201. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Long Term Evolution (LTE) physical layer; General description[S]. 2014.

[2] 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation[S].2014.

[3] 3GPP TS 36.212. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Multiplexing and channel coding[S].2014.

[4] 3GPP TS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures[S]. 2014.

[5] 3GPP TS 36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRAN); Overall description; Stage 2[S]. 2014.

[6] 3GPP TS 36.306. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio access capabilities[S]. 2014.

[7] 3GPP TS 36.321. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Acces Control (MAC)protocol specif i cation[S]. 2014.

[8] 3GPP TS 36.322. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Link Control (RLC) protocol specif i cation[S]. 2014.

[9] 3GPP TS 36.323. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Packet Data Convergence Protocol(PDCP) specif i cation[S]. 2014.

[10] 3GPP TS 36.331. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC);Protocol specif i cation[S]. 2014. ★

Analysis on NB-IoT Performance

ZHANG Chao, GAO Youjun, DING Haiyu
(China Mobile Research Institute, Beijing 100032, China)

With the continual development of the Internet of Things (IoT) applications, the novel Narrow Band (NB) cellular IoT named NB-IoT technology, which is designed for LPWA applications, attracts more and more attention due to its features of low power consumption, low cost, wide coverage and massive connection. Therefore, based on the corresponding protocol speci fi cation and transmission mechanism, the NB-IoT network performance was presented from aspects of user rate and cell throughput. This provides the useful reference to the further applications in the vertical industries such as intelligent meter reading, smart home, municipal IoT, logistics tracking, smart wear, wide area IoT and industrial IoT.

NB-IoT user rate throughput

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.21.010

TN929.53

1006-1010(2017)21-0047-06

张超,高有军,丁海煜. NB-IoT性能浅析[J]. 移动通信, 2017,41(21): 47-52.

2017-11-08

黄耿东 huanggengdong@mbcom.cn