NB—IoT物理控制信道NB—PDCCH及資源調度機制

盧斌

摘要：為了研究NB-IoT物理控制信道NB-PDCCH及資源調度機制，在介紹NB-IoT技術特點的基礎上，對物理控制信道NB-PDCCH特點進行分析，并對NB-PDCCH上承載的DCI信息種類和特點進行詳細的闡述，同時深入分析了NB-PDCCH的資源調度機制，為NB-IoT網絡無線資源調度的研究測試和優化提供參考。

關鍵詞：NB-IoT NB-PDCCH 資源調度

1 引言

在3GPP第69次RAN全會上，NB-IoT（窄帶物聯網）通過立項。根據立項文檔，3GPP標準組織擬制定一種全新的蜂窩物聯網技術，使用現有授權頻譜資源滿足廣覆蓋、低功耗、低速率的物聯網業務需求。NB-IoT標準計劃在2016年6月份完成凍結，2016年第4季度進行外場測試，2017年上半年實現商用。

根據NB-IoT目前已達成的規范，其具備以下特點[1]：1）帶寬為180 kHz，和現有LTE系統的一個PRB的帶寬相同；2）下行采用OFDMA，子載波間隔為15 kHz（和LTE相同）； 上行支持兩種模式，多載波15 kHz和單載波3.75 kHz；3）全新的物理信道和信號，對下行的PBCH、PDSCH、PDCCH采用單一的TM傳輸模式；4）降低終端成本和功耗，采用半雙工方式，一根接收天線；5）為充分利用現有LTE網絡資源，同時提供靈活的零散頻率資源部署，NB-IoT建議部署模式：獨立模式、保護帶模式和帶內模式。

NB-IoT計劃實現的目標包括：1）實現廣域覆蓋和深度覆蓋，比傳統的GPRS技術增強20 dB；2）實現大容量終端接入；3）實現降低的終端成本，每個終端低于5美元；4）實現低功耗，在5 Wh時提供大于10年的支持。

本文將重點分析NB-PDCCH資源調度方式。

2 下行控制物理信道NB-PDCCH

NB-IoT采用全新的無線技術，但大部分還是基于LTE技術的，其下行控制物理信道NB-PDCCH的定義和功能也參照了LTE中的PDCCH[7-9]，如圖1所示：

在NB-IoT技術中，在頻域上只有180 kHz，即一個PRB寬度。從時域上看，NB-IoT系統的下行幀結構和現有LTE系統類似，只不過每個子幀在頻域上只包含12個子載波，其時域幀結構每個OFDM symbol、slot、以及Subframe的持續時間與LTE完全一致。下行的最小資源分配單元即最小RU（Resource Unit）是一個子幀，即一個子幀12個子載波。

而下行控制信道NB-PDCCH是符合上述幀結構的。細化到具體的時頻資源，如圖2所示：

如圖2所示，在一個子幀中，NB-PDCCH占用12個子載波，承載DCI信息的顆粒度不是單個RE或REG，而是使用CCE。這里的CCE和LTE的定義不同，CCE大小為半個PRB pair，具體為：1個PRB pair中，定義兩個CCE，其中頻域（子載波）編號較高的6個子載波作為一個CCE，頻域（子載波）編號較低的6個子載波作為另一個CCE。CCE聚合等級支持兩種，即AL=1CCE和AL=2CCE。其中組成AL=2的兩個CCE位于相同子幀，并且重復傳輸僅支持AL=2。鑒于NB-IoT基本上都利用重復傳輸技術來進行覆蓋增強，所以CCE聚合等級大部分采用AL2。圖2表示了單個PRB的CCE分布，其中NB-IoT下行參考信號NB-RS分布在每個SLOT的最后兩個OFDM符號上。

在圖2的右邊中，描述了NB-PDCCH資源映射：在非inBand操作模式時，從子幀中第一個OFDM符號開始使用資源；對于inBand操作模式時，根據SIB1配置的起始OFDM符號開始使用資源，避開現有LTE控制域的OFDM符號和參考信號的LTE-RS的位置。

根據上述NB-PDCCH的資源映射，決定了NB-IoT的控制域對資源的調度為跨子幀調度，和傳統的LTE子幀內調度機制不同，如圖3所示：

跨子幀調度會影響資源調度的相應時間（時延特性）。這里意味著NB-IoT的子幀格式，一種攜帶僅控制信息，一種僅攜帶業務數據（inBand部署模式除外），標準中暫不會出現同時攜帶控制信息和業務數據的混合子幀。

3 NB-PDCCH承載的DCI種類和特點

和LTE類似，NB-PDCCH對業務資源的調度也是通過DCI格式進行分類[2，4，10，11]。從第三節可知，對LTE來說，PDCCH調度分配只對其傳輸的同一子幀有效，采用的DCI格式分為格式1、1A、1B、1D、2、2A、2B和2C，使用的DCI格式取決于配置的發送模式，并允許在控制信息開銷和調度靈活性之間進行折中。

對于NB-IoT，對于所有覆蓋類型和操作模式，用于下行調度的DCI和用于上行調度的DCI具有相同的size（bits）。DCI格式分為四種：N0（用于UL Grant）、N1（用于DL Grant）、N2（用于paging）、N3（DL Grant）。CSS也可以搜N0/N1，公共搜素空間有兩個（RAR和paging），RAR搜索空間可檢測N0、N1和N3，paging搜索空間僅檢測N2。N2Format N3為調度RAR使用，并不是獨立的format，屬于format N1的一種情況。DCI format N0如表1所示：

格式N0用于UL Grant，其各個字段分別說明如下：

1）Flag for format N0/format N1 differentiation：指示格式為N0或N1。

2）Subcarrier indication：指示子載波，可以取值為5或6。

5用于上行子載波間隔為15 kHz的情況。根據規范定義，有效的NB-PUSCH的子載波資源集合為{12， 6， 3， 1}，表示子載波資源分配可按照12、6、3、1個進行分配，不支持其他數量的資源。比如全部12個子載波作為一個整體圖樣進行分配，則指示為{0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9， 10， 11}，每3個不交疊子載波資源分配指示分別為{0， 1， 2}、{3， 4， 5}、{6， 7， 8}、{9， 10， 11}。以此類推，共計20種圖樣，用5個比特表示。

6用于上行子載波間隔為3.75 kHz的情況，共有48個不交疊的子載波圖樣。

1）Resource assignment：3 bits，用于指示TTI bunding的大小，取值集合為{1， 2， 3， 4， 5， 6， 8， 10}。

2）Scheduling delay：2 bits，用于指示NB-PDCCH結束時點和NB-PUSCH數據發送開始時點之間的調度時延，按照規范，該數值與NB-PDCCH、NB-PUSCH的重復傳輸次數有關，定時間隔的最小值是8 ms，取值集合為{8， 16， 32， 64}，分別針對不同的覆蓋等級，具體參見文獻[2]。

3）Modulation and coding scheme：4 bits，表示16中不同的MCS的索引值，包括multi-tone QPSK、single-tone pi/2-BPSK和pi/4-QPSK。

4）Redundancy version：1 bit，針對Multi-tone和Singal-tone，通過這個比特分別表示RV0和RV2不同版本。

5）DCI subframe repetition number：2 bits，用于表示NB-PDCCH重復傳輸的次數（用于Paging的CSS除外），共4種。

6）Repetition numbe：3 bits。目前該數值尚未最后確定，指示NB-PUSCH重復傳輸的次數。根據文獻[3]，3 bits表示了{1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128}中的一種。

DCI format N1如表2所示：

格式N1用于DL Grant，和N0不同的字段說明如下：

1）HARQ-ACK resource：指示HARQ-ACK信息，代替傳統LTE的PHICH信息指示，目前規范尚未確定具體數值。

2）Repetition numbe：4 bits。目前該數值尚未最后確定，指示NB-PDSCH重復傳輸的次數。根據文獻[4]，4 bits表示了{1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128， 256， 512， 1024， 2048}中的一種。

DCI format N2如表3所示。

格式N2用于paging，分為Paging和Direct Indication兩種，字段說明如下：

1）Flag for paging/direct indication differentiation：格式的標志區分。

2）Direct Indication information，8 bits，直接指示系統更新信息。

3）Reserved information bits，信息保留位。

DCI format N3如表4所示：

Format N3為調度RAR使用，并不是獨立的format，屬于format N1的一種情況。

4 結論

NB-IoT的NB-PDCCH是重要的物理控制信道之一，其設計特點和資源調度對系統的性能有重要的影響。NB-IoT的PDCCH時頻結構和傳統LTE有一定差異，其承載的DCI信息針對物聯網特點進行了優化配置，PDCCH的無線資源調度機制充分體現了有限資源和較高效調度效率的特點，為NB-IoT網絡無線資源調度的研究測試和優化提供有用的參考。

參考文獻：

[1] RP-151621. New Work Item： NarrowBand IOT （NB-IoT）， Qualcomm Incorporated[R]. 2015.

[2] R1-162626. DCI for NB-IoT[R]. 2016.

[3] R1-163341. NB-PUSCH design[R]. 2016.

[4] R1-161805. NB-PDSCH design[R]. 2016.

[5] 戴國華，余駿華. NB-IoT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究[J]. 移動通信， 2016，40（7）： 31-36.

[6] R1-162628. UCI for NB-IoT[R]. 2016.

[7] R1-161933. NB-PDCCH Design[R]. 2016.

[8] R1-162060. Summary of NB-PUSCH Subcarrier Allocation

[R]. 2016.

[9] R1-161859. Remaining issues on NB-PDCCH design for NB-IoT[R]. 2016.

[10] R1-161821. NB-IoT - DCI content[R]. 2016.

[11] R1-161841. DCI design for NB-IoT[R]. 2016. ★