《電子技術(shù)應(yīng)用》
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NB-IoT物理層隨機(jī)接入分析與接收端檢測(cè)算法
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
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
摘要： NB-IoT是一種新興的蜂窩技術(shù)，能更好地為大連接、低功耗、低吞吐量、低設(shè)備成本、高延遲容忍度類型應(yīng)用提供覆蓋。較LTE系統(tǒng)而言，NB-IoT系統(tǒng)中的隨機(jī)接入信道NPRACH進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。通過與LTE系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)NB-IoT系統(tǒng)中NPRACH的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了一種基于2-D FFT的NPRACH接收端檢測(cè)算法。通過MATLAB進(jìn)行仿真分析，得出在不同的覆蓋等級(jí)下，該算法檢測(cè)NPRACH Preamble漏檢概率MDP低于0.05%，誤檢概率FAP低于0.1%，均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1%MDP和0.1%FAP指標(biāo)，且到達(dá)時(shí)間估計(jì)錯(cuò)誤ToA Error在 -2.5～2.5 μs范圍內(nèi)的概率高于95%。
中圖分類號(hào)： TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(cè)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.
NB-IoT physical random access analysis and receiver detection algorithm
Li Xiaowen，Qu Yuanyuan，Zhou Shuqi，Mou Hongyan，Chen Qirong
Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China
Abstract： NB-IoT is an emerging cellular technology that provides better coverage for applications with large connectivity,low power,low throughput,low device cost and high latency tolerance.Compared with Long Term Evolution(LTE)system,the Narrow-band Physical Random Access Channel(NPRACH)of NB-IoT system has been modified a lot.Therefore,the structure design of NPRACH in NB-IoT system is analyzed in detail by comparison with LTE system.And a 2-D FFT-based NPRACH receiver detection algorithm is proposed. Through MATLAB simulation analysis,the results show that under different coverage levels,the algorithm detects NPRACH Preamble missed detection probability of less than 0.05% Misdetection Probability(MDP),Alarm Probability(FAP)less than 0.1%, which meets the standard requirements of 1% MDP and 0.1% FAP indicator,and the probability of Time-of-arrival(ToA) Error in the range of -2.5～2.5 μs is higher than 95%.
Key words : NB-IoT；random access；Preamble；2-D FFT

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(duì)LTE與NB-IoT的差異性分析，得出要對(duì)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(jì)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(shí)間(Time-of-Arrival，ToA)和殘留子載波偏移（Carrier Frequency Offset，CFO）聯(lián)合估計(jì)算法，然后用基于最大相關(guān)值的門限檢測(cè)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(duì)LTE與NB-IoT的能力差異及覆蓋等級(jí)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(duì)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(shí)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(shí)長(zhǎng)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。

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1.2 覆蓋等級(jí)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：?jiǎn)屋d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(jí)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(shí)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(hào)同步跟蹤以及時(shí)頻偏補(bǔ)償[6，14-15]。

2 NB-IoT NPRACH具體設(shè)計(jì)及分析

    在本節(jié)中，對(duì)NB-IoT NPRACH的NPRACH信道結(jié)構(gòu)和隨機(jī)接入Preamble序列設(shè)計(jì)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(gè)符號(hào)組，每個(gè)組由1個(gè)循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）和5個(gè)完全相同的符號(hào)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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    由于每個(gè)符號(hào)組內(nèi)發(fā)送的信號(hào)都是相同的，因此可以保證頻域上配置多條NPRACH信道時(shí)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。

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    同時(shí)，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(shí)，第一個(gè)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(gè)4符號(hào)組的第一個(gè)符號(hào)組的子載波索引在第一個(gè)4符號(hào)組的第一個(gè)子載波索引基礎(chǔ)上增加一個(gè)隨機(jī)跳變量。ith符號(hào)組對(duì)應(yīng)的子載波索引如式(1)所示：

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    通過計(jì)算可得，所有符號(hào)組均被限制在一個(gè)包含12個(gè)子載波NPRACH band內(nèi)，圖2給出了當(dāng)Preamble格式為1時(shí)4符號(hào)組的子載波分配示意圖。

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2.2 序列結(jié)構(gòu)

    窄帶物聯(lián)網(wǎng)前導(dǎo)序列設(shè)計(jì)完全摒棄了原有的設(shè)計(jì)方案，在所有符號(hào)組上都發(fā)送相同符號(hào)，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(hào)，即使在完全飽和的功率放大器的情況下，也不會(huì)有頻譜增生或誤差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM)降級(jí)。

3 基于2-D FFT的接收端檢測(cè)算法

    在本節(jié)中采用最大相關(guān)值的門限檢測(cè)法，并提出了基于2-D FFT執(zhí)行ToA和殘留CFO聯(lián)合估計(jì)的算法。

3.1 基站接收的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼信號(hào)

    對(duì)于基站檢測(cè)到的隨機(jī)接入信號(hào)，當(dāng)前符號(hào)組接收到第一個(gè)符號(hào)即當(dāng)ζ=1時(shí)，丟棄Ncp個(gè)采樣信號(hào)，然后執(zhí)行FFT；對(duì)于剩余ζ>1的符號(hào)，分別執(zhí)行FFT。接收端的第m個(gè)符號(hào)組的第i個(gè)符號(hào)離散數(shù)字信號(hào)表示如式(3)所示：

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3.2 (ToA，CFO)聯(lián)合估計(jì)

    假設(shè)在每個(gè)最基本的傳輸塊，即4個(gè)符號(hào)組里，信道環(huán)境不變。由此可以聯(lián)合估計(jì)ToA和殘留CFO如式(5)所示：

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3.3 前導(dǎo)檢測(cè)

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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。

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    鏈路級(jí)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(gè)時(shí)頻資源和前導(dǎo)格式，按照相關(guān)計(jì)算公式將生成的前導(dǎo)符號(hào)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(shí)域采樣信號(hào)并相應(yīng)地插入CP。

    (3)發(fā)射機(jī)通過對(duì)時(shí)域采樣進(jìn)行上變頻和濾波來生成隨機(jī)接入信號(hào)。

    (4)結(jié)合發(fā)送功率用無線信道傳輸隨機(jī)接入信號(hào)。

    (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(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波和下變頻采樣。

    (7)對(duì)于前導(dǎo)碼中的每個(gè)接收到的符號(hào)組，接收機(jī)丟棄CP采樣并對(duì)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(jì)，并與預(yù)先設(shè)定的門限值比較確定前導(dǎo)碼的存在。對(duì)于誤檢測(cè)試，由于接收機(jī)的輸入是高斯噪聲信號(hào)，因此不需要上述步驟(1)～(4)。

    ToA Error估計(jì)的萊斯累計(jì)函數(shù)分布CDF見圖3。從圖3可以看出，隨著覆蓋等級(jí)的增強(qiáng)，即環(huán)境越惡劣，估計(jì)的性能會(huì)有所降低，但是3條曲線十分接近，這說明在不同覆蓋等級(jí)下均有良好的估計(jì)性能。通過1萬次重復(fù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，得到相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4所示。

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    表4總結(jié)了NPRACH設(shè)計(jì)在3種覆蓋等級(jí)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(jí)下依然滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的NPRACH的檢測(cè)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(shí)，認(rèn)為估計(jì)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(jí)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(jì)精準(zhǔn)度上放寬了要求，因此，即便在極限覆蓋等級(jí)下，依舊能夠滿足NB-IoT需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文對(duì)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(jì)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(jì)，并采用最大相關(guān)值的門限檢測(cè)法進(jìn)行前導(dǎo)檢測(cè)。通過仿真，分析FAP、MDP，得出在該接收端檢測(cè)算法下，NB-IoT系統(tǒng)在3個(gè)覆蓋等級(jí)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(cè)算法能夠獲得更加精準(zhǔn)的ToA估計(jì)，提升檢測(cè)準(zhǔn)確率，所以，NPRACH接收端檢測(cè)算法可能是未來工作中的重要研究點(diǎn)。

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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）

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