NB―IoT物理控制信道NB―PDCCH及资源调度机制-2019年精选文档
NB―IoT物理控制信道NB―PDCCH及资源调度机制
1 引言
在3GPP第69次RAN全会上，NB-IoT（窄带物联网）通过立项。根据立项文档，3GPP标准组织拟制定一种全新的蜂窝物联网技术，使用现有授权频谱资源满足广覆盖、低功耗、低速率的物联网业务需求。NB-IoT标准计划在2016年6月份完成冻结，2016年第4季度进行外场测试，2017年上半年实现商用。
根据NB-IoT目前已达成的规范，其具备以下特点[1]：1）带宽为180 kHz，和现有LTE系统的一个PRB的带宽相同；2）下行采用OFDMA，子载波间隔为15 kHz（和LTE相同）；上行支持两种模式，多载波15 kHz和单载波3.75 kHz；3）全新的物理信道和信号，对下行的PBCH、PDSCH、PDCCH采用单一的TM 传输模式；4）降低终端成本和功耗，采用半双工方式，一根接收天线；5）为充分利用现有LTE网络资源，同时提供灵活的零散频率资源部署，NB-IoT建议部署模式：独立模式、保护带模式和带内模式。
NB-IoT计划实现的目标包括：1）实现广域覆盖和深度覆盖，比传统的GPRS技术增强20 dB；2）实现大容量终端接入；3）实现降低的终端成本，每个终端低于5美元；4）实现低功耗，在5 Wh时提供大于10年的支持。
本文将重点分析NB-PDCCH资源调度方式。
2 下行控制物理信道NB-PDCCH
NB-IoT采用全新的无线技术，但大部分还是基于LTE技术的，其下行控制物理信道NB-PDCCH的定义和功能也参照了LTE 中的PDCCH[7-9]，如图1所示：
在NB-IoT技术中，在频域上只有180 kHz，即一个PRB宽度。从时域上看，NB-IoT系统的下行帧结构和现有LTE系统类似，只不过每个子帧在频域上只包含12个子载波，其时域帧结构每个OFDM symbol、slot、以及Subframe的持续时间与LTE
完全一致。下行的最小资源分配单元即最小RU（Resource Unit）是一个子帧，即一个子帧12个子载波。
而下行控制信道NB-PDCCH是符合上述帧结构的。细化到具体的时频资源，如图2所示：
如图2所示，在一个子帧中，NB-PDCCH占用12个子载波，承载DCI信息的颗粒度不是单个RE或REG，而是使用CCE。这里的CCE和LTE的定义不同，CCE大小为半个PRB pair，具体为：1个PRB pair中，定义两个CCE，其中频域（子载波）编号较高的6个子载波作为一个CCE，频域（子载波）编号较低的6个子载波作为另一个CCE。CCE聚合等级支持两种，即AL=1CCE和
AL=2CCE。其中组成AL=2的两个CCE位于相同子帧，并且重复传输仅支持AL=2。鉴于NB-IoT基本上都利用重复传输技术来进行覆盖增强，所以CCE聚合等级大部分采用AL2。图2表示了单个PRB的CCE分布，其中NB-IoT下行参考信号NB-RS分布在每个
SLOT的最后两个OFDM符号上。
在图2的右边中，描述了NB-PDCCH资源映射：在非inBand 操作模式时，从子帧中第一个OFDM符号开始使用资源；对于inBand操作模式时，根据SIB1配置的起始OFDM符号开始使用资源，避开现有LTE控制域的OFDM符号和参考信号的LTE-RS的位置。
根据上述NB-PDCCH的资源映射，决定了NB-IoT的控制域对资源的调度为跨子帧调度，和传统的LTE子帧内调度机制不同，如图3所示：
跨子帧调度会影响资源调度的相应时间（时延特性）。这里意味着NB-IoT的子帧格式，一种携带仅控制信息，一种仅携带业务数据（inBand部署模式除外），标准中暂不会出现同时携带控制信息和业务数据的混合子帧。
3 NB-PDCCH承载的DCI种类和特点
和LTE类似，NB-PDCCH对业务资源的调度也是通过DCI格式进行分类[2，4，10，11]。从第三节可知，对LTE来说，PDCCH 调度分配只对其传输的同一子帧有效，采用的DCI格式分为格式1、1A、1B、1D、2、2A、2B和2C，使用的DCI格式取决于配置的发送模式，并允许在控制信息开销和调度灵活性之间进行折中。
对于NB-IoT，对于所有覆盖类型和操作模式，用于下行调度的DCI和用于上行调度的DCI具有相同的size（bits）。DCI
格式分为四种：N0（用于UL Grant）、N1（用于DL Grant）、N2（用于paging）、N3（DL Grant）。CSS也可以搜N0/N1，公共搜素空间有两个（RAR和paging），RAR搜索空间可检测N0、N1和N3，paging搜索空间仅检测N2。N2Format N3为调度RAR 使用，并不是独立的format，属于format N1的一种情况。DCI format N0如表1所示：
格式N0用于UL Grant，其各字段分别说明如下：
1）Flag for format N0/format N1 differentiation：指示格式为N0或N1。
2）Subcarrier indication：指示子载波，可以取值为5或6。
5用于上行子载波间隔为15 kHz的情况。根据规范定义，有效的NB-PUSCH的子载波资源集合为{12， 6， 3， 1}，表示子载波资源分配可按照12、6、3、1个进行分配，不支持其他数量的资源。比如全部12个子载波作为一个整体图样进行分配，则指示为{0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9， 10， 11}，每3个不交叠子载波资源分配指示分别为{0， 1， 2}、{3， 4，5}、{6， 7， 8}、{9， 10， 11}。以此类推，共计20种图样，用5个比特表示。6用于上行子?d波间隔为3.75 kHz的情况，共有48个不交叠的子载波图样。
1）Resource assignment：3 bits，用于指示TTI bunding 的大小，取值集合为{1， 2， 3， 4， 5， 6， 8， 10}。
2）Scheduling delay：2 bits，用于指示NB-PDCCH结束时点和NB-PUSCH数据发送开始时点之间的调度时延，按照规范，该数值与NB-PDCCH、NB-PUSCH的重复传输次数有关，定时间隔的最小值是8 ms，取值集合为{8， 16， 32， 64}，分别针对不同的覆盖等级，具体参见文献[2]。
3）Modulation and coding scheme：4 bits，表示16中不同的MCS的索引值，包括multi-tone QPSK、single-tone
pi/2-BPSK和pi/4-QPSK。
4）Redundancy version：1 bit，针对Multi-tone和Singal-tone，通过这个比特分别表示RV0和RV2不同版本。
5）DCI subframe repetition number：2 bits，用于表示NB-PDCCH重复传输的次数（用于Paging的CSS除外），共4种。
6）Repetition numbe：3 bits。目前该数值尚未最后确定，指示NB-PUSCH重复传输的次数。根据文献[3]，3 bits表示了{1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128}中的一种。
DCI format N1如表2所示：
格式N1用于DL Grant，和N0不同的字段说明如下：
1）HARQ-ACK resource：指示HARQ-ACK信息，代替传统LTE 的PHICH信息指示，目前规范尚未确定具体数值。
2）Repetition numbe：4 bits。目前该数值尚未最后确定，指示NB-PDSCH重复传输的次数。根据文献[4]，4 bits表示了{1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128， 256， 512， 1024，
2048}中的一种。
DCI format N2如表3所示。
格式N2用于paging，分为Paging和Direct Indication
两种，字段说明如下：
1）Flag for paging/direct indication differentiation：格式的标志区分。
2）Direct Indication information，8 bits，直接指示系统更新信息。
3）Reserved information bits，信息保留位。
DCI format N3如表4所示：
Format N3为调度RAR使用，并不是独立的format，属于format N1的一种情况。
4 结论
NB-IoT的NB-PDCCH是重要的物理控制信道之一，其设计特点和资源调度对系统的性能有重要的影响。NB-IoT的PDCCH时频结构和传统LTE有一定差异，其承载的DCI信息针对物联网特点进行了优化配置，PDCCH的无线资源调度机制充分体现了有限资源和较高效调度效率的特点，为NB-IoT网络无线资源调度的研究测试和优化提供有用的参考。