文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.174994
中文引用格式: 李小文,屈元遠(yuǎn),周述淇,等. NB-IoT物理層隨機(jī)接入分析與接收端檢測算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(9):99-103.
英文引用格式: Li Xiaowen,Qu Yuanyuan,Zhou Shuqi,et al. NB-IoT physical random access analysis and receiver detection algorithm[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(9):99-103.
0 引言
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)技術(shù)的快速發(fā)展催生了低功耗廣域(Low Power Wide Area,LPWA)技術(shù)的興起,如LoRa(Long Rang)、Sigfox、INGE、TELENSA等[1-2],但這些協(xié)議不能為已經(jīng)建立的無線局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)提供服務(wù),如WiFi、ZigBee和LTE等[3]。3GPP(3rd Generation Partnership Project)為支持超低復(fù)雜性和低吞吐量IoT應(yīng)用引入一種蜂窩系統(tǒng)的LPWA蜂窩解決方案——基于授權(quán)頻譜的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NarrowBand Internet of Things,NB-IoT)[4-5],其具有低成本、低功耗、大連接、廣覆蓋等優(yōu)點(diǎn)。本文通過對LTE與NB-IoT的差異性分析,得出要對窄帶隨機(jī)接入信道(NarrowBand Physcial Random Access Channel,NPRACH)結(jié)構(gòu)[6-9]、NPRACH Preamble[10-11]等進(jìn)行全新的設(shè)計的緣由,并提出了一種基于二維離散傅里葉變換2-D FFT的到達(dá)時間(Time-of-Arrival,ToA)和殘留子載波偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)聯(lián)合估計算法,然后用基于最大相關(guān)值的門限檢測法進(jìn)行仿真分析。
1 LTE與NB-IoT主要差異分析
本節(jié)主要針對LTE與NB-IoT的能力差異及覆蓋等級要求帶來的技術(shù)變革進(jìn)行介紹分析。
1.1 NB-IoT與LTE的能力差異對比
類似智能水表等業(yè)務(wù),除了具有數(shù)據(jù)量少、速率要求低、傳輸時延不敏感、終端數(shù)量多等特性外,NB-IoT還要求有高覆蓋能力、滿足惡劣的環(huán)境、終端成本低廉、待機(jī)時長等特性。為此,歸納NB-IoT與LTE的能力差異如表1所示。其中,MCL(Maxmum Coupling Loss)為最大耦合損耗。
1.2 覆蓋等級要求帶來的技術(shù)差異
NB-IoT用信道窄帶化提升發(fā)射功率譜密度,并重復(fù)編碼和GAP機(jī)制以提升解碼成功率。
(1)窄帶化技術(shù):在獨(dú)立部署的方式下,NB-IoT下行帶寬僅為20 MHz的1/100,同等發(fā)射功率前提下,功率譜密度提升約20 dB。上行方向:單載波帶寬最小為3.75 kHz,比20 MHz的LTE終端發(fā)射功率譜密度提高約37 dB。
(2)重復(fù)編碼技術(shù):為滿足NB-IoT覆蓋等級要求,引入重復(fù)編碼技術(shù),增加單次隨機(jī)接入成功率。
(3)GAP機(jī)制:在下行鏈路,NB-IoT采用獨(dú)有的DL GAP機(jī)制[12],在GAP時間段內(nèi)僅容許其他終端發(fā)送數(shù)據(jù),以此保證了公平性以及資源利用率。在上行鏈路,為抑制溫度變化導(dǎo)致晶振頻率偏移[13],產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸效率降低的影響,NB-IoT引入了UL GAP。利用GAP切換到下行鏈路,通過NB-IoT下行信號同步跟蹤以及時頻偏補(bǔ)償[6,14-15]。
2 NB-IoT NPRACH具體設(shè)計及分析
在本節(jié)中,對NB-IoT NPRACH的NPRACH信道結(jié)構(gòu)和隨機(jī)接入Preamble序列設(shè)計方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
2.1 信道結(jié)構(gòu)
Preamble發(fā)送的最基本的單位為4個符號組,每個組由1個循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)和5個完全相同的符號組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由于每個符號組內(nèi)發(fā)送的信號都是相同的,因此可以保證頻域上配置多條NPRACH信道時信道間的正交,即無需在NPRACH信道之間配置保護(hù)帶寬。
在NB-IoT中,定義了兩種Preamble格式[8],如表2所示,這樣有利于小區(qū)覆蓋靈活性。
同時,Preamble支持Q次重復(fù)發(fā)送,其中Q的取值由協(xié)議棧無線資源控制(Radio Resource Control,RRC)子層配置[16]。當(dāng)Q大于1時,第一個子載波索引由UE在可用的子載波集合中隨機(jī)選擇,其余的Q-1個4符號組的第一個符號組的子載波索引在第一個4符號組的第一個子載波索引基礎(chǔ)上增加一個隨機(jī)跳變量。ith符號組對應(yīng)的子載波索引如式(1)所示:
通過計算可得,所有符號組均被限制在一個包含12個子載波NPRACH band內(nèi),圖2給出了當(dāng)Preamble格式為1時4符號組的子載波分配示意圖。
2.2 序列結(jié)構(gòu)
窄帶物聯(lián)網(wǎng)前導(dǎo)序列設(shè)計完全摒棄了原有的設(shè)計方案,在所有符號組上都發(fā)送相同符號,其所得到的波形是恒定的包絡(luò)線,并且允許所有UE以高能效傳輸NPRACH信號,即使在完全飽和的功率放大器的情況下,也不會有頻譜增生或誤差向量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)降級。
3 基于2-D FFT的接收端檢測算法
在本節(jié)中采用最大相關(guān)值的門限檢測法,并提出了基于2-D FFT執(zhí)行ToA和殘留CFO聯(lián)合估計的算法。
3.1 基站接收的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼信號
對于基站檢測到的隨機(jī)接入信號,當(dāng)前符號組接收到第一個符號即當(dāng)ζ=1時,丟棄Ncp個采樣信號,然后執(zhí)行FFT;對于剩余ζ>1的符號,分別執(zhí)行FFT。接收端的第m個符號組的第i個符號離散數(shù)字信號表示如式(3)所示:
3.2 (ToA,CFO)聯(lián)合估計
假設(shè)在每個最基本的傳輸塊,即4個符號組里,信道環(huán)境不變。由此可以聯(lián)合估計ToA和殘留CFO如式(5)所示:
3.3 前導(dǎo)檢測
4 仿真實(shí)現(xiàn)及性能分析
本節(jié)使用的仿真參數(shù)如表3所示。
鏈路級仿真具體過程如下:
(1)發(fā)射機(jī)在高層配置的NPRACH指示中選擇一個時頻資源和前導(dǎo)格式,按照相關(guān)計算公式將生成的前導(dǎo)符號映射到OFDM資源網(wǎng)格上。
(2)發(fā)射機(jī)執(zhí)行逆FFT以獲得時域采樣信號并相應(yīng)地插入CP。
(3)發(fā)射機(jī)通過對時域采樣進(jìn)行上變頻和濾波來生成隨機(jī)接入信號。
(4)結(jié)合發(fā)送功率用無線信道傳輸隨機(jī)接入信號。
(5)向信道添加白高斯噪聲用以模擬真實(shí)信道環(huán)境。
(6)接收機(jī)對接收到的信號進(jìn)行濾波和下變頻采樣。
(7)對于前導(dǎo)碼中的每個接收到的符號組,接收機(jī)丟棄CP采樣并對其余樣本執(zhí)行FFT。
(8)接收機(jī)執(zhí)行聯(lián)合ToA和殘留CFO估計,并與預(yù)先設(shè)定的門限值比較確定前導(dǎo)碼的存在。對于誤檢測試,由于接收機(jī)的輸入是高斯噪聲信號,因此不需要上述步驟(1)~(4)。
ToA Error估計的萊斯累計函數(shù)分布CDF見圖3。從圖3可以看出,隨著覆蓋等級的增強(qiáng),即環(huán)境越惡劣,估計的性能會有所降低,但是3條曲線十分接近,這說明在不同覆蓋等級下均有良好的估計性能。通過1萬次重復(fù)實(shí)驗統(tǒng)計分析,得到相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示。
表4總結(jié)了NPRACH設(shè)計在3種覆蓋等級下的FAP、MDP和在ToA[-2.5~2.5 μs]置信區(qū)間的概率??梢钥闯?,前導(dǎo)在極限覆蓋等級下依然滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的NPRACH的檢測性能要求,即不高于1%的MDP和0.1%的FAP。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)ToA Error不大于3.646 μs時,認(rèn)為估計正確。仿真結(jié)果表明,ToA Error均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi),且在[-2.5~2.5 μs]范圍內(nèi)的概率高于95%,具有非常高的置信水平。覆蓋等級增強(qiáng)使得ToA Error增加,但其在[-2.5~2.5 μs]的置信范圍內(nèi)的降低幅度依然不超過3%,相比與傳統(tǒng)的LTE系統(tǒng),NB-IoT Preamble在ToA Error估計精準(zhǔn)度上放寬了要求,因此,即便在極限覆蓋等級下,依舊能夠滿足NB-IoT需求。
5 結(jié)束語
本文對比了傳統(tǒng)LTE系統(tǒng)與NB-IoT系統(tǒng)的主要差異,并詳細(xì)介紹了基于單子載波組跳頻序列的NPRACH的設(shè)計方案及原理。通過本文提出的基于2-D FFT算法進(jìn)行了(ToA,CFO)聯(lián)合估計,并采用最大相關(guān)值的門限檢測法進(jìn)行前導(dǎo)檢測。通過仿真,分析FAP、MDP,得出在該接收端檢測算法下,NB-IoT系統(tǒng)在3個覆蓋等級下均能滿足標(biāo)準(zhǔn)提出的要求,且具有良好的性能。優(yōu)良的接收端檢測算法能夠獲得更加精準(zhǔn)的ToA估計,提升檢測準(zhǔn)確率,所以,NPRACH接收端檢測算法可能是未來工作中的重要研究點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] POP A I,RAZA U,KULKARNI P,et al.Does bidirectional traffic do more harm than good in LoRaWAN based LPWA networks?[C].Submitted to IEEE GLOBECOM.IEEE,2017.
[2] RAZA U,KULKARNI P,SOORIYABANDARA M.Low power wide area networks:an overview[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials,2016,19(2):855-873.
[3] YANG W,WANG M,ZHANG J,et al.Narrowband wireless access for low-power massive Internet of Things:a bandwidth perspective[J].IEEE Wireless Communications,2017,24(3):138-145.
[4] ANTEUR M,DESLANDES V,THOMAS N,et al.Ultra narrowband technique for low power wide area communications[C].GLOBECOM 2015-2015 IEEE Global Communications Conference.IEEE,2014:1-6.
[5] RICO-ALVARINO A,VAJAPEYAM M,XU H,et al.An overview of 3GPP enhancements on machine to machine communications[J].IEEE Communications Magazine,2016,54(6):14-21.
[6] QUALCOMM.On UL gaps for frequency error correction[R].RAN4 #79,R4-164246,Nanjing,China,2016.
[7] Ericsson.Narrowband IoT-random access design[R].RAN1 #83,R1-157424,Anaheim,US,2015.
[8] Technical specification group radio access network; evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);physical channels and modulation;release 13[S].3GPP TS 36.211 V13.3.0,2016 .
[9] ZTE.Single-tone PRACH for NB-IoT[R].RAN1 #84,R1-160482,St Julian’s,Malta,2016.
[10] LG.Single-tone random access procedure for NB-IoT[R].RAN1 #84.R1-160622,St Julian’s,Malta,2016.
[11] Huawei.NB-PRACH design[R].RAN1 NB-IoT Ad-Hoc #2,R1-161812,Sophia-Antipolis,F(xiàn)rance,2016.
[12] Ericsson.NB-IoT-search space design considerations[R].RAN1 NB-IOT Ad Hoc#2,R1-161822,Sophia Antipolis,F(xiàn)rance,2016.
[13] Sony.NB IoT UL transmission period and transmission gaps[R].RAN4 #79,R4-164201,Nanjing,China,2016.
[14] Huawei.UL transmission gap[R].RAN4#79,R4-164008,Nanjing,China,2016.
[15] Intel.Simulation results of UCG parameters for NB-IoT[R].RAN4 #79,R4-163255,Nanjing,China,2016.
[16] Technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);medium access control(MAC) protocol specification;release 13[S].3GPP TS 36.321 V13.3.0,2016.
作者信息:
李小文,屈元遠(yuǎn),周述淇,牟泓彥,陳其榮
(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶400065)