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.
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.
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.
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.
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.