NB-IoT MAC层挑大梁,NB-IoT资源分配都靠它了!

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NB-IoT MAC协议主要负责数据传输(Data Transfer)及实体资源/无线资源分配(Radio Resource Allocation),而本文偏重无线资源分配,在此说明NB-IoT无线资源之规划。
 
由于物理层可用的带宽较LTE少(180kHz一个载波),物理层程序也较以往大不相同,考虑到NB-IoT增强信号覆盖需求,因此3GPP标准制定团队利用「重复传送」之方式获取时域之增益,达到覆盖增强(Coverage Enhancement, CE)之目的:在标准规范中,下行链路传输仅允许跨子讯框排程(Cross-Subframe Scheduling),上行链路传输支持跨子讯框和跨子载波排程。
 
NB-IoT采用集中控制方式管理演进节点B(eNB)与用户装置(UE)之间,数据传输所需的无线资源。 与LTE系统相同,UE传输或是接收数据皆听从于eNB指示. 分别为下行链路传输分配(Downlink Assignment)与上行链路传输授权(Uplink Grant);即下行链路传输控制指示(Downlink Control Indicator, DCI),上行部份使用DCI格式, 下行部份为DCI N1格式,寻呼(Paging)部份则使用DCI N2格式。
 
UE在与基地台链接的过程会周期性地监测/监听(Monitor)DCI传送的区域,即窄频物理下行控制频道(NPDCCH),亦称搜索空间(Search Space)。 UE收到属于自己的DCI后,再依其内容指示至相对应数据传送区域,即窄频物理下行分享频道(NPDSCH)接收数据。
 
基于NB-IoT跨子讯框排程的特性,对比LTE以DCI告知UE当下子讯框(Subframe)数据所摆放的资源区块位置、资源区块数量,让UE知道数据位于那个「频率区间」内,NB-IoT则是告知一个排程延迟参数( Scheduling Delay,标准上称为k0),以及资源区块长度,让UE知道属于自己的数据位于那个「时间区间」内。 针对NB-IoT资源分配与排程相关部分,有以下几项说明。
 
降低DCI获取成本 善用搜索空间提升UE效率
 
与LTE相同,UE可以透过搜索一个特定的区间获得DCI信息,可减少UE耗费不必要的功耗盲解不相关的数据。
 
在NB-IoT中,搜索空间以一个时间区间作为呈现;透过预先告知UE相关的参数,如系统信息区块类别2(NB-IoT System Information Block Type 2,SIB2-NB)中带共同搜索空间(Common Search Space)参数,随机存取(Random Access)流程中之RRC Connection Setup Message带特定搜索空间(UE Specific Search Space)参数, 使UE可以得知在哪一个时间范围能够有机会盲解出自己的DCI。
 
标准规范下,搜索空间的订定有很大的弹性,在长度方面可以根据所服务UE的特性去选择适当的长度;同时,在相同的搜索空间上,根据标准可以进一步选择性划分1、2、4、8等四种比例,作为不同UE的DCI传送时间, 划分后的长度即为该DCI所重复传送的次数(T1CSS可选择更多种比例划分)。
 
如图1所示,蓝色区域为所设置搜索空间长度为Rmax(此例设为8),根据四种比例的划分,依序为R=Rmax/8,R=Rmax/4,R=Rmax/2,R=Rmax/1,以此例而言分别为1、2、4、8,R即是重复次数, 此时R所涵盖的时间区块即称为备选区块(Candidate),所选择的划分比例也可看成此搜索空间所含备选区块数量。
 
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图1 搜索空间备选区块示意图
 
此外,可以透过参数设定调整不同搜索空间起始的时间位置,避免过多UE处于同一搜索空间设定,导致基地台在单位时间所能服务的UE有限。 不同参数与比例订定将影响基地台在单位时间内所能够服务的UE数量,以及CE成效,因此在实作上可根据当下决定的排程策略进行调整选择。
 
当UE选定驻留(Camp)某一个基地台后,UE根据目前所处于的联机状态会监测相对应的搜索空间,目前的标准定义了Type1-NPDCCH共同搜索空间(T1CSS)、Type2-NPDCCH共同搜索空间(T2CSS)、 NPDCCH UE特定搜索空间(USS)等三种不同用途的搜索空间:
 
T1CSS
 
当UE闲置(Idle)时,会根据与核心网络(CN)之间约定之寻呼周期(Default Paging Cycle)监测T1CSS。 鉴于不同CE层级的UE皆是相同的T1CSS长度设置,其备选区块划分根据标准,可以有更多的选择满足各CE层级UE的重复传送次数;当UE在这个寻呼周期搜索空间、解出DCI且正确收到寻呼讯息时,UE便会进行随机存取程序, 并将所搜索的空间调整为T2CSS。
 
T2CSS
 
当UE处于未与核网注册,或是已注册但处于闲置状态时,若UE欲进行传送数据,或接收到基地台的寻呼讯息,UE便开始进行随机存取程序。 此时,UE便是依据T2CSS设定盲解DCI。
 
USS
 
当UE完成随机存取程序,且进入链接(Connected)状态时,UE便会根据随机存取过程获得的USS参数设定信息进行搜索,直到状态又切换为闲置或随机存取状态时,再进行对应搜索空间之切换。
 
搜索/传输作业多元化 逻辑信道无明确划分规则
 
下行信道
 
在NB-IoT系统中,排除必要的系统/同步讯号(如NPBCH、NPSS、NSSS、
 
SIB-NB)所占用的资源,信道有NPDCCH与NPDSCH两种,然以整个NB-IoT系统面来看,此两种信道并没有明确时间上的划分规则。
 
原因之一在于前述所谈到,搜索空间不论起始位置或长度,皆可以依照不同UE以及CE构成非常多种组合表现;其二则归因于下一节将提及之排程延迟,赋予数据传输时间点多样化的可能性。 因此,在下行信道我们应以实际排程结果来看划分的结果,意即某区块时间若传送DCI,则此区间即作为NPDCCH使用;若传送下行数据,则此区间即作为NPDSCH使用。
 
上行信道
 
相对于下行信道,上行信道划分则较为简单:根据SIB2-NB中所设定之随机存取工作发送Preamble的时间区块作为NPRACH,其余皆作为NPUSCH来使用。
 
其特殊之处在于,考虑到NB-IoT上行支持跨子载波排程,排程上须根据所选择的NPUSCH format进一步针对子载波频率之间的资源分配进行考虑。
 
藉有限带宽传递DCI/数据 排程延迟有助兼顾效率
 
3GPP MAC协议标准定义PDCCH周期(Physical Downlink Control Channel period,简称pp),意即从目前的搜索空间起始点到下一个搜索空间起始点的间隔时间, 对于NB-IoT即作为NPDCCH的周期。 如图2所示,蓝色区域可视为某个/群UE的NPDCCH,白色区域为NPDSCH,区域的组成是依照标准订定参数组合而成,约有90种组合的可能性,周期组合的选择将会与排程策略、CE的考虑而有即高的弹性去选择。
 
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图2 排程周期与时间关系示意图
 
NB-IoT是透过跨子讯框方式来进行排程,原因之一在于系统所定义的带宽较小,DCI与数据皆无法在同一时间传送完成;且在正常情况下,对于一个传送区域(Transport Block, TB)需要多个NPDSCH进行才可组成完成。 因此,如何去处理DCI与数据的时间关系便是NB-IoT特有的机制,时程k0扮演着最重要的角色。
 
当UE从备选区块解出DCI后变会获得基地台所给予的k0,UE便会等待k0时间后再开始进行收取NPDSCH的动作。 而k0的规定在上行/下行,或者在一些特定讯息上皆有不同的需求与限制,例如当UE收到DCI后必须等待至少4ms过后才可进行NPDSCH的接收,至少等待8ms过后才可进行NPUSCH的传送, 原因在于UE必须要有足够的时间去解DCI所带的讯息,或是进行UL/DL传送与接收模式转换的时间。
 
图3为上行与下行使用目前标准Release 14所订定最大的TB size与MCS下排程间隔的示意图,透过此图我们也可以算出在Release 14标准NB-IoT UE所能达到的最大速率的数值。
 
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图3 NB-IoT排程示意图
 
NB-IoT的k0数值是依照标准文件所规定的固定值进行选择,因此在选择上便会缺少相当的弹性,再加上前面所提到的搜索空间起始位置与长度的多样性,以及传送一个TB所需花的时间长度影响,因此在排程上将会是一个具有挑战性的工作。 在加上当中衍生的议题都有待研究与讨论,以下针对相关排程议题进行说明。
 
有限资源下扩充UE服务 MAC排程重要性与时俱增
 
由于NB-IoT支持多载波传输,让不同UE可在不同载波上传输,以扩充服务UE数量,MAC排程与无线资源分配将扮演至关重要的角色。
 
NB-IoT多载波分为锚载波(Anchor Carrier)以及非锚载波(Non-Anchor Carriers),锚载波是UE获取系统信息和同步讯号(NPSS/NSSS/NPBCH/SIB-NB)之载波 ;而非锚载波若系统有支持,则可以视为一个空白的资源区块。 由于锚载波作为传送系统信息与同步讯号的关系,这些信息将被视为最高优先权进行资源的占用。 因此,在标准规则上,NPDCCH与NPDSCH如果遭遇上述讯息传送的时间,便须要进行延后传送的动作。
 
有鉴于此,在锚载波排程上,我们必须考虑这些延后所带来的资源排程上的影响;另外,Release 14标准规范相较于Release 13,可以将随机存取程序与寻呼程序在非锚载波上进行, 此方式提高了系统的效率但也相对提到排程分配的复杂度。
 
若以整个通讯协议与IoT服务来看,一道IoT讯息的传送在NB-IoT系统上必须经过几道讯息的交换才会完成;若以UE所发起的讯息回报来看,必须经过完整的随机存取程序才可完成一笔上层服务数据的传送, 此UE所发起传送的完整程序即为所谓的行动发送数据程序(MO Procedure)。
 
但在许多如带宽限制、排程周期、搜索空间的限制之下,基站在有限的资源下就必须针对一些议题进行抉择,例如上行/下行分配比例、UE资源分配比例、公平性等等,如图4即为一个10个UE进行MO Procedure的简易时间轴对应示意图。 此外,若再考虑省电机制例如DRX状态寻呼的功能,以及多重CE层级设置上的排程,在MAC资源分配管理上将会是一大挑战。
 
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图4 NB-IoT排程示意图
 
本文针对NB-IoT MAC层进行重点技术描述,由于在变化上NB-IoT在资源分配逻辑上有着明显与其母技术LTE差异,因此本篇我们着重于此部份的说明与描述。 虽然NB-IoT是个相对于LTE简单化的技术,但由于为了去满足简单化后以时间资源换取频率资源的概念,在排程逻辑上相对有较为复杂的新议题需要解决;若以整个系统面来看,排程方法将会有更大的影响力影响整体效能。 考虑到未来标准订定会再增加更多排程上议题,例如Release 14订定的2-HARQ Process,MAC将会扮演着关键与重要的角色。
 
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