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NB-IoT吞吐率提升方案

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摘要：NB-IoT(窄带物联网)是3GPPR13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（NarrowBandInternetofThings，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（WideBand-IoT，WB-IoT）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

1.1NB-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-IoT参考信号天线口数最大支持2Port（天线口0和1），下行考虑采用基于SFBC（SpaceFrequencyBlockCoding，空频块编码）发射分集技术[2]。SFBC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。SFBC将x1和x2编码到不同的天线口和子载波发送：在天线口Port0的f1和f2子载波上分别发送x1和x2，在天线口Port1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SFBC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，Port0、Port1表示不同的发送天线口。

SFBC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（UserEquipment，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（SignaltoInterferencePlusNoiseRatio）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。

1.2NB-IoTMulti-tone方案

3GPP标准中定义了NB-IoT上行支持Single-tone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。

1.2.1Multi-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MSG3中的PHR（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SINR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