CN108494525B - 一种NB-IoT中重复次数与传输块大小联合的自适应选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄带物联网中重复次数与传输块大小联合的自适应选择方法，属于无线通信技术领域。所述的自适应选择方法，包括分别确定传输块大小和重算次数的自适应门限；然后分别实现实现重复次数和传输块的自适应；直到传输完成所有的数据。本发明针对任意给定的上行或下行时频资源分配，实现小时间尺度上的传输块大小自适应以及大时间尺度上的重复次数自适应的联合优化；与现有的两者分离设计相比，能够有效消除重复次数硬切换造成的吞吐量突降问题，显著提高***的传输速率。

Description

一种NB-IoT中重复次数与传输块大小联合的自适应选择方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种窄带物联网(Narrowband-Internet ofThings,NB-IoT)中重复次数与传输块大小(Transmission Block Size,TBS)联合的自适应选择方法。

背景技术

2016年6月3GPP在LTE R13版本中首次提出了NB-IoT接入技术。作为一项很有前景的新无线接入技术，NB-IoT可以与已经部署的GSM、LTE等网络共存。相对于机器类型通信(Machine Type Communication，MTC)，NB-IoT具有更广的覆盖范围、极低的功耗、能够部署大量的终端、较低的数据率要求、占用很窄的频带(200kHz)等，它可以部署在LTE子载波保护间隔内未被使用的资源块中，也可以单独部署在LTE之外的频带中。具体参见参考文献[1]3GPP 36.888,Study on provision of low-cost Machine-Type Communications(MTC)UEs based on LTE。参考文献[2]J.Gozalvez,”New 3GPP Standard for IoT[MobileRadio],”in IEEE Vehicular Technology Magazine,vol.11,no.1,pp.14-20,March2016。参考文献[3]S.Landstrm,J.Bergstrm,E.Westerberg,D.Hammarwall,”NB-IoT:Asustainable technology for connecting billions of devices”,in EricssonTechnology Review,vol.93,no.3,pp.2-11,April 2016。

为了扩大覆盖范围，NB-IoT***采用了两种链路自适应技术，即重复次数和传输块大小自适应选择。传输块大小选择是一种基于小尺度信道信息的自适应技术，它能够根据信道的变化在毫秒级别上快速的调整传输的调制和编码方式，进而改变每个传输块所包含的数据比特的数量。例如，当信道质量较差时，选择较低的调制级数和编码率，这将产生较小的传输块；而当信道质量较好时，可以选择较高的调制级数和编码率，进而产生较大的传输块。重复次数是指对原始数据进行重复，通过增加数据冗余来提高接收端的信噪比。与传输块大小的自适应选择不同，重复次数的自适应是一种更大时间尺度上的自适应技术，它会影响***的传输帧结构、导频***方式等，因此不能随小尺度信道进行快速调整。现有工业界中，重复次数的自适应是在不采用传输块大小自适应的前提下提出的，它只考虑网络的边缘信噪比，当边缘信噪比较低时则增加重复次数来降低误码率，而当边缘信噪比较高时则可以在保证误码率的前提下减少重复次数。

当同时考虑重复次数和传输块大小的自适应调整时，针对较低的边缘信噪比，除了可以通过增加重复次数来降低误码率，也可以采用减小传输块大小的方式，并且两者之间相互耦合；针对较高边缘信噪比的场景，这种耦合关系同样存在。此时，分离设计的重复次数和传输块大小自适应不再适用。

发明内容

本发明为解决NB-IoT在时变信道下，扩大上下行数据传输覆盖范围的问题，提出一种NB-IoT中重复次数与传输块大小联合的自适应选择方法。所述的自适应选择方法，包括如下步骤：

第一步，确定传输块大小的自适应门限。

第二步，确定重算次数的自适应门限。

第三步，实现重复次数的自适应。

第四步，实现传输块的自适应。

第五步，完成数据传输。

重复第三步至第四步，直到传输完成所有的数据。

本发明的优点在于：

针对任意给定的上行或下行时频资源分配，实现小时间尺度上的传输块大小自适应以及大时间尺度上的重复次数自适应的联合优化；与现有的两者分离设计相比，能够有效消除重复次数硬切换造成的吞吐量突降问题，显著提高***的传输速率。

附图说明

图1为本发明的NB-IoT中重复次数与传输块大小联合的自适应选择方法流程图。

图2为重复次数为1时下行数据信道的时序示例。

图3为重复次数自适应的仿真结果。

图4为信道吞吐量的仿真结果。

图5为重复次数硬切换的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提出的窄带物联网NB-IoT中重复次数与传输块大小TBS联合的自适应选择方法，如图1所示流程，包括以下几个步骤：

第一步，确定传输块大小的自适应门限。

给定NB-IoT***的上行或下行数据信道，在每一种可能的重复次数(记为r，且r的取值集合为R)下，采用蒙特卡洛仿真的方法，得到每一种传输块大小在加性白高斯信道下的传输误块率(Block error rate,BLER)与信噪比(SNR)的关系曲线，此传输块大小由TBS编号i和时频资源编号j在TBS表格中唯一确定，记为B_ij，i和j且两者的取值集合分别为I和J。进一步，针对传输块大小为B_ij的情况，得到BLER为10％时对应的SNR，表示重复次数为r，传输块大小为B_ij下对应的传输块大小的自适应门限，记为

单位是dB。

第二步，确定重算次数的自适应门限。

先固定分配的时频资源和重复次数，即固定r和j，每次仿真时，发送端的B_ij(i∈I)由等效信噪比SNR(等效SNR表示在BLER达到传输要求的前提下，最低的传输SNR)确定，方法为：当r和j固定时，选出第一步里所有

不大于等效SNR的值，得到所有满足条件的

对应的B_ij，从满足条件的B_ij中选出最大的值进行传输。等效SNR由接收端通过信道估计得到，反馈给发送端。统计传输正确的总比特数，除以总传输时间，得到吞吐量。改变SNR，继续进行仿真，得到重复次数r和时频资源j固定时吞吐量与SNR的变化关系曲线。接着改变重复次数r，继续重复上述过程，得到时频资源j固定时，不同重复次数对应的吞吐量与SNR的变化关系曲线。

得到不同重复次数下吞吐量与SNR的变化关系曲线之后，选择在每个SNR下吞吐量最大对应的重复次数作为该SNR下传输数据的最优重复次数。当SNR经过某些临界点值时，最优重复次数会改变，这些SNR的零界点就是重复次数的自适应门限，记为SR_jk，j表示时频资源的编号，k表示在时频资源固定时自适应门限的编号，且k的取值集合为K。

第三步，实现重复次数的自适应。

在实际传输数据的过程中，上行或者下行分配的时频资源j已知时，当实际传输信道的平均SNR已知时，根据重复次数的自适应门限SR_jk，可以得到SNR在某两个相邻的重复次数的自适应门限之间，即SR_jk≤SNR<SR_j(k+1)，进而可以唯一确定在此SNR下的最优重复次数，实现重复次数的自适应。

第四步，实现传输块大小的自适应。

确定数据传输使用的重复次数r之后，可以得到重复次数为r的传输块大小的自适应门限

的一个集合。再将根据接收端信道估计得到的等效SNR与

进行比较，选择所有不大于等效SNR的

对应的B_ij中，最大的一个B_ij值记为B'_ij用于实际传输。

第五步，完成数据传输。

重复第三步至第四步，直到传输完成所有的数据。

实施例

本发明提出了一种NB-IoT中重复次数与TBS联合的自适应选择方法，其流程图如图1所示。实例仿真使用matlab仿真平台，对本方法的实际效果进行仿真分析。

对于窄带物联网的下行数据传输，其TBS表格(即B_ij)如下表1所示：

表1下行数据信道的TBS表格

由上表1可知，集合I＝{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}，集合J＝{0,1,2,3,4,5,6,7}。

本仿真以下行数据传输为例，占用的子帧个数为3，即时频资源编号j＝2，重复次数的集合R＝{1,2,4,8,16,32}。一个子帧时域长度为1毫秒(ms)，根据NB-IoT标准[1]，其下行时序有如下限制：

(1)窄带下行控制信道(NPDCCH)传输完成之后需要间隔4ms再进行窄带下行数据信道(NPDSCH)的传输；

(2)窄带下行数据信道传输完成之后需要间隔12ms再进行携带ACK/NACK信息的上行控制信道(NPUCCH)的传输；

(3)上行控制信道传输完成之后至少间隔3ms才会继续进行下一个下行控制信道的传输；

(4)下行控制信道必须要在子帧编号为8的倍数的子帧上才能进行传输，否则进行需要等待，直到下一个子帧编号为8的倍数时再进行下行控制信道的传输。

此外，将下行控制信道的重复次数设为与下行数据信道的重复次数相同。重复次数为1时下行数据信道时序的示例如图2所示。图2中，SF表示子帧编号，BS表示基站，UE表示用户。根据以上原则，可以得到：

(1)当重复次数为1时，传输一次数据的时长为32ms；

(2)当重复次数为2时，传输一次数据的时长为32ms；

(3)当重复次数为4时，传输一次数据的时长为40ms；

(4)当重复次数为8时，传输一次数据的时长为56ms；

(5)当重复次数为16时，传输一次数据的时长为88ms；

(6)当重复次数为32时，传输一次数据的时长为152ms。

具体实施步骤如下：

步骤1，确定传输块大小的自适应门限。

时频资源标号j＝2固定，此时需要确定的自适应切换门限为

其中i＝{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}，r＝{1,2,4,8,16,32}，根据具体实施方式中的第一步，仿真得到所有的门限值

表2以r＝1为例，给出了所有的

值的结果，单位为dB。

表2 r＝1时的所有

值

步骤2，确定重算次数的自适应门限。

当得到

之后，可以根据具体实施方式中的第二步，确定相应的重算次数的自适应门限SR_jk。

图3横轴表示信噪比，纵轴表示吞吐量，从图中可以看出，重算次数的自适应门限SR_2k共有4个，分别为SR₂₁＝-3.7dB，SR₂₂＝-1.2dB，SR₂₃＝1.8dB，SR₂₄＝6.7dB。为了保证在不同SNR下吞吐量的最大化，当SNR小于SR₂₁时，最优重复次数为32；当SNR大于SR₂₁dB，小于SR₂₂dB时，最优重复次数为16；当SNR大于SR₂₂dB，小于SR₂₃dB时，最优重复次数为8；当SNR大于SR₂₃dB，小于SR₂₄dB时，最优重复次数为4；当SNR大于SR₂₄dB时，最优重复次数为2。

步骤3，完成所有数据的传输。

本步骤中，在每种信噪比下，进行一千次蒙特卡洛仿真，根据具体实施方式中的第三步和第四步，完成所有数据的传输。统计每种信噪比下的平均吞吐量，得到吞吐量随SNR变化的曲线如图4所示，重复次数硬切换的仿真结果如图5所示，对比可以看出，图4中的仿真曲线相比于图5中的仿真曲线，较为平滑。因而，重复次数和TBS联合优化的自适应传输技术与之前的重复次数硬切换相比，能够有效地解决吞吐量突降问题，可以充分利用资源进行数据传输。

Claims (1)

1.一种NB-IoT中重复次数与传输块大小联合的自适应选择方法，其特征在于：包括如下步骤，

第一步，确定传输块大小的自适应门限；

具体为，

给定NB-IoT***的上行或下行数据信道，在每一种可能的重复次数下，采用蒙特卡洛仿真的方法，得到每一种传输块大小在加性白高斯信道下的传输误块率与信噪比的关系曲线，此传输块大小由TBS编号i和时频资源编号j在TBS表格中唯一确定，记为B_ij，i和j且两者的取值集合分别为I和J；集合I＝{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}，集合J＝{0,1,2,3,4,5,6,7}；

所述的TBS表格为：

进一步，针对传输块大小为B_ij的情况，得到BLER为10％时对应的SNR，表示重复次数为r，传输块大小为B_ij下对应的传输块大小的自适应门限，记为

单位是dB；

第二步，确定重复次数的自适应门限；

具体为，

先固定分配的时频资源和重复次数，即固定r和j，每次仿真时，发送端的B_ij由等效信噪比SNR确定，方法为：当r和j固定时，选出第一步里所有

不大于等效SNR的值，得到所有满足条件的

对应的B_ij，从满足条件的B_ij中选出最大的值进行传输；等效SNR由接收端通过信道估计得到，反馈给发送端；统计传输正确的总比特数，除以总传输时间，得到吞吐量；改变SNR，继续进行仿真，得到重复次数r和时频资源j固定时吞吐量与SNR的变化关系曲线；接着改变重复次数r，继续重复上述过程，得到时频资源j固定时，不同重复次数对应的吞吐量与SNR的变化关系曲线；选择在每个SNR下吞吐量最大对应的重复次数作为该SNR下传输数据的最优重复次数，当SNR经过某些临界点值时，最优重复次数会改变，这些SNR的临界点值就是重复次数的自适应门限，记为SR_jk，j表示时频资源的编号，k表示在时频资源固定时自适应门限的编号，且k的取值集合为K；

第三步，实现重复次数的自适应；在实际传输数据的过程中，上行或者下行分配的时频资源j已知时，当实际传输信道的平均SNR已知时，根据重复次数的自适应门限SR_jk，得到SNR在某两个相邻的重复次数的自适应门限之间，即SR_jk≤SNR<SR_j(k+1)，进而唯一确定在此SNR下的最优重复次数，实现重复次数的自适应；

第四步，实现传输块的自适应；

具体为，

确定数据传输使用的重复次数r之后，得到重复次数为r的传输块大小的自适应门限

的一个集合，i∈I；再将根据接收端信道估计得到的等效SNR与

进行比较，选择所有不大于等效SNR的

对应的B_ij中，最大的一个B_ij值记为B'_ij用于实际传输；

第五步，完成数据传输；

重复第三步至第四步，直到传输完成所有的数据。

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