NB-IoT性能淺析

張超，高有軍，丁海煜

（中國移動通信集團(tuán)公司研究院，北京 100032）

NB-IoT性能淺析

張超，高有軍，丁海煜

（中國移動通信集團(tuán)公司研究院，北京 100032）

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，針對低功耗廣覆蓋類LPWA應(yīng)用設(shè)計的新型窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)，由于其低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接的特點受到越來越多的關(guān)注，因此基于NB-IoT相關(guān)協(xié)議規(guī)范，通過傳輸機制分析，從用戶速率、小區(qū)吞吐量等方面，分析了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)性能，為NB-IoT在智能抄表、智能家居、市政物聯(lián)、物流追蹤、智能穿戴、廣域物聯(lián)和工業(yè)物聯(lián)等垂直行業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了參考。

NB-IoT 用戶速率 吞吐量

1 引言

NB-IoT是專門為LPWA類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)設(shè)計的全新技術(shù)，具備廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本的特點，通過犧牲速率和時延性能，換取更極致的物聯(lián)網(wǎng)承載能力。

相比于傳統(tǒng)4G，NB-IoT采用了革新空口技術(shù)，更加適合物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，采用超窄帶設(shè)計（200 kHz系統(tǒng)帶寬、3.75 kHz/15 kHz信道帶寬）、長時間發(fā)送（如多次重復(fù)）實現(xiàn)覆蓋增強；設(shè)計更窄的資源粒度帶寬實現(xiàn)大連接；通過物理信道簡化、高層協(xié)議優(yōu)化、設(shè)計新的節(jié)電特性實現(xiàn)功耗降低（如PSM省電模式、eDRX功能），可達(dá)續(xù)航10年；基于LTE協(xié)議棧對終端和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功能精簡，以及降低性能要求，實現(xiàn)低成本的目標(biāo)。

本文重點分析NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)性能，首先介紹NBIoT的傳輸原理及特征，然后依次研究分析單用戶性能、NB小區(qū)多用戶性能。

2 用戶速率

2.1 NB-IoT傳輸機制

（1）下行傳輸

NB-IoT的下行數(shù)據(jù)調(diào)度是由PDCCH下發(fā)調(diào)制編碼方式、時頻資源位置和數(shù)據(jù)量等信息，PDSCH承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，然后由PUSCH反饋至HARQ ACK，基本流程與LTE類似，不過一次調(diào)度的PDCCH和PDSCH不在同一個子幀（最小調(diào)度時間單元）內(nèi)，兩者最小間隔是4 ms。PDSCH的ACK反饋信息由PUSCH format 2承載，兩者最小間隔是12 ms；上下行轉(zhuǎn)換時延要求是3 ms。因此，一次下行數(shù)據(jù)傳輸所需要的時間=PDCCH傳輸時間+4 ms+PDSCH傳輸時間+12 ms+PUSCH傳輸時間+3 ms，一次傳輸需要占用一個HARQ進(jìn)程，這個時間通常稱為HARQ RTT。NB-IoT下行調(diào)度時序圖如圖1所示。

另外，NB-IoT的PDCCH并不像LTE那樣可以出現(xiàn)在每個下行子幀中，而是周期出現(xiàn)，PDCCH周期由最大重復(fù)次數(shù)Rmax和占空比G相乘得到，T=Rmax×G。因此，一次HARQ RTT結(jié)束之后，需要等待下一個PDCCH周期到來才能進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)調(diào)度。本次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束子幀與下一個PDCCH起始子幀之間的等待時間為資源碎片，除此之外的時間都是數(shù)據(jù)傳輸必須的。因此，如果要提升速率和降低時延，除提升調(diào)制編碼方式外，還需要盡可能地減少資源碎片。資源碎片最小為0，即一個HARQ RTT之后正好碰到PDCCH搜索空間，可以直接進(jìn)行下一次調(diào)度。資源碎片最大為PDCCH周期×N-HARQ RTT，N為滿足PDCCH周期×N大于HARQ RTT的最小整數(shù)值。

（2）上行傳輸

與下行傳輸流程不同，NB-IoT的上行數(shù)據(jù)傳輸是由PDCCH下發(fā)調(diào)制編碼方式、時頻資源位置和數(shù)據(jù)量等信息，PUSCH format 1承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。一次調(diào)度的PDCCH和PUSCH最小間隔是8 ms。PUSCH的ACK反饋信息沒有專門的信道來承載，而是由下一次調(diào)度的PDCCH中的NDI指示，上下行轉(zhuǎn)換時延要求是3 ms。因此，一次上行數(shù)據(jù)傳輸所需要的時間=PDCCH傳輸時間+8 ms+PUSCH傳輸時間+3 ms。NB-IoT上行調(diào)度時序圖如圖2所示。

同樣，一次上行HARQ RTT結(jié)束之后，需要等待下一個PDCCH周期到來才能進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)調(diào)度，同樣會有資源碎片。與下行類似，上行傳輸過程中的資源碎片最小值也是0，最大值為PDCCH周期×N-HARQ RTT，N為滿足PDCCH周期×N大于HARQ RTT的最小整數(shù)值。

2.2 用戶速率分析

由于NB-IoT每個用戶只有一個HARQ進(jìn)程，因此，理論上用戶速率可以用公式(1)計算：

圖2 NB-IoT上行調(diào)度時序圖

表1 單用戶速率

通過表1的公式(2)速率與實驗室測試速率對比可以看出，實測速率絕大部分場景都高于按照公式(2)計算的理論速率，這是由于廠商對設(shè)備進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)優(yōu)化改進(jìn)，主要是通過PDCCH配置參數(shù)優(yōu)化、調(diào)度算法優(yōu)化和處理能力增強來降低資源碎片大小，提升了調(diào)度效率，達(dá)到提升速率的效果。

另外，表1中展示的實驗室測試速率為各個設(shè)備廠商的平均速率，實際中各個廠商設(shè)備的性能還是有一定差異的，例如：下行峰值各廠商平均速率為22 kbit/s，而設(shè)備性能較好的廠商最高可以達(dá)到25 kbit/s，將資源碎片壓縮到很小。

3 小區(qū)吞吐量

對于下行鏈路來講，由于NB-IoT用戶都是單HARQ進(jìn)程，而一個HARQ RTT中包含很多等待時間，導(dǎo)致單用戶無法用滿全部系統(tǒng)資源。因此，NBIoT網(wǎng)絡(luò)的單用戶下行峰值速率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小區(qū)下行峰值速率的，這點與LTE網(wǎng)絡(luò)不同，LTE網(wǎng)絡(luò)中的用戶可以多HARQ進(jìn)程并發(fā)，類似于多用戶傳輸?shù)男Ч虼耍瑔斡脩粝滦蟹逯邓俾士梢赃_(dá)到小區(qū)下行峰值速率的水平。另外，NB-IoT中PBCH、PSS、SSS、PDCCH、PDSCH等下行信道不能復(fù)用到同一子幀中傳輸，因此開銷很大。

對于上行鏈路Multi-tone傳輸方式來講，同樣由于NB-IoT用戶是單HARQ進(jìn)程，導(dǎo)致NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的單用戶上行峰值速率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小區(qū)上行峰值速率的。對于Single-tone傳輸方式來講，單用戶只能單載波傳輸，無法占滿整個系統(tǒng)帶寬，單用戶上行速率會更低。而LTE網(wǎng)絡(luò)中的單用戶上行峰值速率可以達(dá)到小區(qū)上行峰值速率的水平。

3.1 小區(qū)下行峰值吞吐量

分析小區(qū)峰值吞吐量，首先需要計算資源開銷，然后再計算數(shù)據(jù)傳輸可用資源能承載的數(shù)據(jù)速率。

NB-IoT下行信道結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

資源開銷如下：

（1）子幀0固定傳輸NPBCH，資源開銷比例為10%；

（2）子幀5固定傳輸NPSS，資源開銷比例為10%；

（3）每兩個無線幀的子幀9固定傳輸NSSS，資源開銷比例為5%；

（4）SIB1在2 560 ms周期內(nèi)傳輸64次（按照重復(fù)次數(shù)8計算），每80 ms傳輸一次，資源開銷比例為2.5%；

（5）如表2所示，其他主要SIB消息，資源開銷比例為2.27%。

綜上得到，NB-IoT系統(tǒng)的資源開銷總計約30%，那么數(shù)據(jù)傳輸可用資源為70%。

Standalone/Guard-band模式下，從表3中得到傳輸效率最高的方式為一個四個子幀的NPDSCH承載TBS=680 bit的數(shù)據(jù)。另外，一次調(diào)度需要一個NPDCCH，最少占用半個子幀，那么最高效的傳輸方式就是3.5個子幀傳輸680 bit的數(shù)據(jù)，在不考慮資源碎片的情況下：

圖3 NB-IoT下行信道結(jié)構(gòu)示意圖（Standalone/Guard-band）

圖4 NB-IoT下行信道結(jié)構(gòu)示意圖（In-band）

表2 SI資源開銷

表3 PDSCH傳輸塊大小（下行）

In-band模式下，由于其需要避開與LTE的CRS和控制域重合的區(qū)域，每個PRB中可用的RE數(shù)較少，3GPP 36.213協(xié)議中規(guī)定最大可使用的TBS_INDEX=10，因此傳輸效率最高的方式為一個四個子幀的NPDSCH承載TBS=680 bit的數(shù)據(jù)。另外，一次調(diào)度需要一個NPDCCH，最少占用半個子幀，那么最高效的傳輸方式就是4.5個子幀傳輸680 bit的數(shù)據(jù)，那么：

通過上述分析，不考慮資源碎片的情況下，NBIoT系統(tǒng)在Standalone/Guard-band模式下的小區(qū)下行峰值吞吐量為136 kbit/s，In-band模式下的小區(qū)下行峰值吞吐量為105 kbit/s。在相同的網(wǎng)絡(luò)配置下，目前實驗室工程測試中，能夠達(dá)到的小區(qū)下行峰值吞吐量為110 kbit/s（SA模式）和80 kbit/s（IB）。可以看到，在實際應(yīng)用中，通過PDCCH參數(shù)優(yōu)化、調(diào)度算法優(yōu)化和基帶處理能力增強等方式，小區(qū)下行峰值吞吐量可以達(dá)到理論峰值的80%。

3.2 小區(qū)上行峰值吞吐量

N B-I o T的上行信道結(jié)構(gòu)比較簡單，僅包含NPUSCH和NPRACH兩種信道。

在NPRACH周期為40 ms，子載波數(shù)為24的典型配置下，NPRACH的資源開銷比例為8%，那么數(shù)據(jù)傳輸可用資源為92%。

由于NB-IoT的上行有三種傳輸方式：3.75 kHz單載波、15 kHz單載波、15 kHz多載波，其中3.75 kHz單載波和15 kHz單載波的RU占用的時頻資源是一樣的，TBS_INDEX使用范圍也相同，都是最大取10，因此兩者的小區(qū)上行峰值吞吐量相同。而15 kHz多載波的TBS_INDEX最大可以取12，且RU占用的時頻資源與單載波不同，因此小區(qū)上行峰值吞吐量也與單載波不同的。

以15 kHz單載波計算，從表4中得到傳輸效率最高的方式為一個五RU的NPUSCH承載TBS=872 bit的數(shù)據(jù)。那么不考慮資源碎片的情況下：

15 kHz多載波情況下，從表4中得到傳輸效率最高的方式為一個四RU的NPUSCH承載TBS=1 000 bit的數(shù)據(jù)。那么不考慮資源碎片的情況下：

表4 PUSCH傳輸塊大小（上行）

通過上述分析，不考慮資源碎片的情況下，NBIoT系統(tǒng)在單載波傳輸下的小區(qū)上行峰值吞吐量為240 kbit/s，多載波傳輸下的的小區(qū)上行峰值吞吐量為230 kbit/s。在相同的網(wǎng)絡(luò)配置下，目前實驗室工程測試中，能夠達(dá)到的小區(qū)上行峰值吞吐量為210 kbit/s。可以看到，在實際應(yīng)用中，通過PDCCH參數(shù)優(yōu)化、調(diào)度算法優(yōu)化和基帶處理能力增強等方式，小區(qū)上行峰值吞吐量可以達(dá)到理論峰值的85%以上。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了NB-IoT的上下行傳輸原理，并與LTE進(jìn)行了分析對比，基于NB-IoT的傳輸機制，給出了資源碎片的準(zhǔn)確描述，分析了其對性能的影響；基于對NB-IoT傳輸特點的分析，首先給出了用戶速率的理論計算方法，然后進(jìn)一步分析了多用戶情況下，小區(qū)吞吐量的計算方法。最后基于實驗室測試，分別給出了NB-IoT實際應(yīng)用中的用戶速率以及小區(qū)吞吐量，為NB-IoT在智能抄表、智能家居、市政物聯(lián)、物流追蹤、智能穿戴、廣域物聯(lián)和工業(yè)物聯(lián)等垂直行業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了重要參考。并將理論計算值與實際測試值進(jìn)行了對比，指明了產(chǎn)業(yè)降低資源碎片、提升調(diào)度效率的手段和方法，從目前實驗室測試的NB-IoT性能來看，還有一定的提升空間，后續(xù)產(chǎn)業(yè)可以在參數(shù)優(yōu)化、調(diào)度算法優(yōu)化和基帶處理能力增強等方面進(jìn)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

A

1006-1010(2017)21-0047-06

張超,高有軍,丁海煜. NB-IoT性能淺析[J]. 移動通信, 2017,41(21): 47-52.

2017-11-08

黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn

張超：中級工程師，碩士畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)任中國移動通信集團(tuán)公司研究院項目經(jīng)理，主要研究方向為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、移動通信LTE關(guān)鍵技術(shù)。

高有軍：高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國移動通信集團(tuán)公司研究院技術(shù)經(jīng)理，主要研究方向為移動通信關(guān)鍵技術(shù)。

丁海煜：高級工程師，碩士畢業(yè)于浙江大學(xué)，現(xiàn)任中國移動通信集團(tuán)公司研究院無線與終端技術(shù)研究所所長，主要研究方向為移動通信關(guān)鍵技術(shù)。