NB-IoT资源调度技术以及优化策略

曹祥风

摘要

NB-IoT是一种基于蜂窝的窄带物联网技术，主要应用于低吞吐量、能够容忍较大时延以及低移动性场景，如智能停车、智能家居、智慧城市等应用。NBIoT信道带宽为180kHz，在如此低的信道带宽要支持众多接入用户，一方面单个终端以极低频次接入，另一方面基站要面对数万个终端的随机接入，因此需要尽可能优化资源分配和调度策略，提高数据传输效率。本文先对NB-IoT资源调度的一些基本概念做些介绍，然后再对上下行物理信道的调度策略优化措施进行一些探讨。

【关键词】NB-IoT 物联网 HARQ 资源调度 策略优化

NB-IoT是一种窄带物联网技术，在NB-IoT中无论上行还是下行均只有1个HARQprocess，降低对UE并行处理能力和缓存的要求，并且上下行均为自适应异步HARQ，即上下行接收发送和确认没有固定的时序，使得调度非常灵活，能够适应海量UE接入，以及适应不同的链路环境，同时也带来了基站以及UE调度策略的复杂度，如果调度策略控制不好，会引起资源冲突或资源调度稀疏，反而降低传输效率。

1 上行HARQ流程

步骤1：基站在PIPDCCH信道发送DclNO控制信息，UE通过盲检NPDCCH可以得知控制信息中给定的上行NPUSCH信道信息。

步骤2：UE延迟一定时间（基站策略协调多个UE的接入时机避免冲突）后发送NPUSCH信息，其编码方式、冗余版本、重复次数等信息均在DCI NO中获得。

步骤3：基站收到NPUSCH后，确定下次在DCI NO发送新数据还是对本次数据的重传标识。

2 下行HARQ流程

步骤1：基站在NPDCCH信道上发送DCIN1控制信息，UE通过盲检NPDCCH可以得知控制信息中给定的下行NPDSCH信道信息。

步骤2：基站延迟一定时间（基站策略协调多个UE的调度时机避免冲突）发送NPDSCH信息，编码方式、重复次数等信息均在DCIN1中告知UE。

步骤3：UE收到NPDSCH后，若CRC正确则在上行信道上反馈ACK，否则反馈NACK。

步骤4：基站检测到NPUSCH ACK/NACK信息后，在随后下行NPDCCH控制信道的DCIN1中发送新数据或重传标识。

上面介绍了上行HARQ和下行HARQ协议流程，在实际工作环境下，上行HARQ和下行HARQ是穿插工作的。在不同覆盖场景以及不同信道条件下，可能由于信道接收质量或者基站多用户资源调度等方面原因，使得UE上下行业务得不到充分調度，可能会错过基站分配的授权或者基站长时间不给授权时要及时发起连接态随机接入申请授权。

UE有上行数据要发送时，需要等待基站给予授权，如果等待时间（SR定时器）取值较短，在一定时间没有等到上行授权（基站很可能正在规划），那么UE会触发连接态随机接入，在随机接入过程中可能会错过这段时间下行接收，进而又在RLC层产生重传，造成上行数据投递产生较大延迟。如果等待时间取值较长，又会影响数据包投递到高层的时延，影响数据交互实时性和用户体验。这里，等待时间就需要采取策略进行优化，需要兼顾不同场景取得一个综合性平衡。

UE上有数据数据要发送，但是在不稳定的衰落信道条件下，上行发送和下行数据接收可能会出现漏收或错收现象，这种情况下可能错过基站发送的DCI N0授权信息。UE启动SR定时器监控，当有上行数据要发送，且定时器超时后未收到DCI N0时，就认为基站未调度或者DCI N0丢失，需要发起连接态随机接入申请上行授权发送上行数据。

UE通过检测NPDCCH来获取DCI N0控制信道信息。NPDCCH是通过搜索空间盲检得到，与PDCCH盲检周期（TPDCCH=Rmax*G）有关，在不同覆盖等级下TPDCCH周期取值范围可以在8ms～10240ms之间变化，差异非常悬殊，因而在等待时间上需要结合TPDCCH周期来考虑。

下面我们对终端资源调度策略进行一些探讨性研究。NB-IoT主要应用在低功耗、低速率、低移动、极限覆盖等场景，在不同场景下随机接入信道和业务信道的配置相差非常大，对于正常覆盖CEO等级，典型的Rmax=8，G=2，而在增强覆盖CE2等级时，Rmax可以配置到64甚至256，而G值也可能配置为较大的值，从而NPDCCH搜索空间周期相差很大。不同信道条件下，NPDCCH/NPDSCH/NPUSCH的重复次数也会相应自适应调整（AMC）。基于以上场景考虑，我们在调度策略上做些优化：

（1）SR定时器与NPDCCH周期关联。基站在系统消息中广播不同接入等级的PRACH资源，UE在随机接入前测量基站NRS信道RSRP值，选择相应接入等级，同时也确定了USS Rmax*G值（即NPDCCH周期），UE在连接态使用的SR监控定时器采用一套与USS周期相关联的算法，比如将NPDCCH周期分成几个档位，每个档位使用不同SR定时器长度。

（2）SR定时器与BSR上报相关。UE结合BSR上报情况来判断是否预期基站有调度，考虑最后一次BSR上报是否发送成功，并结合基站状态报告来确认。如果有新上行数据到达，协议栈可先判断之前BSR上报的情况，如果长时间未上报BSR或最后一次上报为0值BSR，则判断基站不会主动调度授权，则需要立即触发SR接入;如果新数据到达之前己上报BSR，则判断基站会主动调度授权，这时可等待SR定时器超时在发起接入，以防止授权被漏检或基站异常未调度的情况。

通过以上策略优化改进，我们在实际外场测试中已经得到验证能够显著提升业务稳定性和降低数据包传递时延。

3 结论

本文重点对NB-IoT的上下行调度策略优化进行了探讨，调度策略优化的优点是很明显的：即在需要触发SR接入时能快速响应并立即触发SR接入，有效减少等待时延;在预期有调度的时候，可适当拉长等待时间，既能避免过早触发SR接入，又能保证在上行授权被漏检或异常未调度时可通过及时发起随机接入申请上行授权来发送数据，从而降低接入时延。

参考资料

[1]邱刚.NB-IoT系统资源调度研究[J].中兴通讯技术，2017（Ol）.

[2]卢斌.NB-IoT物理控制信道NB-PDCCH及资源调度机制[J].移动通信，2016（23）.