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摘要：NB-IoT (窄带物联网)是3GPP R13提出的一种新型技术，为物联网提供广域覆盖。本文以NB-IoT向WB-IoT过渡演进过程中的速率提升为出发点，研究NB-IoT无线吞吐率提升的问题，提出NB-IoT吞吐率提升方案并进行验证。
关键词：窄带物联网；吞吐率；提升
引言
随着物联网应用的深入，整个社会正经历着一场数字化变革，万物移动互联产生巨量的数据并进一步影响到人类社会生活的各个方面。根据物联网细分市场需求的不同，许多事物将通过毛细网络实现连接，NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）技术在这种业务场景下应运而生。NB-IoT属于低功耗广域物联网技术，具有广覆盖、低功耗、低成本和大规模连接等特点，有广阔的商业价值。但NB-IoT发展中面临着NB-IoT向宽带物联网（Wide Band-I oT，WB-I oT）的演进问题，随着经济社会的发展，IoT网络中终端设备的速率需求会相应发生变化，进而将导致当前的NB-IoT不能满足将来IoT设备的需求。因此，需要提升NB-IoT吞吐率。
1.NB-IoT吞吐率提升方案
1.1 NB-IoT多天线方案
在传统LTE网络中，可以通过增加天线的数目实现吞吐率提升及覆盖增强，而目前NB-IoT基站大多基于2T2R，因此推测NB-IoT可通过增加天线数目实现吞吐率的提升[1]。
1.1.1 下行4天线发射分集方案
发射分集利用空间信道的弱相关性，结合时间、频率上的选择性，在发射端将信号和信号副本进行一定编码处理后发送。接收端将经历不同衰落路径的信号和信号副本进行合并，相对于不采用发射分集直接发射信号的方式，合并后的信号由于获得分集增益，可靠性得以提高。
目前NB-I oT参考信号天线口数最大支持2Po rt（天线口0和1），下行考虑采用基于SFBC（Space Frequency BlockC o d i ng，空频块编码）发射分集技术[2]。SF B C能够通过在不同的天线口和频率上传送信号的副本，获得分集增益。S F B C将x1和x2编码到不同的天线口和子载波发送：在天线口Port 0的f1和f2子载波上分别发送x1和x2，在天线口Port 1的f1和f2子载波上分别发送-x2*和x1*，如图1所示。
其中，相关参数表示如下：x1、x2表示SF BC编码前需要发送的信息，*表示取共轭操作，f1、f2表示不同的子载波，Port 0、Port 1表示不同的发送天线口。
S F BC能够通过在不同的天线口和频率上传送x1和x2的副本，获得分集增益。当单通道功率配置相同时，与下行2天线相比，获得1～3dB覆盖增益，小区下行平均吞吐率提升10%～20%。
1.1.2 上行4天线接收分集
UE（User Equipment，用户设备）通过一根发射天线发送信号，不同UE占用不同的时频资源。eNodeB使用4根天线接收信号，对多根天线上收到的信号进行合并，实现信号干扰噪声比SINR（Signal to Interference Plus Noise Ratio）的最大化，可获得分集增益和阵列增益，从而提升小区容量和覆盖。与上行2天线相比，获得1～3dB覆盖增益，小区上行平均吞吐率提升10%～20%。分级增益和阵列增益分别如图2和图3所示。
1.2 NB-IoT Multi-tone方案
3G P P标准中定义了NB-I o T上行支持S i n g l e-t o n e和Multi-tone传输，Single-tone为UE的必备功能，Multi-tone为可选功能，目前NB仅支持Single-tone。下面对Multi-tone传输进行研究探讨。
Multi-tone包括3tone、6tone和12tone这三种场景[3]，分别代表eNodeB可一次分配3、6和12个15kHz子载波用于UE上行数据传输。eNodeB可以根据当前资源情况对支持Multitone的UE进行灵活调度，一次分配多个子载波传输UE的上行数据可以降低数据传输时延和UE功耗。
1.2.1 Multi-tone算法原理
(1)根据不同的UE信号测量情况、PHR上报等，确定适合该UE调度的最大子载波个数。
● 根据MS G3中的P H R（考虑不同子载波数的功率补偿）确定初始最大可支持的子载波数。
● 根据S I N R测量结果调整最大可允许调度的子载波数，包括由大往小调整和由小往大调整（最近两次SINR测量值满足调整门限时触发）。
● 根据SINR测量结果，通过查找各子载波下SINR和MCS的对应表获取当前子载波对应的MCS值和重复次数，并根据当前BSR值、确定的调度资源RU个数，计算相应的传输总时长TB_duration（TB_duration=RU个数×单个RU的时长）。
图1 端口、子载波、传送的信号对应关系
图2 分级增益
图3 阵列增益
(2)根据TB_duration和最大可允许调度的子载波数计算资源块面积，在剩余可用资源中查找，按子载波由大到小遍历，找到满足条件的资源块则选用相应的子载波数分配资源调度，否则按照Single-tone调度。传输总时长TB_duration关系如图4所示。
其中，NRU表示RU的个数；12tone表示频域占用12个15kHz的子载波，单RU时长为1ms；6tone表示频域占用6个15kHz的子载波，单RU时长为2ms；3tone表示频域占用3个15kHz的子载波，单RU时长为4ms。
1.2.2 Multi-tone信令交互流程
Multi-tone信令交互流程如图5所示。(1)当M u l t i-t o n e开启后，e N o d e B通过S I B2消息中NPRACH参数nprach-SubcarrierMSG3-RangeStart-r13指示Multi-tone UE发送NPRACH的起始位置。
图4 传输总时长TB_duration关系
图5 Multi-tone交互流程
(2)支持Multi-tone的UE在指定的NPRACH资源上发起随机接入请求。
(3)对于在Multi-tone NPRACH资源发起随机接入请求的UE（NPRACH重复次数不高于32次），eNodeB分配Multi-toneMSG3的资源，否则按照Single-tone给UE分配MSG3资源。
(4)如果U E支持M u l t i-t o n e，在M S G3中通过R R CConnection Request中携带multiToneSupport消息。
(5)eNo d eB根据收到的MSG3获知UE是否支持Mu l t ito n e，对于支持Mu l t i-t o n e的UE可以分配多个子载波用于MS G5的上行数据传输，分配的子载波个数由eNo d eB根据UE的解调能力及剩余资源情况进行确定。
(6)UE按照eNodeB分配的上行资源进行上行数据传输和后续的上行业务资源调度。
Multi-tone适用于覆盖较好且上行业务数据量较大（比如单次100+Byte）、小区有支持Multi-tone能力的UE接入场景。对于覆盖较好场景下的UE上行数据采用Mu l t i-t o n e传输，相比Single-tone最大可获得三倍以上的上行峰值速率，有助于降低UE上行数据传输时延和功耗。
2. NB-IoT吞吐率提升方案验证
2.1 NB-IoT 4T4R方案验证
2.1.1 上行4天线接收分集验证
通过跟踪NB RSSI的结果验证4天线分集接收是否已经生效。若“天线0接收信号强度指示（dBm）”、“天线1接收信号强度指示（d Bm）”、“天线2接收信号强度指示（dBm）”和“天线3接收信号强度指示（dBm）”的值都不为N/A，则说明配置了4根天线接收，上行4天线接收分集已生效。测试方法为进行单用户上行定点速率测试，每3s向服务器发送300B，测试时间为5mi n。测试结果如图6所示，根据测试指标结果，上行极好点、好点、中点、差点的定点速率提升分别为9.8%、10.9%、20.6%、18.2%。因此，上行4天线接收分集较传统2天线接收有10%～20%的速率提升。
图6 上行4天线接收分集测试结果
2.1.2 下行4天线发射分集验证
在Stand Alone/Guard Band场景下，如果观察到NB-IoT下4个通道的输出功率与配置的4个通道的输出功率差异在0.5dB以内，则说明配置了4根天线发送，下行4天线发射分集已生效。
在In Band场景下，如果观察LTE FDD下4个通道的输出功率，与配置的4个通道的输出功率，差异在0.5dB以内，则说明配置了4根天线发送，下行4天线发射分集已生效。
测试方法为进行单用户下行定点速率测试，连续发送小数据分组到服务器，保持在线。服务器连续向终端Pi n g32B，测试时间为5min。
测试结果如图7所示，根据测试指标结果，下行极好点、好点、中点、差点的定点速率提升分别为12.5%、14.5%、15.6%、16.7%。因此，下行4天线发射分集较传统2天线有12%～17%的速率提升。
2.2 NB-IoT Multi-tone方案验证
特性是否生效可以通过跟踪Mu l t i-t o n e的调度次数评估。跟踪监控“NB-IoT调度”，查看跟踪项“3tone上行调度次数”、“6t o ne上行调度次数”和“12t o ne上行调度次数”。这些跟踪项中只要有一项计数不为0，就说明Mu l t itone特性生效。
测试方法为进行单用户上行定点速率测试，每3s向服务器发送300B，测试时间为5min。
图7 下行4天线发射分集测试结果
图8 Multi-tone方案验证结果
特性增益可以通过对比特性开通前后的单用户上行速率评估。测试结果如图8所示，根据测试结果，在极好点、好点、中点、差点定点上行速率分别提升130%、101.5%、44.2%、9.1%。因此，Multi-tone方案较传统Single-tone速率提升2～2.3倍，说明Multi-tone特性增益明显。
3.结束语
综上所述，NB-IoT是物联网核心技术的一个重要分支，在覆盖、功耗、成本、连接数等方面性能占优。本文主要研究NB-IoT向WB-IoT过渡演进过程中的速率提升问题，分别从提升天线上下行发射接收分集的4T4R特性、一次分配多个子载波的Multi-tone特性两个方面进行探讨，结果表明: NB-I o T4T4R技术及Mu l t i-t o n e可提高10%～130%的吞吐率，可在NB-IoT的建设中引用并推进其进一步发展。
参考文献：
[1] 张超, 高有军, 丁海煜. NB-IoT性能浅析[J]. 移动通信, 2017, 41(21):47-52.
[2] 张志峰. NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状与发展研究[J]. 无线互联科技, 2018(12).
[3] 郭宝, 刘毅, 张阳. NB-IoT无线吞吐率及低功耗技术探讨[J]. 移动通信, 2017, 41(11):79-84.
论文作者:黄洪昭
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/11
标签：天线论文; 载波论文; 分集论文; 增益论文; 速率论文; 信号论文; 测试论文; 《电力设备》2018年第17期论文;