NB—IoT無線吞吐率及低功耗技術探討

郭寶+劉毅+張陽

【摘 要】為了對NB-IoT進行研究，重點分析了NB-IoT的網絡結構、物理信道、上下行吞吐率以及其特有的低功耗技術，最后對NB-IoT如何與現有網絡兼容協作也作出了相應的探討，希望以此幫助企業對NB-IoT技術覆蓋、吞吐率、功耗等方面進行整體規劃。

低功耗 節電模式 增強的非連續接收

1 引言

NB-IoT是3GPP針對低功耗廣覆蓋（LPWA，Low Power Wide Area）類業務而定義的新一代蜂窩物聯網接入技術，是基于全新空口設計的物聯網技術，最少可只使用200 kHz授權頻段，主要面向低速率、低時延、超低成本、低功耗、廣深覆蓋、大連接需求的物聯網業務。NB-IoT在物理層發送方式、網絡結構、信令流程等方面做了簡化，并提出了在GSM基礎上增強20 dB的覆蓋目標，即最大耦合路損（MCL，Maximum Coupling Loss）要達到164 dB，這個目標主要通過提高功率譜密度、重復發送、低階調制編制等方式實現。因此，本文接下來將在介紹NB-IoT網絡結構、三種部署方式以及上下行物理信道的基礎上，闡述NB-IoT無線吞吐率的計算方法以及低功耗關鍵技術的工作原理。

2 NB-IoT網絡結構

2.1 NB-IoT部署方式

NB-IoT目前只在FDD有定義，終端為半雙工方式。NB-IoT上下行有效帶寬為180 kHz，其中下行采用OFDM，子載波帶寬與LTE相同，為15 kHz；上行有兩種傳輸方式：單載波傳輸（Single-tone）和多載波傳輸（Multi-tone），其中Single-tone的子載波帶寬包括3.75 kHz和15 kHz兩種，Multi-tone子載波間隔為15 kHz，支持3、6、12個子載波的傳輸。

NB-IoT支持3種不同的部署方式：獨立部署（Stand-alone operation）、保護帶部署（Guard-band operation）、帶內部署（In-band operation），如圖1所示。Stand-alone部署在LTE帶寬之外，Guard-band部署在LTE的保護帶內，In-band占LTE的1個PRB資源，需保證與LTE PRBs的正交性。

Stand-alone可獨立設置發射功率，例如20 W；Guard-band、In-band的功率與LTE功率有關系，通過設置NB-IoT窄帶參考信號（NRS，Narrowband Reference Signal）與LTE公共參考信號（CRS，Common Reference Signal）的功率差來設定NB-IoT的功率，目前協議定義的可設置NRS比CRS最大高9 dB，實際大小需根據設備的發射能力而定。NB-IoT子幀結構與LTE FDD相同，引入了新的參考信號NRS和新的主輔同步信號（NPSS/NSSS，Narrowband Primary Synchronization Signal/Narrowband Secondary Synchronization Signal），支持單端口和雙端口兩種發射模式。

在頻譜分配上，Stand-alone是頻譜上獨占，不存在與現有系統共存問題；Guard-band方式需要考慮與LTE系統的共存，如干擾規避、射頻指標等問題；In-band需要考慮與LTE系統的共存，如干擾消除、射頻指標等問題。

在帶寬規劃中，Stand-alone限制會比較少，規劃難度低；Guard-band方式中，LTE系統帶寬不同對應的可用Guard-band帶寬也不同，另外，因為要滿足中心頻點300 kHz需求，所以可以用在NB-IoT的頻域位置也比較少。同樣，要滿足中心頻點300 kHz需求，Inband可以用在NB-IoT的頻域位置也比較少。

從兼容性考慮，Stand-alone下配置限制較少；Guard-band需要考慮與LTE兼容；In-band需要考慮與LTE兼容，如避開PDCCH區域、避開CSI-RS、PRS、LTE-同步信道和PBCH、CRS、TDD上下行配比等。

覆蓋、容量及傳輸時延方面，三種方式都可滿足要求。Stand-alone覆蓋略大、容量較大、時延略小；Guard-band模式下覆蓋略小、容量較大、時延略大；In-band模式覆蓋最小、支持容量較小、時延最大。

2.2 NB-IoT物理信道

NB-IoT在物理層做了簡化，保留了LTE網絡中的廣播信道、下行控制信道、下行共享信道、隨機接入信道以及上行共享信道，取消了PCFICH、PHICH和PUCCH信道，不支持CSI的上報。NB-IoT下行未引入控制域的概念，上行共享信道的ACK/NACK反饋信息在下行控制信道中指示，下行共享信道的ACK/NACK反饋信息在上行共享信道format 2中反饋。NB-IoT以上行業務為主，需要重點關注上行共享信道的承載能力和覆蓋能力。

（1）窄帶物理廣播信道（NPBCHN，Narrowband Physical Broadcast Channel）

NPBCH信道與LTE的PBCH不同，廣播周期為640 ms，重復8次發送，終端接收若干個子幀信號進行解調。

（2）窄帶物理下行控制信道（NPDCCH，Na-

rrowband Physical Downlink Control Channel）

負責上下行調度信息。LTE的PDCCH固定使用子幀前幾個符號，NPDCCH與PDCCH差別較大，使用的窄帶控制信道資源（NCCE，Narrowband Control Channel Element）占6個子載波。Stand-alone和Guard-band模式下，可使用所有OFDM符號；In-Band模式下，錯開LTE的控制符號位置。NPDCCH有兩種format：NPDCCH format 0的聚合等級為1，占用NCCE0或NCCE1；NPDCCH format 1的聚合等級為2，占用NCCE0和NCCE1。其中，NPDCCH最大重復次數可配，取值范圍為{1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128， 256， 512， 1024， 2048}。

（3）窄帶物理下行共享信道（NPDSCH，Narrowband Physical Downlink Shared Channel）

負責下行數據發送、尋呼、隨機接入響應等。NPDSCH頻域資源占12個子載波，Stand-alone和Guard-band模式下，使用全部OFDM符號；In-band模式下需錯開LTE控制域的符號，由于SIB1-NB中指示控制域符號數，因此如果是SIB1-NB使用NPDSCH子幀，固定錯開前3個符號。NPDSCH調制方式為QPSK，MCS只有0～12。

（4）窄帶物理隨機接入信道（NPRACH，Narrowband Physical Random Access Channel）

負責上行隨機接入。NPRACH子載波間隔為3.75 kHz，占用1個子載波，有Preamble format 0和fomrat 1兩種格式，對應66.7 μs和266.7 μs兩種CP長度，對應不同的小區半徑。1個Symbol Group包括1個CP和5個符號，4個Symbol Group組成1個NPRACH信道。NPRACH信道重復獲得覆蓋增強，重復次數可以是{1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128}。

（5）窄帶物理上行共享信道（NPUSCH，Narrowband Physical Uplink Shared Channel）

負責上行數據發送、上行控制信息發送。NPUSCH上行子載波間隔有3.75 kHz和15 kHz兩種，上行有兩種傳輸方式：單載波傳輸（Single-tone）、多載波傳輸（Multi-tone），其中Single-tone的子載波帶寬包括3.75 kHz和15 kHz兩種；Multi-tone子載波間隔為15 kHz，支持3、6、12個子載波的傳輸。上行傳輸資源是以RU（Resource Unit）為單位進行分配的，Single-tone和Multi-tone的RU單位定義如表1所示，調度RU數可以為{1， 2， 3， 4， 5， 6， 8， 10}，在NPDCCH N0中指示。

3 NB-IoT吞吐率

3.1 NB-IoT下行峰值吞吐率

NB-IoT下行采用15 kHz子載波間隔進行傳輸，即一個NB-IoT載波的200 kHz帶寬內，共有12個子載波，其有效帶寬為180 kHz。在時域上，NB-IoT子幀結構與LTE Type1保持一致；在下行調度上，單用戶最小調度單元為一個子幀，即1 ms。如表2所示，NB-IoT在原有LTE MCS/TBS表的基礎上做了一定修改，第一列為ITBS指示，第一行為調度子幀數指示。NB-IoT只支持表2中標黃的部分。值得注意的是，ITBS=11/12僅在獨立部署（Stand-alone）、LTE FDD保護帶部署（Guard-band）兩種場景下支持。

為簡化交互信令流程系統，NB-IoT下行僅支持單線程，且考慮終端復雜度，在下行傳輸中PDCCH調度信息與相應PDSCH之間，PDSCH與ACK/HACK反饋的PUSCH之間均預留了較長時延。NPDSCH開始傳輸的子幀與相應NPDCCH調度之間的時延至少為4 ms，ULACK/NACK開始的子幀與相應NPDSCH的傳輸至少為12 ms，即對于某一處于正常覆蓋場景下的終端，若需達到峰值吞吐率，則需在3個子幀內完成，如圖2所示。

在這種情況下，其峰值吞吐率可計算如下：

下行峰值速率=680 bit/（1 ms（PDCCH調度時延）+4 ms（PDCCH調度與PDSCH時延）+3 ms（PDSCH傳輸時延）+12 ms（PUSCH與PDSCH時延）+2 ms（PUSCH傳輸時延）+10 ms（NPDCCH調度限制1））=21.25 kbit/s （1）

3.2 NB-IoT上行峰值吞吐率

NB-IoT上行有Single-tone與Multi-tone兩種不同的傳輸方式，其中Single-tone有3.75 kHz及15 kHz兩種子載波帶寬，并采用單用戶單次傳輸僅可調度一個子載波的方式進行上行數據傳輸。Multi-tone僅有15 kHz子載波帶寬，可采用給單用戶調度多個載波的方式進行傳輸。在3GPP R13版本中引入了Resource Unit的概念，作為單用戶上行可調度的最小單元。其中：

Single-tone方式下，15 kHz子載波帶寬場景中，Resource unit為8 ms連續子幀；Single-tone 3.75 kHz子載波帶寬場景中，Resource unit為32 ms連續子幀。

Multi-tone方式下，12個子載波同時被調度時，Resource unit為1 ms；6個子載波同時被調度時，Resource unit為2 ms；3個子載波同時被調度時，Resource unit為4 ms。

計算峰值吞吐率時可考慮終端處于覆蓋較好的場景下。在該場景下，終端發射功率有較大余量，可考慮Multi-tone用12子載同時調度。為進一步簡化系統，NB-IoT上行也僅支持單線程，其調度信息與實際傳輸信息間時延，以及傳輸所耗時間具體如圖3所示。

NPUSCH開始傳輸的子幀與相應NPDCCH調度之間的時延至少為8 ms，DLACK/NACK開始的子幀與相應NPUSCH的傳輸時延至少為3 ms，對于某一處于正常覆蓋場景下的終端，若需達到峰值吞吐率，則需4個子幀內完成TBS=1 000 bit的傳輸。

由此，上行峰值吞吐率可計算如下：

上行峰值速率=1 000 bit/（1 ms（PDCCH調度時延）+8 ms（PDCCH調度與PUSCH時延）+4 ms（PUSCH 傳輸時延）+3 ms（PUSCH與PDSCH時延））=62.5 kbit/s （2）

4 低功耗技術

NB-IoT通過簡化物理層設計降低實現復雜度，上行Single-tone模式峰值均比低，下行采用Tail-biting卷積碼，降低解碼復雜度，對移動性要求較低，不要求連接態測量及互操作，不要求異系統測量及互操作，減少了測量對象，從而降低功耗。

窄帶蜂窩物聯網在3GPP R12和R13分別引入了兩大重要的節電特性：在R12引入了節電模式功能（PSM，Power Saving Mode）；在R13引入了擴展的非連續接收特性（e-DRX，Extended Discontinues Reception）。

4.1 節電模式PSM

PSM功能允許終端數據傳輸完成后向網絡申請進入深度睡眠。終端可以在Attach Request/TAU Request/RAU Request等NAS信令中向網絡申請開啟PSM功能，系統確認后通過Attach Accept/TAU Accept/RAU Accept等信令配置Active Time。終端從連接態轉到空閑態后開啟Active Time，在Active Time超時后進入PSM狀態。如圖4所示，終端在Active Time時間內正常監聽尋呼消息，為可及狀態；進入PSM狀態后不再監聽尋呼消息，變為不可及狀態。當需要傳輸上行數據或者周期性TAU/RAU時，終端離開PSM。

終端進入PSM狀態后，在網絡中仍然是已注冊狀態，其業務狀態類似于關機。終端處于PSM狀態時無法被尋呼到，適用于終端數據傳輸不是很頻繁且對時延不敏感的業務。考慮到智能表類終端的業務一般是數據上報，且上報周期比較長，承載該類業務的終端非常適合配置PSM功能。以每兩小時上報一條長度為200字節的數據包計算，處于覆蓋中點的終端有99%的時間可以處于PSM狀態，也就是說幾乎大部分時間待機電流都在極低的水平，能夠大幅度延長工作時長。

需要說明的是，PSM功能本身是不帶周期配置的，對于有下行數據傳輸需求的業務，可以合理配置TAU的周期。PSM和周期性TAU相結合，可以保證終端即使沒有上行數據傳輸，也可以按照固定間隔從PSM中醒來，接收下行數據。

4.2 增強的非連續接收eDRX

目前LTE網絡下終端DRX周期最長為2.56 s，eDRX通過延長DRX周期（空閑態最大周期為43分鐘，連接態最大周期為10.24 s），進一步降低終端連接態和待機功耗。對于時延要求在分鐘量級或存在較多數據的業務，周期性TAU和終端自主喚醒較為頻繁，如果使用PSM會引入大量的信令交互。對于不適用PSM的業務，更靈活的方法是使用eDRX。

eDRX功能是在R8 DRX基礎上，為了進一步增強節電增益而進行的功能擴展。R8定義的DRX周期最長為2.56 s（空閑態和連接態最大周期相同），eDRX通過延長喚醒周期進一步降低終端連接態和空閑態功耗。對于空閑態，NB-IoT eDRX最大周期為174.76分鐘，周期取值范圍為{20.48， 40.96， 81.92， 163.84， 327.68， 655.36， 1 310.72， 2 621.44， 5 242.88， 10 485.76} s，工作示意如圖5所示：

關于eDRX功能的使用，根據不同業務的時延要求、數據傳輸頻率，可以選擇合理的eDRX周期，對連接態和空閑態eDRX周期進行差異化配置。同時，eDRX和PSM可以聯合使用，在連接態和空閑態（Active Time）配置eDRX，Active Time超時后進入PSM，達到最大省電效果。

5 結束語

通過前文對NB-IoT無線吞吐率及低功耗技術的探討可知，NB-IoT技術在物理層發送方式、網絡結構、信令流程等方面做了簡化，鏈路預算中實現在GSM基礎上增強20 dB的覆蓋目標，其低功耗技術也非常突出。總結來說，NB-IoT在覆蓋、功耗、成本、連接數等方面性能占優，可全面滿足LPWA類業務的需求，但無法滿足移動性及中等速率要求，其特有的關鍵技術特性可滿足智能家居、智慧連接、智能抄表、市政物聯、物流追蹤、智能穿戴、廣域物聯等LPWA類物聯網的需求。從建設方案來看，NB-IoT可依托原有2G網絡或4G網絡進行建設，如果依托2G網絡建設，需在基站上新增基帶板以支持NB-IoT；如果依托4G網絡建設，可與現有設備共主控板及傳輸網，但需新增基帶板、RRU及天饋系統。無論是依托2G或4G建設，都需要獨立部署核心網或升級現網設備。

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