搜索
为了达到涵盖范围延伸(CoverageEnhancement,CE)以满足布建在细胞(Cell)边缘或地下室等信道质量较低的NB-IoTUE，基地台与NB-IoTUE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(RandomAccess)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(CoverageEnhancementLevel,CELevel)共分为三种等级，分别为达到可对抗最大耦合损失(MaximumCouplingLoss,MCL)为144dB、154dB、164dB的讯号能量衰减。基地台与NB-IoTUE间会根据所在的CELevel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(PhysicalResourceBlock)的带宽。NB-IoT支持在频段内(In-Band)、保护频段(GuardBand)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，GuardBand运行是利用LTE载波内的GuardBand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GuardBand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(DataRate)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(MultipleAccess)技术的选择上，使用与LTE系统相同之MultipleAccess技术，亦即在下行使用正交分频多路存取(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,OFDMA)，在上行使用单载波分频多重存取(SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccess,SC-FDMA)，且子载波间距(SubcarrierSpacing)以及讯框架构(FrameStructure)与LTE系统相同。另外，考虑到NB-IoTUE的低成本需求，在上行亦支持单频(SingleTone)传输，使用的SubcarrierSpacing除了原有的15KHz，还新制订了3.75KHz的SubcarrierSpacing，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(TimeDivisionMultiplexed,TDD)，也就是在不同时间上轮流出现。另外，考虑到NB-IoTUE的低成本与低复杂度，Release-13NB-IoT仅支持分频双工(FrequencyDivisionDuplex,FDD)且为半双工(HalfDuplex)，亦即上行与下行使用不同的载波，且一NB-IoTUE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-IoTUE能力的限制，舍弃了LTE系统中如实体上行共享信道(PhysicalUplinkControlChannel,PUCCH)、实体混合自动重传请求或指示通道(PhysicalHybridARQIndicatorChannel,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(PeriodicCSI)回报，也因为考虑到资源有限与NB-IoTUE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(PhysicalDownlinkControlChannel,PDCCH)以及传送实体随机存取信道(PhysicalRandomAccessChannel,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-ToneTransmission)则使用QPSK，若为单频传输则使用π/2BPSK或π/4QPSK，此为考虑到降低峰值功率比(Peak-to-AveragePowerRatio,PAPR)的需求。信道编码方面，为了减少NB-IoTUE译码的复杂度，下行的数据传输是使用尾端位回旋码(TailBitingConvolutionalCoding,TBCC)，而上行的数据传输则使用TurboCoding。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(HARQProcess)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HARQProcess，亦即若需重传则会根据新接收到的下行控制信息(DownlinkControlInformation,DCI)来做重传。另外，为了减少NB-IoTUE的复杂度，只支持一个HARQProcess，且在下行不支持冗余版本(RedundancyVersion,RV)，在上行则支持RV0、RV2。单频传输NB-IoTUE在上行可使用单频传输，其中SubcarrierSpacing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FrameStructure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SubcarrierSpacing为3.75KHz的FrameStructure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(SamplingRate)为1.92MHz，SubcarrierSpacing为3.75KHz的FrameStructure中一个Symbol的时间长度为512Ts(SamplingDuration)加上循环前缀(CyclicPrefix,CP)长16Ts，共528Ts。因此，一个Slot包含7个Symbol再加上保护区间(GuardPeriod)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1NB-IoT上行资源单位的subcarrier数目与slot数目组合。其中3.75KHzSubcarrierSpacing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。15KHzSubcarrierSpacing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NPUSCHFormat1的资源单位是用来传送上行数据的。NPUSCHFormat2是NB-IoTUE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(DownlinkAssignment)中指示，重复传送次数则是由无线资源控制模块(RadioResourceControl,RRC)参数配置。同步讯号NPSS(NarrowbandPrimarySynchronizationSignal)为提供NB-IoTUE时间和频率同步的参考讯号，但NPSS中并不带有分区(Sector)ID。NSSS(NarrowbandSecondarySynchronizationSignal)带有PhysicalCellID。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。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-IoTUE在寻找细胞(CellSearch)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(AntennaPort)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-SpecificReferenceSignal,CRS)错开，在频率上则与之相同，因此在In-BandOperation若有检测到CRS，可与NRS共同使用来做通道估测，如图2。图2NRS资源位置因此，NB-IoT下行仅支持单天线(SingleAntenna)和传送分集(TransmitDiversity)这两种传送模式(TransmissionMode)。系统信息系统信息MIB-NB(NarrowbandMasterInformationBlock)承载于周期640ms之周期性出现的NPBCH(NarrowbandPhysicalBroadcastChannel)中，其余系统信息如SIB1-NB(NarrowbandSystemInformationBlockType1)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(ValidDownlinkSubframe)，则原先该在此Subframe传送的NPDSCH或NPDCCH会顺延至下一个ValidDownlinkSubframe来传送。任一Subframe若用来传输NPSS、NSSS、NPBCH、SIB1-NB，则不被视为一个ValidDownlinkSubframe。在In-BandOperation中，ENB可能因将资源做为其他用途而会把一个Subframe设定为非ValidDownlinkSubframe，此信息将会由承载于SIB1-NB中的一个Bitmap来指示。NarrowbandPhysicalDownlinkControlChannelNarrowbandPhysicalDownlinkControlChannel(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(SearchSpace)，分别用于排程一般数据传输、无线资源控制模块(RandomAccess)程序相关信息传输，以及呼叫(Paging)信息传输。各个SearchSpace有无线资源控制(RRC)配置相对应的最大重复次数Rmax，其SearchSpace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SearchSpace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