《電子技術(shù)應(yīng)用》
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NB-IoT物理層隨機接入分析與接收端檢測算法
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
李小文,，屈元遠，周述淇,，牟泓彥,，陳其榮
重慶郵電大學 通信與信息工程學院,，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)中的隨機接入信道NPRACH進行了重新設(shè)計,。通過與LTE系統(tǒng)進行對比,，對NB-IoT系統(tǒng)中NPRACH的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了詳細分析，并提出了一種基于2-D FFT的NPRACH接收端檢測算法,。通過MATLAB進行仿真分析,，得出在不同的覆蓋等級下，該算法檢測NPRACH Preamble漏檢概率MDP低于0.05%,，誤檢概率FAP低于0.1%,，均滿足標準規(guī)定的1%MDP和0.1%FAP指標，且到達時間估計錯誤ToA Error在 -2.5～2.5 μs范圍內(nèi)的概率高于95%,。
中圖分類號： TN929.5
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174994
中文引用格式： 李小文,，屈元遠，周述淇,，等. NB-IoT物理層隨機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.
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。本文通過對LTE與NB-IoT的差異性分析,，得出要對窄帶隨機接入信道(NarrowBand Physcial Random Access Channel,，NPRACH)結(jié)構(gòu)[6-9]、NPRACH Preamble[10-11]等進行全新的設(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,。

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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機制以提升解碼成功率。

    (1)窄帶化技術(shù)：在獨立部署的方式下,，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),，增加單次隨機接入成功率。

    (3)GAP機制：在下行鏈路,，NB-IoT采用獨有的DL GAP機制[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)和隨機接入Preamble序列設(shè)計方案進行了詳細的分析,。

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,。

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    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，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)上增加一個隨機跳變量。ith符號組對應(yīng)的子載波索引如式(1)所示：

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    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Preamble格式為1時4符號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 基站接收的隨機接入前導碼信號

    對于基站檢測到的隨機接入信號,，當前符號組接收到第一個符號即當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：

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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：

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3.3 前導檢測

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4 仿真實現(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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    鏈路級仿真具體過程如下：

    (1)發(fā)射機在高層配置的NPRACH指示中選擇一個時頻資源和前導格式,，按照相關(guān)計算公式將生成的前導符號映射到OFDM資源網(wǎng)格上。

    (2)發(fā)射機執(zhí)行逆FFT以獲得時域采樣信號并相應(yīng)地插入CP,。

    (3)發(fā)射機通過對時域采樣進行上變頻和濾波來生成隨機接入信號,。

    (4)結(jié)合發(fā)送功率用無線信道傳輸隨機接入信號。

    (5)向信道添加白高斯噪聲用以模擬真實信道環(huán)境,。

    (6)接收機對接收到的信號進行濾波和下變頻采樣,。

    (7)對于前導碼中的每個接收到的符號組，接收機丟棄CP采樣并對其余樣本執(zhí)行FFT,。

    (8)接收機執(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碼的存在。對于誤檢測試,，由于接收機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,，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)實驗統(tǒng)計分析，得到相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示,。

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    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?，前導在極限覆蓋等級下依然滿足標準規(guī)定的NPRACH的檢測性能要求，即不高于1%的MDP和0.1%的FAP,。

    標準規(guī)定,，當ToA Error不大于3.646 μs時，認為估計正確,。仿真結(jié)果表明,，ToA Error均在標準規(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)值的門限檢測法進行前導檢測,。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準提出的要求，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的ToA估計,，提升檢測準確率，所以,，NPRACH接收端檢測算法可能是未來工作中的重要研究點,。

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作者信息:

李小文,，屈元遠，周述淇,，牟泓彥,，陳其榮

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065）

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