069月 2016

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低功耗物联网刷新架构 NB-IoT三大模式面面俱到

NB-IOT by xfire

窄频物联网(Narrow Band Internet of Thing, NB-IoT)标准化的工作于第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)Release 13版本 开始。NB-IoT用户装置(User Equipment, UE)须具备低耗能、低复杂度、低成本等特性,但可容忍较大延迟。

为了达到涵盖范围延伸(Coverage Enhancement, CE)以满足布建在Cell边缘或地下室等信道质量较低的NB-IoT UE,基地台与NB-IoT UE之间透过采用较少数量的子载波(Subcarrier)与将欲传递的数据作重复传送以利于接收端提高正确解出数据的成功率。依照目前规格的规范,在随机存取(Random Access)信道、控制信道与数据信道所传递之讯息的重复传送次数最高可高达128、2,048与2,048次。

三种运行模式各有发挥 灵活运用频段资源

涵盖范围延伸(Coverage Enhancement Level, CE Level)共分为三种等级,分别为达到可对抗最大耦合损失(Maximum Coupling Loss, MCL)为144dB、154dB、164dB的讯号能量衰减。基地台与NB-IoT UE间会根据所在的CE Level来选择相对应的讯息重复传送次数。

另一方面,为了使营运商能灵活地使用LTE频段或非LTE频段来布建NB-IoT系统以及考虑到对LTE系统的兼容性,单一载波带宽被限制为180KHz,相当于一个PRB(Physical Resource Block)的带宽。

NB-IoT支持在频段内(In-Band)、保护频段(Guard Band)以及独立(Stand-alone)共三种运行模式。In-Band运行是利用LTE载波(Carrier)内的PRB进行数据传输,Guard Band运行是利用LTE载波内的Guard Band来进行数据传输,Stand-alone运行则是使用非LTE频段的载波来进行数据传输。为了提高NB-IoT的市场需求性,三种运行模式的设计具有一致性,但In-Band与Guard Band两种运行模式则需特别考虑到对LTE系统的兼容性。NB-IoT所支持的最大数据速率(Data Rate)在上行(Uplink)为64Kbit/s,下行(Downlink)为28Kbit/s。

目前正值标准讨论中的阶段,接下来我们将针对物理层与接口访问控制层受影响的信道设计、功能与程序做介绍。由于截稿前,NB-IoT第十三版本的规格尚在RAN大会上等待通过,故以下的介绍以基于规格送审前的数据为主。

物理层的变更

NB-IoT在多重存取(Multiple Access)技术的选择上,使用与LTE系统相同之Multiple Access技术,亦即在下行使用正交分频多路存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA),在上行使用单载波分频多重存取(Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA),且子载波间距 (Subcarrier Spacing)以及讯框架构(Frame Structure)与LTE系统相同。

另外,考虑到NB-IoT UE的低成本需求,在上行亦支持单频(Single Tone)传输,使用的Subcarrier Spacing除了原有的15KHz,还新制订了3.75KHz的Subcarrier Spacing,共48个Subcarrier。

由于带宽最多仅有1个PRB,所以不同物理层通道之间大多为分时多任务(Time Division Multiplexed, TDD),也就是在不同时间上轮流出现。另外,考虑到NB-IoT UE的低成本与低复杂度,Release-13 NB-IoT仅支持分频双工(Frequency Division Duplex, FDD)且为半双工(Half Duplex),亦即上行与下行使用不同的载波,且一NB-IoT UE传送和接收需在不同时间点进行。

在NB-IoT中,因为带宽大小以及NB-IoT UE能力的限制,舍弃了LTE系统中如实体上行共享信道(Physical Uplink Control Channel, PUCCH)、实体混合自动重传请求或指示通道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH)等物理层通道。

HARQ的实认信息(HARQ-ACK)/否定应答(NACK)将会传送在NB-IoT中新制定的数据信道中,而LTE系统中的周期性信道状态信息(Periodic CSI)回报,也因为考虑到资源有限与NB-IoT UE的电量耗损,在NB-IoT中不予支持。

原有LTE系统中的其他物理层信道如实体下行控制信道(Physical Downlink Control Channel, PDCCH)以及传送实体随机存取信道(Physical Random Access Channel, PRACH)也都有对应功能的新物理层信道设计,本文将逐一简介。

调变与编码机制

NB-IoT中下行使用的调变为正交相位位移键控(QPSK),上行若为多频传输(Multi-Tone Transmission)则使用QPSK,若为单频传输则使用π/2 BPSK或π/4 QPSK,此为考虑到降低峰值功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)的需求。

信道编码方面,为了减少NB-IoT UE译码的复杂度,下行的数据传输是使用尾端位回旋码(Tail Biting Convolutional Coding, TBCC),而上行的数据传输则使用Turbo Coding。

混合式自动重新传送程序

在NB-IoT中,由于可用资源有限以及重复传送的行为,若在上行使用同时(Synchronous)的混合式自动重新传送程序(HARQ Process)会使得上行资源运用更加困难,因此在NB-IoT中上行和下行都使用非同时(Asynchronous)的HARQ Process,亦即若需重传则会根据新接收到的下行控制信息(Downlink Control Information, DCI)来做重传。另外,为了减少NB-IoT UE的复杂度,只支持一个HARQ Process,且在下行不支持冗余版本(Redundancy Version, RV),在上行则支持RV 0、RV 2。

单频传输

NB-IoT UE在上行可使用单频传输,其中Subcarrier Spacing可为15KHz以及3.75KHz。因为15KHz为3.75KHz的整数倍,所以对LTE系统有较小的干扰。由于下行的Frame Structure与LTE的相同,且为了使上行与下行的时间有清楚的关系,制定Subcarrier Spacing为3.75KHz的Frame Structure中一个符槽(Slot)包含7个符元(Symbol)共2ms长,是LTE系统中一个时槽(Slot)时间长度的4倍。

NB-IoT系统中的取样频率(Sampling Rate)为1.92MHz,Subcarrier Spacing为3.75KHz的Frame Structure中一个Symbol的时间长度为512 Ts(Sampling Duration)加上循环前缀(Cyclic Prefix, CP)长16Ts,共528Ts。因此,一个Slot包含7个Symbol再加上保护区间(Guard Period)共3840Ts,即2ms长。

资源单位

有别于LTE系统中资源分配的基本单位为子讯框(Subframe),NB-IoT在上行中根据Subcarrier的数目分别制订了相对应的资源单位做为资源分配的基本单位,如表1。

表1 NB-IoT上行資源單位的subcarrier數目與slot數目組合表1 NB-IoT上行资源单位的subcarrier数目与slot数目组合。

其中3.75KHz Subcarrier Spacing只支持单频传输,资源单位的带宽为一个Subcarrier,时间长度是16个Slot,也就是32ms长。15KHz Subcarrier Spacing支持单频传输和多频传输,带宽为1个Subcarrier的资源单位有16个Slot的时间长度,即8ms。带宽为12个Subcarrier的资源单位则有2个Slot的时间长度,即1ms,此资源单位即是LTE系统中的一个Subframe。资源单位的时间长度设计为2的幂次方是为了在排程上可有效的运用资源,较不易产生资源空隙而造成资源浪费。

表1中NPUSCH Format 1的资源单位是用来传送上行数据的。NPUSCH Format 2是NB-IoT UE用来传送指示NPDSCH有无成功接收的HARQ-ACK/NACK,所使用的Subcarrier的索引(Index)是在由排程对应的NPDSCH的下行配置(Downlink Assignment)中指示,重复传送次数则是由无线资源控制模块(Radio Resource Control, RRC)参数配置。

同步讯号

NPSS(Narrowband Primary Synchronization Signal)为提供NB-IoT UE时间和频率同步的参考讯号,但NPSS中并不带有分区(Sector)ID。NSSS(Narrowband Secondary Synchronization Signal)带有Physical Cell ID。NPSS与NSSS的资源位置避开了LTE系统中的控制区域,其资源位置如图1。

圖1 承載NPSS和NSSS的資源位置图1 承载NPSS和NSSS的资源位置

NPSS的周期是10ms,NSSS的周期是20ms。NB-IoT UE在寻找细胞(Cell Search)时,会先检测NPSS,因此NPSS的设计为短的ZC(Zadoff-Chu)序列,对于最初的讯号检测和初步的同步复杂度较低且有好的效果。

窄频参考讯号

NB-IoT下行最多支持两个天线端口(Antenna Port)的参考讯号,资源的位置在时间上与LTE系统的细胞参考讯号(Cell-Specific Reference Signal, CRS)错开,在频率上则与之相同,因此在In-Band Operation若有检测到CRS,可与NRS共同使用来做通道估测,如图2。

圖2 NRS資源位置图2 NRS资源位置

因此,NB-IoT下行仅支持单天线(Single Antenna)和传送分集(Transmit Diversity)这两种传送模式(Transmission Mode)。

系统信息

系统信息MIB-NB(Narrowband Master Information Block)承载于周期640ms之周期性出现的NPBCH(Narrowband Physical Broadcast Channel)中,其余系统信息如SIB1-NB(Narrowband System Information Block Type1)等则承载于NPDSCH中。SIB1-NB为周期性出现,其余系统信息则由SIB1-NB中所带的排程信息做排程。

有效下行子讯框

在NB-IoT中,一般下行数据传输会传送在NPDSCH中,下行控制讯息则是传送在NPDCCH中,而若某一Subframe不为有效下行子讯框(Valid Downlink Subframe),则原先该在此Subframe传送的NPDSCH或NPDCCH会顺延至下一个Valid Downlink Subframe来传送。任一Subframe若用来传输NPSS、NSSS、NPBCH、SIB1-NB,则不被视为一个Valid Downlink Subframe。

在In-Band Operation中,ENB可能因将资源做为其他用途而会把一个Subframe设定为非Valid Downlink Subframe,此信息将会由承载于SIB1-NB中的一个Bitmap来指示。

Narrowband Physical Downlink Control Channel

Narrowband Physical Downlink Control Channel(NPDCCH)有别于LTE系统中的PDCCH,并非每个Subframe均有NPDCCH,而是周期性的出现。NPDCCH有三种搜索空间(Search Space),分别用于排程一般数据传输、无线资源控制模块(Random Access)程序相关信息传输,以及呼叫(Paging)信息传输。

各个Search Space有无线资源控制(RRC)配置相对应的最大重复次数Rmax,其Search Space的出现周期大小即为相对应之Rmax与RRC层配置的一参数之乘积。

RRC层亦可配置一偏移(Offset)以调整一Search Space的开始时间。在大部分的搜索空间配置中,所占用的资源大小为一PRB,仅有少数配置为占用6个Subcarrier。

一个DCI中会带有该DCI的重复传送次数,以及DCI传送结束后至其所排程之NPDSCH或NPUSCH所需的延迟时间,NB-IoT UE即可使用此DCI所在之Search Space的开始时间,来推算DCI之结束时间以及排程之数据的开始时间,以进行数据之传送或接收。

Narrowband Physical Downlink Shared Channel

Narrowband Physical Downlink Shared Channel(NPDSCH)是用来传送下行数据以及系统信息,NPDSCH所占用的带宽是一整个PRB大小。一个传输块(Transport Block, TB)依据所使用的调变编码(MCS),可能需要使用多于一个Subframe来传输,因此在NPDCCH中接收到的Downlink Assignment中会包含一个TB对应的Subframe数目以及重复传送次数的指示。

Narrowband Physical Uplink Shared Channel

Narrowband Physical Uplink Shared Channel(NPUSCH)是用来传送上行数据以及上行控制信息。NPUSCH传输可使用单频或是多频传输,一个TB依据所使用的MCS,可能需要使用多于一个资源单位来传输,因此在NPDCCH中接收到的上行允许(Uplink Grant)中除了指示上行数据传输所使用的资源单位的Subcarrier的Index,也会包含一个TB对应的资源单位数目以及重复传送次数的指示。

Narrowband Physical Random Access Channel

有别于LTE中Random Access Preamble使用ZC序列,NB-IoT中的Random Access Preamble是单频传输(3.75KHz Subcarrier Spacing),且使用的Symbol为一定值。一次的Random Access Preamble传送包含四个Symbol Group,一个Symbol Group是5个Symbol加上一CP,如图3。

圖3 Radom Access Preamble Symbol Group图3 Radom Access Preamble Symbol Group

每个Symbol Group之间会有跳频(Frequency Hopping)。选择传送的Random Access Preamble即是选择起始的Subcarrier。

协议层的变更

依据3GPP的规划,RAN2将NB-IoT在协议层规画了两种数据传输模式。分别是控制平面(Control Plane, CP)解决方案与使用者平面(User Plane, UP)解决方案。其中CP解决方案是必要支持,UP解决方案为额外支持的选项。

.CP解决方案

NB-IoT UE并不与基地台建立DRB(Data Radio Bearer)而只透过建立的SRB(Signaling Radio Bearer)来传递少量的数据。

.UP解决方案

基地台与NB-IoT UE之间新增了一个名叫Suspend-Resume的程序。其目的在于降低NB-IoT UE在RRC联机模式(Connected Mode)与闲置模式(Idle Mode)之间切换时所需要交换的讯息数量,藉此节省NB-IoT UE的能源消耗(Power Consumption)。实际的作法如图4,当基地台在NB-IoT UE不需要RRC联机时下达指令让该装置进入Suspend模式,而该Suspend指令中会夹带一组Resume ID(如图4,步骤11)。

不同于以往从RRC联机模式至闲置模式的过程,基地台与NB-IoT UE间会尽可能地保留在RRC联机模式下所使用的无线资源分配以及相关安全性配置。当NB-IoT UE欲进行数据传输时,仅需要在Random Access程序中的第三道讯息(RRC Connection Request)夹带基地台配给的Resume ID(如图4,步骤4),基地台即可以在透过此Resume ID来辨识NB-IoT UE,并且跳过相关的配置讯息交换,直接进入数据传输。

圖4 Suspend-Resume程序图4 Suspend-Resume程序

多载波运作模式

系统可以在一个Cell中同时间于多个载波上提供服务,但单一NB-IoT UE同一时间仅能在一个载波上面传收数据。NB-IoT的载波可以分为两类:提供NPSS、NSSS与承载NPBCH和系统信息的载波称为Anchor Carrier,其余的载波则称为Non-Anchor Carrier。

NB-IoT UE一律需要从Anchor Carrier上面进行Random Access,基地台会在Random Access的第四道讯息传递Non-Anchor Carrier的排程信息以将NB-IoT UE卸除至Non-Anchor Carrier上进行后续的数据传输,避免Anchor Carrier的无线资源吃紧。

移动性

NB-IoT UE的主要应用场景皆属于低移动性,因此为了兼顾NB-IoT的低复杂度与低成本的需求,在Release 13的规格当中将换手(Handover)程序给移除了。取而代之的是当发生NB-IoT UE在不同基地台涵盖范围间移动时,会先进行RRC释放(Release),再重新与新的基地台进行RRC联机。

.系统信息方块的减少

由于NB-IoT UE所支持的功能经过大量的简化,相对应地在既有LTE无线通信系统中存在的系统信息方块(System Information Block, SIB),对于NB-IoT UE来讲并不需要。所以SIB的数量大幅减少至仅剩七个,且这些NB-IoT UE所需读取的SIB在基地台端是独立传送(SIB-NB),并非夹带在原有系统之SIB中。NB-IoT共 有以下几种SIB-NB。
•SIB1-NB:存取有关之信息与其他系统信息方块排程
•SIB2-NB:无线资源分配信息
•SIB3-NB:Cell Re-selection信息
•SIB4-NB:Intra-frequency的邻近Cell相关信息
•SIB5-NB:Inter-frequency的邻近Cell相关信息
•SIB14-NB:存取禁止(Access Barring)
•SIB16-NB:GPS时间/世界标准时间(Coordinated Universal Time, UTC)信息

Cell Reselection与闲置模式运作

对于NB-IoT来讲,Cell Reselection的机制也做了适度的简化,如图5。由于NB-IoT UE并未支持紧急拨号的功能,所以当一NB-IoT UE遇到无法找到Suitable Cell之情况,该NB-IoT UE不会暂时驻扎(Camp)在Acceptable Cell,取而代之的是持续搜寻直到找到Suitable Cell为止。根据3GPP TS 36.304规格的定义,所谓的Suitable Cell为可以提供正常服务的Cell,而Acceptable Cell为仅能提供紧急服务的Cell。

圖5 NB-IoT Cell Reselection的程序图5 NB-IoT Cell Reselection的程序

逻辑信道与传送信道之对应

NB-IoT并不支持多媒体广播多播服务(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)。所以在逻辑信道至传送信道的对应上,即移除了所有的多播通道(MCCH, MTCH)。其余的广播,数据与控制信道皆获保留。

排程

由于NB-IoT UE是被预期为一种低复杂的装置,故在硬件的规格等级与反应时间等能力皆较为低阶。所以基地台针对于NB-IoT UE的数据传输会强制采取跨子讯框(Cross Subframe)的排程方式,以替NB-IoT UE争取更充足的时间做DCI的译码以及传送与接收模式之间的转换。

随机存取

基地台会针对各个CE Level去配置对应的NPRACH资源。Random Access程序(如图6)开始之前,NB-IoT UE会藉由量测下行参考讯号来决定所在的CE Level,并使用该CE Level之NPRACH资源。但是当Random Access程序因Preamble传输阶段未能成功时,NB-IoT UE会在更高一个CE Level的NPRACH资源重新进行Random Access程序,直到尝试完所有CE Level的NPRACH资源为止。

圖6 NB-IoT Random Access程序图6 NB-IoT Random Access程序

反之,但对于曾经进入第三道讯息传输阶段的NB-IoT UE而言,当Random Access程序未能成功时,则是留在同样的CE Level的NPRACH资源重新进行Random Access程序。此设计的原因是假若一个NB-IoT UE可以进入到第三道讯息传输阶段,即代表该NB-IoT UE的CE Level选择洽当,Preamble传输已可以让基地台顺利接收。

另外,NB-IoT的Random Access程序会在第三道讯息(RRC Connection Request)中进行数据数量以及功率余裕回报(Data Volume and Power Headroom Report, DPR)。NB-IoT UE在进入RRC联机模式之前,藉此通知基地台自己数据传输状态,以让基地台提前做适度的RRC资源分配。

未来趋向提高数据速率 减少重发以降低功耗

3GPP从第十版本的规格即开始讨论机器型态通讯,替未来的行动通讯系统挹注进许多全新的挑战。但由于MTC所采用的带宽是MHz等级,仍无法真的落实降低成本的目标。

延伸到Release 13的NB-IoT,即以使用180KHz带宽的限制去做设计,且为了增加此标准技术的使用普遍性,制定了三种运行模式。因为带宽仅有相当于LTE系统中一个PRB的大小,因此NB-IoT中的物理层通道做了相当大的改变,且为了可与LTE系统一同运作,设计的原则以不影响LTE系统为主。协议层的程序则是将现有LTE系统中的程序做简化,减少所需要交换的讯息量,但也新设计了相关程序以因应NB-IoT中的重复传送行为以及CE Level间的变换等。

可以预期下一个版本的NB-IoT的设计目标会转向进一步提升数据速率,以因应数据量需求较大的物联网使用情境。目前观察到的方向为增强Release 13中的多载波(Multi-Carrier)运行模式灵活性,使NB-IoT UE可同时在多个Carrier上数据传收。

另外,NB-IoT利用重复传送的行为达到延伸涵盖范围的目的,却也带来增加能源消耗的缺点。所以在未来会设计较为精准的数据重复传送次数控制程序。例如,若基地台在NB-IoT UE重复传送结束前已成功接收数据,可提前通知NB-IoT UE停止剩余的重复传送次数以节省电力。

 

转自:http://www.2cm.com.tw/technologyshow_content.asp?sn=1607200009

 

 

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Comments (1)

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