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NB-IoT資源分配仰賴MAC子層

2017-12-04
關(guān)鍵詞: LTE NB-IOT DRX 無(wú)線

NB-IoT MAC協(xié)議主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸(Data Transfer)及實(shí)體資源/無(wú)線資源分配(Radio Resource Allocation),而本文偏重?zé)o線資源分配,,在此說(shuō)明NB-IoT無(wú)線資源之規(guī)劃,。

由于物理層可用的帶寬較LTE少(180kHz一個(gè)載波),,物理層程序也較以往大不相同,,考慮到NB-IoT增強(qiáng)信號(hào)覆蓋需求,,因此3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定團(tuán)隊(duì)利用「重復(fù)傳送」之方式獲取時(shí)域之增益,,達(dá)到覆蓋增強(qiáng)(Coverage Enhancement, CE)之目的:在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中,,下行鏈路傳輸僅允許跨子訊框排程(Cross-Subframe Scheduling),,上行鏈路傳輸支持跨子訊框和跨子載波排程,。

NB-IoT采用集中控制方式管理演進(jìn)節(jié)點(diǎn)B(eNB)與用戶裝置(UE)之間,數(shù)據(jù)傳輸所需的無(wú)線資源,。 與LTE系統(tǒng)相同,,UE傳輸或是接收數(shù)據(jù)皆聽(tīng)從于eNB指示. 分別為下行鏈路傳輸分配(Downlink Assignment)與上行鏈路傳輸授權(quán)(Uplink Grant);即下行鏈路傳輸控制指示(Downlink Control Indicator, DCI),,上行部份使用DCI格式,, 下行部份為DCI N1格式,尋呼(Paging)部份則使用DCI N2格式,。

UE在與基地臺(tái)鏈接的過(guò)程會(huì)周期性地監(jiān)測(cè)/監(jiān)聽(tīng)(Monitor)DCI傳送的區(qū)域,,即窄頻物理下行控制頻道(NPDCCH),,亦稱搜索空間(Search Space)。 UE收到屬于自己的DCI后,,再依其內(nèi)容指示至相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)傳送區(qū)域,,即窄頻物理下行分享頻道(NPDSCH)接收數(shù)據(jù)。

基于NB-IoT跨子訊框排程的特性,,對(duì)比LTE以DCI告知UE當(dāng)下子訊框(Subframe)數(shù)據(jù)所擺放的資源區(qū)塊位置,、資源區(qū)塊數(shù)量,讓UE知道數(shù)據(jù)位于那個(gè)「頻率區(qū)間」內(nèi),,NB-IoT則是告知一個(gè)排程延遲參數(shù)( Scheduling Delay,,標(biāo)準(zhǔn)上稱為k0),以及資源區(qū)塊長(zhǎng)度,,讓UE知道屬于自己的數(shù)據(jù)位于那個(gè)「時(shí)間區(qū)間」內(nèi),。 針對(duì)NB-IoT資源分配與排程相關(guān)部分,有以下幾項(xiàng)說(shuō)明,。

降低DCI獲取成本 善用搜索空間提升UE效率

與LTE相同,,UE可以透過(guò)搜索一個(gè)特定的區(qū)間獲得DCI信息,可減少UE耗費(fèi)不必要的功耗盲解不相關(guān)的數(shù)據(jù),。

在NB-IoT中,,搜索空間以一個(gè)時(shí)間區(qū)間作為呈現(xiàn);透過(guò)預(yù)先告知UE相關(guān)的參數(shù),,如系統(tǒng)信息區(qū)塊類別2(NB-IoT System Information Block Type 2,,SIB2-NB)中帶共同搜索空間(Common Search Space)參數(shù),隨機(jī)存取(Random Access)流程中之RRC Connection Setup Message帶特定搜索空間(UE Specific Search Space)參數(shù),, 使UE可以得知在哪一個(gè)時(shí)間范圍能夠有機(jī)會(huì)盲解出自己的DCI,。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下,搜索空間的訂定有很大的彈性,,在長(zhǎng)度方面可以根據(jù)所服務(wù)UE的特性去選擇適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度,;同時(shí),在相同的搜索空間上,,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)一步選擇性劃分1,、2、4,、8等四種比例,,作為不同UE的DCI傳送時(shí)間, 劃分后的長(zhǎng)度即為該DCI所重復(fù)傳送的次數(shù)(T1CSS可選擇更多種比例劃分),。

藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗O(shè)置搜索空間長(zhǎng)度為Rmax(此例設(shè)為8),,根據(jù)四種比例的劃分,依序?yàn)镽=Rmax/8,R=Rmax/4,,R=Rmax/2,,R=Rmax/1,以此例而言分別為1,、2,、4、8,,R即是重復(fù)次數(shù),,此時(shí)R所涵蓋的時(shí)間區(qū)塊即稱為備選區(qū)塊(Candidate),所選擇的劃分比例也可看成此搜索空間所含備選區(qū)塊數(shù)量,。

此外,,可以透過(guò)參數(shù)設(shè)定調(diào)整不同搜索空間起始的時(shí)間位置,,避免過(guò)多UE處于同一搜索空間設(shè)定,,導(dǎo)致基地臺(tái)在單位時(shí)間所能服務(wù)的UE有限。 不同參數(shù)與比例訂定將影響基地臺(tái)在單位時(shí)間內(nèi)所能夠服務(wù)的UE數(shù)量,,以及CE成效,,因此在實(shí)作上可根據(jù)當(dāng)下決定的排程策略進(jìn)行調(diào)整選擇。

當(dāng)UE選定駐留(Camp)某一個(gè)基地臺(tái)后,,UE根據(jù)目前所處于的聯(lián)機(jī)狀態(tài)會(huì)監(jiān)測(cè)相對(duì)應(yīng)的搜索空間,,目前的標(biāo)準(zhǔn)定義了Type1-NPDCCH共同搜索空間(T1CSS)、Type2-NPDCCH共同搜索空間(T2CSS),、 NPDCCH UE特定搜索空間(USS)等三種不同用途的搜索空間:

T1CSS

當(dāng)UE閑置(Idle)時(shí),,會(huì)根據(jù)與核心網(wǎng)絡(luò)(CN)之間約定之尋呼周期(Default Paging Cycle)監(jiān)測(cè)T1CSS。 鑒于不同CE層級(jí)的UE皆是相同的T1CSS長(zhǎng)度設(shè)置,,其備選區(qū)塊劃分根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),,可以有更多的選擇滿足各CE層級(jí)UE的重復(fù)傳送次數(shù);當(dāng)UE在這個(gè)尋呼周期搜索空間,、解出DCI且正確收到尋呼訊息時(shí),,UE便會(huì)進(jìn)行隨機(jī)存取程序, 并將所搜索的空間調(diào)整為T(mén)2CSS,。

T2CSS

當(dāng)UE處于未與核網(wǎng)注冊(cè),,或是已注冊(cè)但處于閑置狀態(tài)時(shí),若UE欲進(jìn)行傳送數(shù)據(jù),,或接收到基地臺(tái)的尋呼訊息,,UE便開(kāi)始進(jìn)行隨機(jī)存取程序。 此時(shí),,UE便是依據(jù)T2CSS設(shè)定盲解DCI,。

USS

當(dāng)UE完成隨機(jī)存取程序,且進(jìn)入鏈接(Connected)狀態(tài)時(shí),,UE便會(huì)根據(jù)隨機(jī)存取過(guò)程獲得的USS參數(shù)設(shè)定信息進(jìn)行搜索,,直到狀態(tài)又切換為閑置或隨機(jī)存取狀態(tài)時(shí),,再進(jìn)行對(duì)應(yīng)搜索空間之切換。

搜索/傳輸作業(yè)多元化 邏輯信道無(wú)明確劃分規(guī)則

下行信道

在NB-IoT系統(tǒng)中,,排除必要的系統(tǒng)/同步訊號(hào)(如NPBCH,、NPSS、NSSS,、SIB-NB)所占用的資源,,信道有NPDCCH與NPDSCH兩種,然以整個(gè)NB-IoT系統(tǒng)面來(lái)看,,此兩種信道并沒(méi)有明確時(shí)間上的劃分規(guī)則,。

原因之一在于前述所談到,搜索空間不論起始位置或長(zhǎng)度,,皆可以依照不同UE以及CE構(gòu)成非常多種組合表現(xiàn),;其二則歸因于下一節(jié)將提及之排程延遲,賦予數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間點(diǎn)多樣化的可能性,。 因此,,在下行信道我們應(yīng)以實(shí)際排程結(jié)果來(lái)看劃分的結(jié)果,意即某區(qū)塊時(shí)間若傳送DCI,,則此區(qū)間即作為NPDCCH使用,;若傳送下行數(shù)據(jù),則此區(qū)間即作為NPDSCH使用,。

上行信道

相對(duì)于下行信道,,上行信道劃分則較為簡(jiǎn)單:根據(jù)SIB2-NB中所設(shè)定之隨機(jī)存取工作發(fā)送Preamble的時(shí)間區(qū)塊作為NPRACH,其余皆作為NPUSCH來(lái)使用,。

其特殊之處在于,,考慮到NB-IoT上行支持跨子載波排程,排程上須根據(jù)所選擇的NPUSCH format進(jìn)一步針對(duì)子載波頻率之間的資源分配進(jìn)行考慮,。

藉有限帶寬傳遞DCI/數(shù)據(jù) 排程延遲有助兼顧效率

3GPP MAC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義PDCCH周期(Physical Downlink Control Channel period,,簡(jiǎn)稱pp),意即從目前的搜索空間起始點(diǎn)到下一個(gè)搜索空間起始點(diǎn)的間隔時(shí)間,, 對(duì)于NB-IoT即作為NPDCCH的周期,。 如圖2所示,藍(lán)色區(qū)域可視為某個(gè)/群UE的NPDCCH,,白色區(qū)域?yàn)镹PDSCH,,區(qū)域的組成是依照標(biāo)準(zhǔn)訂定參數(shù)組合而成,約有90種組合的可能性,,周期組合的選擇將會(huì)與排程策略,、CE的考慮而有即高的彈性去選擇。

NB-IoT是透過(guò)跨子訊框方式來(lái)進(jìn)行排程,原因之一在于系統(tǒng)所定義的帶寬較小,,DCI與數(shù)據(jù)皆無(wú)法在同一時(shí)間傳送完成,;且在正常情況下,對(duì)于一個(gè)傳送區(qū)域(Transport Block, TB)需要多個(gè)NPDSCH進(jìn)行才可組成完成,。因此,,如何去處理DCI與數(shù)據(jù)的時(shí)間關(guān)系便是NB-IoT特有的機(jī)制,時(shí)程k0扮演著最重要的角色,。

當(dāng)UE從備選區(qū)塊解出DCI后變會(huì)獲得基地臺(tái)所給予的k0,,UE便會(huì)等待k0時(shí)間后再開(kāi)始進(jìn)行收取NPDSCH的動(dòng)作。而k0的規(guī)定在上行/下行,,或者在一些特定訊息上皆有不同的需求與限制,,例如當(dāng)UE收到DCI后必須等待至少4ms過(guò)后才可進(jìn)行NPDSCH的接收,至少等待8ms過(guò)后才可進(jìn)行NPUSCH的傳送,, 原因在于UE必須要有足夠的時(shí)間去解DCI所帶的訊息,,或是進(jìn)行UL/DL傳送與接收模式轉(zhuǎn)換的時(shí)間。

為上行與下行使用目前標(biāo)準(zhǔn)Release 14所訂定最大的TB size與MCS下排程間隔的示意圖,,透過(guò)此圖我們也可以算出在Release 14標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT UE所能達(dá)到的最大速率的數(shù)值,。

NB-IoT的k0數(shù)值是依照標(biāo)準(zhǔn)文件所規(guī)定的固定值進(jìn)行選擇,,因此在選擇上便會(huì)缺少相當(dāng)?shù)膹椥?,再加上前面所提到的搜索空間起始位置與長(zhǎng)度的多樣性,以及傳送一個(gè)TB所需花的時(shí)間長(zhǎng)度影響,,因此在排程上將會(huì)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的工作,。 在加上當(dāng)中衍生的議題都有待研究與討論,以下針對(duì)相關(guān)排程議題進(jìn)行說(shuō)明,。

有限資源下擴(kuò)充UE服務(wù) MAC排程重要性與時(shí)俱

由于NB-IoT支持多載波傳輸,,讓不同UE可在不同載波上傳輸,以擴(kuò)充服務(wù)UE數(shù)量,,MAC排程與無(wú)線資源分配將扮演至關(guān)重要的角色,。

NB-IoT多載波分為錨載波(Anchor Carrier)以及非錨載波(Non-Anchor Carriers),錨載波是UE獲取系統(tǒng)信息和同步訊號(hào)(NPSS/NSSS/NPBCH/SIB-NB)之載波 ,;而非錨載波若系統(tǒng)有支持,,則可以視為一個(gè)空白的資源區(qū)塊。 由于錨載波作為傳送系統(tǒng)信息與同步訊號(hào)的關(guān)系,,這些信息將被視為最高優(yōu)先權(quán)進(jìn)行資源的占用,。 因此,在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則上,,NPDCCH與NPDSCH如果遭遇上述訊息傳送的時(shí)間,,便須要進(jìn)行延后傳送的動(dòng)作。

有鑒于此,在錨載波排程上,,我們必須考慮這些延后所帶來(lái)的資源排程上的影響,;另外,Release 14標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相較于Release 13,,可以將隨機(jī)存取程序與尋呼程序在非錨載波上進(jìn)行,, 此方式提高了系統(tǒng)的效率但也相對(duì)提到排程分配的復(fù)雜度。

若以整個(gè)通訊協(xié)議與IoT服務(wù)來(lái)看,,一道IoT訊息的傳送在NB-IoT系統(tǒng)上必須經(jīng)過(guò)幾道訊息的交換才會(huì)完成,;若以UE所發(fā)起的訊息回報(bào)來(lái)看,必須經(jīng)過(guò)完整的隨機(jī)存取程序才可完成一筆上層服務(wù)數(shù)據(jù)的傳送,, 此UE所發(fā)起傳送的完整程序即為所謂的行動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)程序(MO Procedure),。

但在許多如帶寬限制、排程周期,、搜索空間的限制之下,,基站在有限的資源下就必須針對(duì)一些議題進(jìn)行抉擇,例如上行/下行分配比例,、UE資源分配比例,、公平性等等,如圖4即為一個(gè)10個(gè)UE進(jìn)行MO Procedure的簡(jiǎn)易時(shí)間軸對(duì)應(yīng)示意圖,。 此外,,若再考慮省電機(jī)制例如DRX狀態(tài)尋呼的功能,以及多重CE層級(jí)設(shè)置上的排程,,在MAC資源分配管理上將會(huì)是一大挑戰(zhàn),。

本文針對(duì)NB-IoT MAC層進(jìn)行重點(diǎn)技術(shù)描述,由于在變化上NB-IoT在資源分配邏輯上有著明顯與其母技術(shù)LTE差異,,因此本篇我們著重于此部份的說(shuō)明與描述,。 雖然NB-IoT是個(gè)相對(duì)于LTE簡(jiǎn)單化的技術(shù),但由于為了去滿足簡(jiǎn)單化后以時(shí)間資源換取頻率資源的概念,,在排程邏輯上相對(duì)有較為復(fù)雜的新議題需要解決,;若以整個(gè)系統(tǒng)面來(lái)看,排程方法將會(huì)有更大的影響力影響整體效能,。 考慮到未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)訂定會(huì)再增加更多排程上議題,,例如Release 14訂定的2-HARQ Process,MAC將會(huì)扮演著關(guān)鍵與重要的角色,。


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