NB-IoT下行链路关键技术分析与性能仿真

2019-08-22陈刚黄欣王家诚庞宇赵汝法

电子技术与软件工程 2019年12期

文/陈刚黄欣王家诚庞宇赵汝法

1 引言

近年来，物联网(Internet of Things，IoT)发展迅速，称为未来“万物互联”愿景的重要底层支撑技术。据技术市场研究公司Gartner的预测，预计到2020年，移动物联网设备将超过260 亿台。而目前物联网市场上，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，广域网通信技术的发展尤为明显。

基于长期演进项目(Long Term Evoluntation, LTE)的4G 通信系统扩展的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）技术具有明显的优势。NB-IoT 的系统设计，尽可能与LTE 保持兼容一致，便于利用LTE 已有成熟的产业链和全球广覆盖的网络，快速升级支持NB-IoT 发展。与此同时，NBIoT 系统的芯片、模组和设备发开正在快速推进，与之配套的软件算法仿真平台一方面能够辅助开发人员进行调试和性能测试；另一方面能够成为开发人员快速了解NB-IoT 系统的平台工具。因此，本文对NB-IoT 系统下行链路进行分析，并基于Matlab 搭建NB-IoT 下行链路仿真平台。

2 NB-IoT标准化

物联网应用发展已经超过10年，但采用的大多是针对特定行业或非标准化的解决方案，存在可靠性低，安全性差，操作维护成本高等缺点。基于多年的业界实践可以看出，物联网通信能否成功发展的一个关键因素是标准化。与传统蜂窝通信不同，物联网应用具有支持海量连接数、低终端成本、低终端功耗和超强覆盖能力等特殊需求。这些年来，不同行业和标准组织制订了一系列物联网通信方面的标准，例如针对机器到机器（M2M）应用的码分多址（CDMA）2000 优化版本，长期演进（LTE）R12 和R13 的低成本终端category0 及增强机器类型通信（eMTC），基于全球移动通信系统（GSM）的物联网（IoT）增强等，但从产业链发展以及技术本身来看，仍然无法很好满足上述物联网应用需求。在这个背景下，3GPP 于2015年9月正式确定窄带物联网（NB-IoT）标准立项，全球业界超过50 家公司积极参与，标准协议核心部分在2016年6月宣告完成，并正式发布基于3GPP LTE R13版本的第1 套NB-IoT 标准体系。

图1：NB-IoT 系统三种部署模式

3 NB-IoT下行链路分析

NB- IoT 系统预期能够满足在180 kHz 的传输带宽下支持覆盖增强（提升20 dB 的覆盖能力）、超低功耗（5Wh 电池可供终端使用10年）、巨量终端接入（单扇区可支持50000个连接）的非时延敏感（上行时延可放宽到10s 以上）的低速业务（支持单用户上下行至少160bit/s）需求。NB-IoT 基于现有4G LTE系统对空口物理层和高层、接入网以及核心网进行改进和优化，以更好地满足上述预期目标。

3.1 NB-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据其所处的频段可分为Stand-alone, Guard-alone, Inband 三种，示意图如图1所示。

（1）独立部署(Stand-alone)：GSM 运营商使用NB-IoT 替代200kHz 的GSM 带宽，在GSM EDGE 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NBIoT 的带宽相同，均为200kHz；

（2）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 系统；

（3）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。考虑到网络建设初期NB-IoT 业务量小，完全新建一张专用核心网络成本较高，工作量较大，也可采用现有LTE EPC 升级的方式快速支持NB-IoT。当NB-IoT 业务量大时再通过独立建网的方式支持。中国电信NB-IoT 网络优先考虑采用独立工作模式部署在800 MHz上端，通过对800 MHz 码分多址（CDMA）部分载波进行重耕部署LTE800 MHz，再通过软件升级的方式支持NB-IoT。NB-IoT 与800 MHz LTE 无线网络共站址、共天馈、共设备、共传输，具有广覆盖的优势。同时，为了快速支持NB-IoT 网络开通和业务运营，核心网初期采用EPC 升级的方式，后续NB-IoT 业务量大时，再独立建网。装有NB-IoT 模块的终端通过NB-IoT 蜂窝网络连接至全国统一的物联网连接管理和业务应用使能平台，通过平台层接口对应用层各种业务进行开放。NB-IoT 端到端整体网络架构。

图2：NB-IoT 下行仿真链路

图3：QPSK 调制方式下的BLER 性能仿真结果

4 NB-IoT下行仿真链路搭建及仿真

NB-IoT 与LTE 系统类似，下行采用OFDMA 的多址方式，对于Stand-alone、Guard-band 和In-band 三种操作模式，都采用15kHz 的子载波间隔。NB-IoT 的部署规范如表1所示。

4.1 下行链路关键技术分析

在NB-IoT 下行链路中，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 下行链路一致的OFDMA 方案。OFDMA 多址方案在的发射端和接收端分别需要进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, 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 系统下行链路的关键技术之一。

（2）在NB-IoT 下行链路中，调制方式为QPSK 和BPSK 两种，并未支持如16QAM的更高阶调制，其目的是为了降低系统功耗开销，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咬尾卷积码（TBCC）方案，TBCC 码相比于NB-IoT 上行链路采用的Turbo码[8-13]虽然纠错性能稍弱，但其译码复杂度很低，比较适合于低功耗移动端设备，考虑到NB-IoT 下行链路中基站发射端射频功耗相对不太敏感，而移动端设备基带处理功耗极端受限，因此NB-IoT 下行链路采用了TBCC 码作为信道编码方案。

4.2 NB-IoT下行仿真链路

表1：NB-IoT 系统规范

窄带物理下行共享信道(Narraw Physical Dowlink Sharing Channel, NPDSCH)用于承载NB-IoT 系统不同的下行业务数据，如单播业务数据、寻呼消息以及RAR 消息等，仿真链路框图如图2所示，其中：

（1）CRC：按照TS36.212 通过24 比特的CRC 校验码。

（2）信道编码：与LTE 标准中的Turbo相比，咬尾卷积码（TBCC）具有更低的译码复杂度，更适合低功耗、低成本的移动终端，因此，NPDSCH 中采用TBCC 编码。

（3）调制：考虑到NB-IoT 低功耗、低成本终端设备的接收信噪比不会很高，不需要支持16QAM 调制，NPDSCH 中采用QPSK 调制方式。

（4）天线规模：NB-IoT 中规定可支持到2 天线端口，采用空频块码（SFBC）的方式利用天线分集。本仿真中收发均为单天线。

（5）多址方式：NPDSCH 采用的多址方式为OFDMA

（6）带宽：终端下行射频接收带宽为180kHz，15kHz 子载波间隔

（7）资源映射：以4 端口LTE CRS 和2端口窄带参考信号为例，如下图所示，在每个子帧范围内，调至符号按照先频域后时域的方式进行映射，其中，上述调制符号不会映射到分配用于窄带参考信号和LTE CRS 传输的资源单元以及LTE 的控制信道区域。当在一个子帧内的资源单元完全被调制符号填充之后，生于调制符号继续映射到传输时间间隔内的下一个子帧。