NB-IoT資源調度技術以及優化策略

曹祥風

摘要

NB-IoT是一種基于蜂窩的窄帶物聯網技術，主要應用于低吞吐量、能夠容忍較大時延以及低移動性場景，如智能停車、智能家居、智慧城市等應用。NBIoT信道帶寬為180kHz，在如此低的信道帶寬要支持眾多接入用戶，一方面單個終端以極低頻次接入，另一方面基站要面對數萬個終端的隨機接入，因此需要盡可能優化資源分配和調度策略，提高數據傳輸效率。本文先對NB-IoT資源調度的一些基本概念做些介紹，然后再對上下行物理信道的調度策略優化措施進行一些探討。

【關鍵詞】NB-IoT 物聯網 HARQ 資源調度 策略優化

NB-IoT是一種窄帶物聯網技術，在NB-IoT中無論上行還是下行均只有1個HARQprocess，降低對UE并行處理能力和緩存的要求，并且上下行均為自適應異步HARQ，即上下行接收發送和確認沒有固定的時序，使得調度非常靈活，能夠適應海量UE接入，以及適應不同的鏈路環境，同時也帶來了基站以及UE調度策略的復雜度，如果調度策略控制不好，會引起資源沖突或資源調度稀疏，反而降低傳輸效率。

1 上行HARQ流程

步驟1：基站在PIPDCCH信道發送DclNO控制信息，UE通過盲檢NPDCCH可以得知控制信息中給定的上行NPUSCH信道信息。

步驟2：UE延遲一定時間（基站策略協調多個UE的接入時機避免沖突）后發送NPUSCH信息，其編碼方式、冗余版本、重復次數等信息均在DCI NO中獲得。

步驟3：基站收到NPUSCH后，確定下次在DCI NO發送新數據還是對本次數據的重傳標識。

2 下行HARQ流程

步驟1：基站在NPDCCH信道上發送DCIN1控制信息，UE通過盲檢NPDCCH可以得知控制信息中給定的下行NPDSCH信道信息。

步驟2：基站延遲一定時間（基站策略協調多個UE的調度時機避免沖突）發送NPDSCH信息，編碼方式、重復次數等信息均在DCIN1中告知UE。

步驟3：UE收到NPDSCH后，若CRC正確則在上行信道上反饋ACK，否則反饋NACK。

步驟4：基站檢測到NPUSCH ACK/NACK信息后，在隨后下行NPDCCH控制信道的DCIN1中發送新數據或重傳標識。

上面介紹了上行HARQ和下行HARQ協議流程，在實際工作環境下，上行HARQ和下行HARQ是穿插工作的。在不同覆蓋場景以及不同信道條件下，可能由于信道接收質量或者基站多用戶資源調度等方面原因，使得UE上下行業務得不到充分調度，可能會錯過基站分配的授權或者基站長時間不給授權時要及時發起連接態隨機接入申請授權。

UE有上行數據要發送時，需要等待基站給予授權，如果等待時間（SR定時器）取值較短，在一定時間沒有等到上行授權（基站很可能正在規劃），那么UE會觸發連接態隨機接入，在隨機接入過程中可能會錯過這段時間下行接收，進而又在RLC層產生重傳，造成上行數據投遞產生較大延遲。如果等待時間取值較長，又會影響數據包投遞到高層的時延，影響數據交互實時性和用戶體驗。這里，等待時間就需要采取策略進行優化，需要兼顧不同場景取得一個綜合性平衡。

UE上有數據數據要發送，但是在不穩定的衰落信道條件下，上行發送和下行數據接收可能會出現漏收或錯收現象，這種情況下可能錯過基站發送的DCI N0授權信息。UE啟動SR定時器監控，當有上行數據要發送，且定時器超時后未收到DCI N0時，就認為基站未調度或者DCI N0丟失，需要發起連接態隨機接入申請上行授權發送上行數據。

UE通過檢測NPDCCH來獲取DCI N0控制信道信息。NPDCCH是通過搜索空間盲檢得到，與PDCCH盲檢周期（TPDCCH=Rmax*G）有關，在不同覆蓋等級下TPDCCH周期取值范圍可以在8ms～10240ms之間變化，差異非常懸殊，因而在等待時間上需要結合TPDCCH周期來考慮。

下面我們對終端資源調度策略進行一些探討性研究。NB-IoT主要應用在低功耗、低速率、低移動、極限覆蓋等場景，在不同場景下隨機接入信道和業務信道的配置相差非常大，對于正常覆蓋CEO等級，典型的Rmax=8，G=2，而在增強覆蓋CE2等級時，Rmax可以配置到64甚至256，而G值也可能配置為較大的值，從而NPDCCH搜索空間周期相差很大。不同信道條件下，NPDCCH/NPDSCH/NPUSCH的重復次數也會相應自適應調整（AMC）。基于以上場景考慮，我們在調度策略上做些優化：

（1）SR定時器與NPDCCH周期關聯。基站在系統消息中廣播不同接入等級的PRACH資源，UE在隨機接入前測量基站NRS信道RSRP值，選擇相應接入等級，同時也確定了USS Rmax*G值（即NPDCCH周期），UE在連接態使用的SR監控定時器采用一套與USS周期相關聯的算法，比如將NPDCCH周期分成幾個檔位，每個檔位使用不同SR定時器長度。

（2）SR定時器與BSR上報相關。UE結合BSR上報情況來判斷是否預期基站有調度，考慮最后一次BSR上報是否發送成功，并結合基站狀態報告來確認。如果有新上行數據到達，協議棧可先判斷之前BSR上報的情況，如果長時間未上報BSR或最后一次上報為0值BSR，則判斷基站不會主動調度授權，則需要立即觸發SR接入;如果新數據到達之前己上報BSR，則判斷基站會主動調度授權，這時可等待SR定時器超時在發起接入，以防止授權被漏檢或基站異常未調度的情況。

通過以上策略優化改進，我們在實際外場測試中已經得到驗證能夠顯著提升業務穩定性和降低數據包傳遞時延。

3 結論

本文重點對NB-IoT的上下行調度策略優化進行了探討，調度策略優化的優點是很明顯的：即在需要觸發SR接入時能快速響應并立即觸發SR接入，有效減少等待時延;在預期有調度的時候，可適當拉長等待時間，既能避免過早觸發SR接入，又能保證在上行授權被漏檢或異常未調度時可通過及時發起隨機接入申請上行授權來發送數據，從而降低接入時延。

參考資料

[1]邱剛.NB-IoT系統資源調度研究[J].中興通訊技術，2017（Ol）.

[2]盧斌.NB-IoT物理控制信道NB-PDCCH及資源調度機制[J].移動通信，2016（23）.