NB-IoT吞吐率提升方案

NB-IoT吞吐率提升方案

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。

1.2.1Multi-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5Multi-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。