1、研究与探 讨 55 2016年 第1 9 期 NB-IoT物联网覆盖增强技术探讨 Discussion on NB-IoT Coverage Enhancement Technology 为了探讨NB-IoT物联网覆盖增强技术,在分析NB-IoT覆盖评估的方法和各种覆盖增强技术的基础上,重点分析 了重复传输带来的覆盖增益,汇总3GPP提案中主要厂家分析覆盖增强的仿真结果。仿真结果表明,采用NB-IoT 技术可以满足物联网覆盖增强的要求,为物联网商用提供理论基础。 NB-IoT 物联网 覆盖增强 In order to discuss NB-IoT coverage enhancement te
2、chnology, the paper analyzed coverage evaluation methods and various enhancement techniques. It focused on coverage gain using repetition transmission technique, summarizing simulation results of coverage enhancement from main venders in 3GPP. The results prove that NB-IoT technique are able to meet
3、 the demand for coverage enhancement of IoT, providing theoretical basis for commercial application of IoT. NB-IoT IoT coverage enhancement (中国电信股份有限公司广州研究院,广东 广州 510630) (Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China) 卢斌 LU Bin 收稿日期:2016-08-05 doi:10.3969/j.issn.1
4、006-1010.2016.19.012 中图分类号:TN929 文献标志码:A 文章编号:1006-1010(2016)19-0055-05 引用格式:卢斌. NB-IoT物联网覆盖增强技术探讨J. 移动通信, 2016,40(19): 55-59. 【摘 要】 【关键词】 Abstract Key words 1 引言 在3GPP第69 次RAN全会上,NB-IoT(窄带物联 网)通过立项。根据立项文档,3GPP标准组织拟制 定一种全新的蜂窝物联网技术,使用现有授权频谱资 源,满足广覆盖、低功耗的、低速率的物联网业务需 求。NB-IoT标准已在2016年6 月份完成冻结,并计划 于2016
5、年第4 季度进行外场测试,2017年上半年实现商 用。本文针对NB-IoT技术涉及到的覆盖评估和增强技 术进行了分析,对主要厂家的仿真结果进行了汇总分 析并得出相关结论。 责任编辑:黄耿东 2 NB-IoT技术特点 根据NB-IoT已达成的标准规范,具备以下特点 1,7 : ( 1 )带宽为180 kHz ,和现有LTE 系统的一个 PRB的带宽相同; (2 )下行采用OFDMA,子载波间隔为15 kHz (和LTE 相同);上行支持两种模式,多载波15 kHz和 单载波3.75 kHz; (3 )全新的物理信道和信号,对下行的PBCH、 PDSCH、PDCCH采用单一的TM传输模式; (4
6、 )降低终端成本和功耗,采用半双工方式,一 根接收天线; (5 )为充分利用现有LTE 网络资源,同时提供灵 活的零散频率资源部署,NB-IoT建议部署模式:独立 研究与探 讨 56 2016年 第1 9 期 模式、保护带模式和带内模式。 根据参考文献2,NB-IoT计划实现以下目标: (1 )实现广域覆盖和深度覆盖,比传统的GPRS 技术增强20 dB; (2 )实现大容量终端接入; (3 ) 实现降低的终端成本,每个终端低于5美元; (4 ) 实现低功耗,在5 Wh时提供大于10年的支持; 上述每一项目标都是一个巨大挑战,本文重点分 析NB-IoT的覆盖增强技术。 3 覆盖分析方法 如图1
7、 所示,移动网络的覆盖评估分析一般采用 MCL(Maximum Coupling Loss,最大链路损耗): 图1 最大链路损耗计算示意图 图1 中的无线空口路径损耗决定了上下行的覆盖 范围。采用MCL的计算方法可对覆盖范围的大小进 行评估。 根据参考文献2,在覆盖范围的评估上统一为表 1 、表2 所示的具体指标和方法。 上述评估方法适用于NB-IoT的各种物理信道,包 括控制信道和业务信道,并有以下约定: (1 )所有控制信道的目标BLER为10%; (2 )对于带内和保护带部署方式,采用的功率参 数会有所不同; (3 )对比基准假定为传统GPRS 的MCL,取值为 144 dB。 4 NB
8、-IoT覆盖增强技术 从上面分析来看,只要通过有效调整参数,增大 MCL,就可以实现NB-IoT的覆盖增强。参考文献3对 MTC业务的覆盖增强进行了研究,主要有以下方面: (1 )重复传输,延长信号码元的传输时间。码元 的重复传输事实上就是一个最简单的信道编码,尽管 降低了信息的传输速率,但是在解调或译码上的可靠 性,特别是在低信噪比的接收环境下更加有效。比如 理想下译码出错概率为10%,重复次数增加,使得整 体译码出错概率大大降低。如表3 所示。 表1 MCL计算方法表格 计算项 对应英文 逻辑信道名称 Logical channel name 数据速率/kbps Data rate/kbp
9、s 发射机 Transmitter 发射功率/dBm Tx power/dBm 接收机 Receiver 热噪声功率密度/ (dBm/Hz) Thermal noise density/ (dBm/Hz) 接收机噪声系数/dB Receiver noise figure/dB 干扰余量/dB Interference margin/dB 占用信道带宽/Hz Occupied channel bandwidth/Hz 有效的噪声功率(dBm) = 热噪声功率密度+ 接收机噪声系 数+ 干扰余量+ 10lg(占用信道带宽) Effective noise power(dBm) =Thermal n
10、oise density+Receiver noise figure+Interference margin+10lg(Occupied channel bandwidth) 所需的信噪比/dB Required SINR 接收机灵敏度(dBm) = 有效的噪声功率+ 所需的信噪比 Receiver sensitivity(dBm) =Effective noise power+Required SINR 接收机处理增益/dB Rx processing gain MCL(dB)= 发射功率- 接收机灵 敏度+ 接收机处理增益 MCL(dB)=Tx power-Receiver sensiti
11、vity+Rx processing gain 表2 MCL评估的参数假定 序号 参数名称 数值 1 基站每200 kHz发射功率/dBm 不同信道取值不同 2 终端发射功率/dBm 23 3 热噪声功率密度/ (dBm/Hz) -174 4 基站接收机噪声系数/dB 3 5 终端接收机噪声系统/dB 5 6 干扰余量/dB 0 7 接收机处理增益/dB 0 (参见表注) 注:所需的信噪比SINR已经在链路级仿真中考虑了处 理增益。 研究与探 讨 57 2016年 第1 9 期 表3 重复传输编码对正确译码概率的提升 重复传输次数 译码错误概率 3 0.028 5 0.0086 7 0.002
12、7 9 0.00089 11 0.00030 13 0.000099 15 0.000034 (2 )现有的TTI bundling和 HARQ重传技术也可 以实现延长信号码元的传输时间。参考文献6给出了 相关的提升覆盖的数值,在V oLTE的商用网络实践中 已经证明可有效改善信号的覆盖范围。 (3 ) 鉴于NB-IoT业务需求的速率很低,100 bps左 右已经可以实现大部分业务,所以可以采用低阶的调制 技术,如BPSK、QPSK、更短长度的CRC校验码等。 ( 4 )在编码方面,NB-IoT采用Turbo编码, GPRS采用卷积码,优势体现在对译码信噪比需求降 低,对应覆盖距离有34 dB
13、的增强。 (5 )对时延要求的降低以及在部分下行物理信道 上采用功率增强(Power Boost),对信号覆盖都有直 接的增强。 文献3对MTC业务的覆盖增强,不同的物理信道 采用不同的手段,如表4 所示。 鉴于MTC业务在各种覆盖增强技术方面需比 GPRS增强20 dB,而且可支持更低的业务速率,所以 采用码元重复传输是主要的覆盖增强手段。表5 为重复 传输对覆盖增强量化仿真结果。 5 仿真及评估结果 第一种情况 4,11 : 根据3GPP研究提案,对于独立部署场景,分别挑 选了两种情况,即对单个公司的仿真情况和多公司仿 真情况进行比较。图2 表示了M-PBCH、M-PDSCH、 M-EPD
14、CCH和M-PUSCH链路级仿真的结果,主要获 得了对应的信道解调所需的信噪比。 根据上述链路级仿真结果可知: (1 )M-PBCH:使用32次重复传输(总的传输时 间为320 ms),10%BLER对应的SNR为-6.4 dB。 (2 )M-PDSCH:使用18次重复传输(总的传 输 时间为216 ms),10%BLER对应的SNR为-6.4 dB,对应 的M-PDSCH数据率为3.7 kbps。 (3 )M-EPDCCH:使用18次重复传输(总的传输时 表5 重复传输对覆盖增强量化仿真结果 对比1 对比2 对比3 对比4 有4dB PSD功率提升 (对于CRS和PBCH) 没有PSD 功率
15、提升 没有PSD 功率提升 有3dB CRS 功率提升 有3dB PSD功率提升 (CRS 与PBCH) 40次重复传输: 12 dB 110 次重复传输: 11.7 dB 80次重复传输: 11.8 dB 40次重复传输: 11.7 dB 10次重复传输:11.1 dB 20次重复传输: 10 dB 47次重复传输: 8.7 dB 40次重复传输: 10.1 dB 11 次重复传输: 6.7 dB 5 次重复传输:8.5 dB 8 次重复传输: 6.5 dB 24次重复传输: 6.7 dB 20次重复传输: 7.8 dB - 2 次重复传输:5.7 dB - 11 次重复传输: 3.7 dB
16、 - 表4 不同的物理信道采用不同的覆盖增强手段 信道/ 信号 解决方案 PSS/SSS PBCH PRACH (E ) PDCCH PDSCH/ PUSCH PUCCH 功率提升 - 是 是 是 是 - 要求放宽松 是 - 是 - - - 设计新信道 是 是 是 是 是 - 重复传输 - 是 是 是 是 是 降低编码 速率 - 是 - 是 是 是 TTI绑定/ 重传 - - - - 是 - 扩频技术 - 是 - - 是 RS功率提升 - 是 - 是 是 - 新的解码 技术 - 是 - - - - 研究与探 讨 58 2016年 第1 9 期 间为12 ms),10%BLER对应的SNR为-6
17、.1 dB。 ( 4 ) M-PUSCH:使用单载波传输,传输时间 为2160 ms,10%BLER对应的SNR为-5.8 dB,对应的 M-PUSCH数据率为0.37 kbps。 根据上述仿真结果,对应的覆盖评估(独立部署 场景)如表6 所示: 表6 独立部署场景的覆盖评估 信道类型 M-PBCH M-EPDCCH M-PDSCH M-PUSCH 数据速率/kbps - 3.7 0.37 发射机 - 最大发射功率/dBm 43 23 实际发射功率/dBm 接收机 - 热噪声功率密度/ (dBm/Hz) -174 接收机噪声系统/dB 5 3 干扰余量/dB 0 所占信道带宽/Hz 180 0
18、00 2 500 有效噪声功率/dBm -116.4 -137.0 所需信噪比SINR/dB -6.4 -6.1 -5.8 接收机灵敏度/dBm -121.0 -122.8 -122.5 -142.8 接收机处理增益/dB 0 MCL/dB 165.8 165.5 165.8 第二种情况:根据文献5、12,汇总了多家公司 对于不同信道的覆盖评估对比,如表7至表10所示。 表7 M-PBCH覆盖评估 仿真来源公司(简称) E 公司 N 公司 Z 公司 S 公司 发射机 - 最大发射功率/dBm 43 实际发射功率/dBm 接收机 - 热噪声功率密度/ (dBm/Hz) -174 接收机噪声系统/
19、dB 5 干扰余量/dB 0 所占信道带宽/Hz 180 000 有效噪声功率/dBm -116.4 所需信噪比SINR/dB -7.3 -4.8 -5.6 -6.8 接收机灵敏度/dBm -123.7 -121.2 -122.0 -123.2 接收机处理增益/dB 0 MCL/dB 166.7 164.2 165.0 166.2 表8 M-PDSCH覆盖评估 仿真来源公司(简称) E 公司 N 公司 Z 公司 S 公司 数据速率/kbps 3.1 4.4 3.1 3.6172 发射机 - 最大发射功率/dBm 43 实际发射功率/dBm 接收机 - 热噪声功率密度/ (dBm/Hz) -17
20、4 接收机噪声系统/dB 5 干扰余量/dB 0 所占信道带宽/Hz 180 000 有效噪声功率/dBm -116.4 所需信噪比SINR/dB -4.7 -5.7 -4.7 -4.7 接收机灵敏度/dBm -121.1 -122.1 -121.1 -121.1 接收机处理增益/dB 0 MCL/dB 164.1 165.1 164.1 164.1 6 结论 覆盖增强20 dB是 NB-IoT的重要目标之一。本文 在介绍NB-IoT基本特点的基础上,分析了NB-IoT覆盖 评估的方法和覆盖增强的各种技术,重点分析了重复 图2 链路级仿真结果 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8
21、 -7 -6 -5 -4 10 -2 10 -1 10 0 SNR (dB) BLER M-PBCH - 2Tx-1Rx, ETU1, 34 bits + 16-bit CRC32Tx (320ms) -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 10 -2 10 -1 10 0 SNR (dB) BLER M-PDSCH - 2Tx-1Rx, ETU1, 776bits + 24-bit CRC, 12ms18Tx -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 10 -2 10 -1 10 0 SNR (dB) BLER M-EPDCCH - 2Tx-1Rx, ETU1,
22、 48bits + 16-bit CRC, 12ms1Tx -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 10 -2 10 -1 10 0 SNR (dB) BLER M-PUSCH - 1Tx-2Rx, ETU1, TBS=776bits1RE, 2160ms 10 0 10 -1 10 -2 10 0 10 -1 10 -2 10 0 10 -1 10 -2 10 0 10 -1 10 -2 SNR/dB SNR/dB SNR/dB SNR/dB M-PBCH -2Tx-1Rx,ETU1,34 bits+16-bit CRC M-EPDCCH -2Tx-1Rx,ETU1,48bits+1
23、6-bit CRC,12ms M-PBCH -2Tx-1Rx,ETU1,3776bits+24-bit CRC,12ms M-PUSCH-1Tx-2Rx,ETU1,TBS=776bits -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 BLER BLER BLER BLER 研究与探 讨 59 2016年 第1 9 期 传输带来的覆盖增益,最后汇总3GPP提案中分析覆盖 增强的仿真结果。结果表明,通过重复传输
24、和低阶编码 等技术可以实现NB-IoT中不同物理信道覆盖增强20 dB 的目标。 参考文献: 1 RP-151621. New Work Item: NarrowBand IoT (NB-IoT), Qualcomm IncorporatedR. 2015. 2 3GPP TR 45.820 V13.1.0. Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT)S. 2015. 3 3GPP TR 36.888 V12.0.0. Study on provisi
25、on of low-cost Machine-Type Communications (MTC) User Equipments (UEs) based on LTES. 2013. 4 R1-155982. Performance Evaluations for Stand-alone Operation, Nokia NetworksR. 2015. 5 RP-151392. NB-LTE-Improved indoor coverage, Ericsson, Alcatel-Lucent, Alcatel-Lucent Shanghai Bell, Intel, LG Electroni
26、cs, Nokia Networks, Samsung Electronics, ZTER. 2015. 6 3GPP TR 36.824. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); LTE coverage enhancementsS. 2015. 7 戴国华, 余骏华. NB-IoT的产生背景、标准发展以及特 性和业务研究J. 移动通信, 2016,40(7): 31-35. 8 GP-150782. Narrowband LTEPDSCH and PUSCH design and performanceS. 2015. 9
27、R1-155805. Evaluations on downlink channels for NB- IoT stand-alone operationR. 2015. 10 R1-156010. NB-LTEGeneral L1 Concept DescriptionR. 2015. 11 R1-156013. Coverage analysis in stand-alone operationR. 2015. 12 R1-156018. Coverage analysis in inband operatioR. 2015. 卢斌:高级工程师,工学博士毕业 于华南理工大学,现任职于中国电
28、 信股份有限公司广州研究院,主要 研究方向为无线通信网络演进及物 联网技术。 作者简介 表9 M-PUSCH 覆盖评估 仿真来源公司(简称) E 公司 N 公司 Z 公司 数据速率/kbps 354 400 354 发射机 - 最大发射功率/dBm 23 实际发射功率/dBm 接收机 - 热噪声功率密度/ (dBm/Hz) -174 接收机噪声系统/dB 3 干扰余量/dB 0 所占信道带宽/Hz 2500 有效噪声功率/dBm -137.0 所需信噪比SINR/dB -5.6 -5.8 -6.0 接收机灵敏度/dBm -142.6 -142.8 -143.0 接收机处理增益/dB 0 MCL
29、/dB 165.6 165.8 166.0 表10 M-EPDCCH 覆盖评估 仿真来源公司(简称) E 公司 N 公司 Z 公司 S 公司 发射机 - 最大发射功率/dBm 43 实际发射功率/dBm 接收机 - 热噪声功率密度/ (dBm/Hz) -174 接收机噪声系统/dB 5 干扰余量/dB 0 所占信道带宽/Hz 180 000 有效噪声功率/dBm -116.4 所需信噪比SINR/dB -6.0 -4.6 -7.1 -6.4 接收机灵敏度/dBm -122.4 -121.0 -123.5 -122.8 接收机处理增益/dB 0 MCL/dB 165.4 164.0 166.5 165.8