NB-IoT通信机制与调度策略解析

### NB-IoT 通信机制与调度策略解析 #### 1. 下行信道质量报告 设备通过 NPDCCH 可靠运行所需的重复次数来提供下行信道质量报告。例如，当设备在消息 2 中接收到随机接入响应（RAR）时，就能获得这样的估计，因为在这个过程中，设备知道解码调度 RAR 的 NPDCCH 需要多少次重复。支持两种报告格式： - **完整格式**：设备可以指示 NPDCCH 重复因子之一，如 1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024 或 2048，也可以指示为空（即未进行测量），这需要一个 4 位的消息。 - **短格式**：用于某些空间有限的消息 3 类型。设备根据为搜索空间配置的最大 NPDCCH 重复因子 Rmax 来指示其 NPDCCH 重复估计。报告的下行信道质量可以是 Rmax/8、Rmax 或 4Rmax，也可以指示为空，这种短格式需要一个 2 位的消息。 在消息 5 中，设备会向网络报告以 NRSRP 和 NRSRQ 表示的下行信号强度和下行信号质量，以便网络长期合理配置和规划网络中的小区。 需要注意的是，上述报告与功率余量报告、HARQ ACK/NACK 以及 RLC 确认模式状态报告是 NB - IoT 设备向网络发送的唯一反馈。 #### 2. 接入控制 接入限制（AB）是 NB - IoT 采用的一种接入控制机制，它类似于特定的接入类限制功能，允许跨 10 个普通接入类和 5 个特殊接入类进行 PLMN 特定的限制，还支持对打算发送异常报告的设备进行特殊处理。 MIB - NB 中提供了一个 AB 标志： - 若该标志设置为 false，则所有设备都允许接入网络。 - 若设置为 true，设备在尝试接入网络之前必须读取 SIB14 - NB，该消息提供了接入类特定的限制信息，设备需要检查其接入类是否被允许接入网络。如果设备被限制接入，它应该回退并在稍后重新尝试接入。 此外，3GPP Release 15 引入了覆盖级别特定的限制，通过在 SIB14 - NB 中提供 NRSRP 阈值来防止处于特定覆盖级别或更差覆盖的设备接入网络。如果设备测量的 NRSRP 低于该阈值，将被禁止接入网络，需回退并稍后重新尝试。 #### 3. 非锚载波上的系统接入 NB - IoT 的基本设计目标是每平方公里至少支持 60,680 个设备，从 3GPP Release 14 开始，目标提升到每平方公里支持 1,000,000 个设备。根据流量模型，这些负载分别对应每秒 6.8 次和 112.2 次接入请求。为了降低竞争前导码的碰撞率，需要为 NPRACH 预留足够的无线电资源。 对于如 NB - IoT NPRACH 这样的时隙型接入方案，竞争前导码之间的碰撞概率可以通过以下公式估计： \[Prob(collision) = 1 - e^{-g/L}\] 其中，L 是每秒的随机接入机会总数，g 是平均随机接入强度。 如果目标是在每秒 6.8 次接入请求的情况下，将碰撞概率控制在 1%，则系统需要每秒提供 677 次随机接入机会。NB - IoT 通过为 CE 级别 0 配置一个跨越 48 个子载波且周期为 40 ms 的 NPRACH 资源，最多每秒可提供 1200 次接入机会。若允许 10% 的碰撞率，每秒配置 65 次接入机会即可。但要支持每秒 112.2 次接入请求，即使碰撞率为 10%，也需要每秒配置 1065 次接入机会。 因此，为了满足高负载需求并支持扩展覆盖的设备，3GPP Release 14 引入了非锚载波上的随机接入，并为非锚载波添加了寻呼支持。寻呼载波除了用于寻呼外，还用于消息 2 和 4 的传输，而随机接入载波用于消息 1 和 3 的传输。非锚载波上的寻呼和随机接入过程的无线电资源配置由 SIB22 - NB 提供。 非锚载波与锚载波的系统接入的一个主要区别在于是否存在 NRS。 #### 4. 组播 为了更好地支持固件或软件更新，NB - IoT Release 14 引入了单小区点对多点（SC - PTM）服务。它基于多媒体广播组播服务架构，提供了用于单小区广播和组播传输的空中接口，其设计与 LTE - M SC - PTM 有相似之处。 SC - PTM 定义了两个逻辑信道：单小区组播控制信道（SC - MCCH）和单小区组播业务信道（SC - MTCH），这些逻辑信道映射到 NPDSCH 上。NPDSCH 由 NPDCCH 调度，NPDCCH 在与 SC - MCCH 和 SC - MTCH 相关的两个新公共搜索空间中传输。 - **Type - 1A 公共搜索空间（CSS）**：包含 NPDCCH 候选，其 CRC 由单小区 RNTI（SC - RNTI）加扰，用于调度携带 SC - MCCH 的 NPDSCH。由于 SC - MCCH 类似于寻呼，是广播到小区内的一组设备，因此 Type - 1A CSS 的设计基于 Type - 1 CSS，NPDCCH 候选只能在搜索空间的开始处启动。 - **Type - 2A CSS**：包含 NPDCCH 候选，其 CRC 由组 RNTI（G - RNTI）加扰，用于调度携带 SC - MTCH 的 NPDSCH。为了保持 SC - MTCH 调度的灵活性，Type - 2A CSS 遵循 Type - 2 CSS 的设计原则，为 NPDCCH 候选定义了多个起始点。 获取 SC - PTM 服务的流程如下： ```mermaid graph LR A[开始] --> B[读取 SIB 1 - NB 获取 SIB20 - NB 调度信息] B --> C[读取 SIB20 - NB 获取 SC - MCCH 配置] C --> D[在 Type - 1A CSS 中搜索由 SC - RNTI 标识的调度 SC - MCCH 的 DCI] D --> E[读取 SC - MCCH 获取 SC - MTCH 配置，包括 G - RNTIs] E --> F[在 Type - 2A CSS 中搜索由 G - RNTI 标识的调度 SC - MTCH 的 DCI] F --> G[获取携带 SC - PTM 服务的 SC - MTCH] ``` 一个小区可以配置一个 SC - MCCH，它可以配置通过 SC - MTCH 传输的多达 64 个同时进行的组播和广播服务。锚载波和非锚载波都可以用于承载 SC - MCCH 和 SC - MTCH。组播数据包不支持重传，每个 SC - PTM 会话在 NPDSCH 上只有一次传输，但由于 NPDCCH 和 NPDSCH 支持大量重复，NB - IoT SC - PTM 服务仍有望支持 164 dB 的最大耦合损耗（MCL）。 #### 5. NPDCCH 搜索空间 NPDCCH 搜索空间是与连接模式调度以及空闲模式寻呼相关的关键概念。搜索空间由一个或多个子帧组成，设备可以在其中搜索寻址到该设备的下行控制信息（DCI）。定义了三种主要类型的搜索空间： - **Type - 1 公共搜索空间（CSS）**：用于监控寻呼，其变体 Type - 1A CSS 用于监控 SC - MCCH 的调度。 - **Type - 2 CSS**：用于监控随机接入响应（RAR）、消息 3 的 HARQ 重传以及消息 4 的无线电资源分配，其变体 Type - 2A CSS 用于监控 SC - MTCH 的调度。