【5G之道】第二十章:用於大規模MTC應用的LTE

2020-10-09 14:00:30
LTE版本12中的MTC增強:

具有降低的資料速率能力的新UE類別、修改的半雙工操作和具有僅一個接收天線的裝置的可能性;還包含一種新的省電模式,降低裝置能耗;

資料速率能力和UE類別0:

版本12引入的新的、更低速率的UE型別,被標記為類別0;
對於UE類別0,對於上行鏈路和下行鏈路,該限制被設定為1000bit;

傳輸塊大小的1000bit限制僅對使用者資料傳輸;

類別0不包括對空間複用的支援;
類別0裝置必須支援全載波頻寬,即高達20MHz;

型別B半雙工操作:

版本12引入半雙工型別B,是專門針對類別0裝置;

半雙工型別B通過指定裝置不期望在上行鏈路子幀之前接收最後一個下行鏈路子幀,或者在上行鏈路子幀之後不接收第一個下行鏈路子幀;從而允許下行鏈路接收和上行鏈路傳輸之間大得多的空閒時間;

半雙工型別B允許在發射機和接收機之間更多的重用RF功能,降低類別0裝置複雜性;

具有單接收天線的裝置的可能性:

對於UE類別0裝置,效能要求使得它們可以在裝置側僅使用單個接收天線來實現;

省電模式:

功率節省模式PSM;

接入PSM類似於關閉電源,不同之處在於,裝置保持在網路中註冊,並且不需要重新連線或重新建立PDN(分組資料網路)連線;

已經進入PSM的裝置不能被網路連線,並且重新建立連線必須由裝置發起;

LTE版本13中MTC的增強:eMTC:

eMTC的主要增強:
允許進一步降低裝置成本;
擴充套件了低速率大規模MTC裝置的覆蓋範圍;
器件側的更窄RF頻寬;
對下行鏈路和上行鏈路進行大量重複;
擴充套件DRX。

將傳輸塊大小限制為1000bit,不支援空間複用,半雙工型別B操作以及在裝置側進行單天線接收的可能性對於版本13的eMTC也是有效的;

窄頻操作:

整個頻寬載波被分成多個窄頻,每個窄頻在頻域中包含6個資源塊;
在給定時刻,eMTC裝置只能在對應於單個窄頻,即6個連續資源塊的頻寬上進行傳送;

在給定時刻,eMTC裝置只能在對應於單個窄頻的頻寬上接收;
雖然eMTC裝置只能傳送/接收單個窄頻,但是裝置應該能夠在子幀之間切換窄頻;

假設在下行鏈路子幀之間的接收機重新調諧發生在子幀開始處的控制區域期間;

上行鏈路子幀之間發射機重新調諧的時間可以通過在重新調諧之前不傳送最後一個符號或在重新調諧之後不立即傳送第一個符號來達到;

通過重複的覆蓋增強:

為低速率MTC應用實現顯著擴充套件的覆蓋;

eMTC通過降低資料速率來擴充套件覆蓋範圍;關鍵任務是要確保:
可以以足夠的效率提供較低的資料速率;對於建立和保持連線所需的不同控制通道和訊號,有足夠覆蓋;

注意:
由於RF複雜性的原因,假設eMTC器件最大輸出功率限制為20dBm;
使用單天線接收意味著下行鏈路效能的損失,這種損失必須通過下行鏈路覆蓋增強來補償;
不同的LTE通道和訊號不完全平衡,因為它們沒有完全相同的覆蓋;
某些訊號和通道,僅在載波頻寬的一部分上傳輸,並且通常假設與其他傳輸共用整個基站功率;
擴充套件eMTC裝置覆蓋範圍的主要工具是使用多子幀重複;

eMTC的兩種覆蓋增強模式:
覆蓋增強模式A(CE模式A)針對相對適度的覆蓋增強;
覆蓋增強模式B(CE模式B)瞄準更廣泛的覆蓋增強。

CE模式B支援更多的重複次數;

CE模式A目的是補償由於eMTC裝置的單天線接收而導致的較低eMTC裝置輸出功率和劣化的接收機效能;
CE模式B提供全覆蓋擴充套件,直到達到比最大耦合損耗高15dB;

重複在連續子幀中進行;網路通過eMTC特定的系統資訊提供的點陣圖將某些子幀顯式的設定為不可用於重複(無效子幀);在FDD情況下,無效子幀的集合在下行鏈路和上行鏈路獨立的設定;

無效子幀的存在不會減少重複的次數,而是簡單的延長執行整個重複的時間;

CE模式A,可以設定為從Nhop=1(每個子幀間的跳頻)到Nhop=8(每8個子幀間的跳頻);CE模式B,可以設定為Nhop=2到Nhop=16;

跳頻時刻對於小區內的所有跳頻eMTC裝置是共同的,並且取決於絕對子幀號,這個絕對子幀號是從具有等於0的幀號SFN的幀中的第一子幀開始計數的;

跳頻塊長度Nhop和跳頻偏移是針對下行鏈路和上行鏈路單獨設定的小區特定引數,並且還分別針對CE模式A和CE模式B來設定;

下行鏈路傳輸:PDSCH和MPDCCH:

常規下行鏈路資料傳輸在PDSCH上執行,PDCCH提供相關聯的控制信令;在子幀 控制區域傳送PDCCH;

新的物理控制通道MPDCCH提供用於eMTC裝置的DCI;MPDCCH可以被看作是EPDCCH擴充套件以支援窄頻操作和通過重複覆蓋擴充套件;

對於eMTC裝置,PDSCH/MPDCCH傳輸的起始點是半靜態的,並且假定僅在非常慢的基礎上改變;

下行鏈路傳輸模式:

傳輸模式1、2、6、9適用於eMTC裝置;

由於eMTC裝置不支援多層傳輸,所以在eMTC的情況下,傳輸模式9限於單層預編碼;

PDSCH/MPDCCH重複:

應用於PDSCH的重複具有非常寬範圍的重複數;範圍從單次傳輸(Nrep=1)到2048次重複(Nrep=2048);PDSCH重複數基於半靜態設定和動態選擇的組合;

對於覆蓋增強模式,網路在小區級別上設定一組可能的重複次數,由CE模式A的4個不同值和CE模式B的8個不同值組成;

應用於MPDCCH傳輸的重複數基於每個傳輸的半靜態設定和動態選擇的組合;

網路設定來自集合{1,2,4,8,16,32,64,128,256}的MPDCCH重複的最大數Rmax,並將其廣播為eMTC特定的系統資訊的一部分;網路從集合{Rmax,Rmax/2,Rmax/4,Rmax/8}中動態的選擇用於特定MPDCCH傳輸的實際重複次數;

關於MPDCCH重複的數目的資訊在MPDCCH本身內承載;

PDSCH排程:

下行鏈路排程分配是子幀內部;意味著在某個子幀中PDCCH或EPDCCH上提供的排程分配對應於相同子幀中的PDSCH傳輸;

eMTC裝置的排程分配是子幀間;考慮到MPDCCH和PDSCH的重複可能性,在子幀n中結束的MPDCCH上的排程分配對應於在子幀n+2中開始的PDSCH傳輸;

為確定PDSCH傳輸開始的子幀,裝置必須知道對應的MPDCCH傳輸的最後一個子幀;

通過在EPDCCH上承載的一組新的DCI格式用於eMTC裝置的DCI;

DCI格式6-1A和格式6-1B用於排程PDSCH的傳輸;
DCI格式6-1A用於對在CE模式A中執行的裝置的排程分配;
CDI格式6-1B用於在CE模式B中執行的裝置的排程分配;

對於DCI格式6-1A,資源塊指示符由5bit組成,能夠指向窄頻的6個資源塊內的任何一組連續資源塊;
對於DCI格式6-1B,資源塊指示符由指示兩組連續資源塊的單個位元組成:
窄頻內的所有6個資源塊;資源塊0-3,即四個連續的資源塊;

CE模式A,可以通過排程分配中的跳頻標誌在每個傳輸的基礎上動態的禁用跳頻;
CE模式B,不能動態的禁用跳頻;

下行鏈路混合ARQ:

eMTC的下行鏈路HARQ是非同步自適應的;意味著網路可以在任何時間進行重傳,並且可以與先前的傳輸使用不同的頻率資源;

eMTC下行鏈路HARQ往返為10個子幀;

上行鏈路傳輸:PUSCH和PUCCH:

在PUSCH物理通道上執行常規上行鏈路資料傳輸,而通過PUCCH物理通道提供上行鏈路控制信令;

針對PUSCH和PUCCH的擴充套件覆蓋的重複的可能性;
具有自適應和非同步重傳混合ARQ的修改。

PUSCH的重複,網路設定一組可能的重複數,每個集合由CE模式A和CE模式B的4個和8個不同重複陣列成,然後,從設定的集合的4/8個值中,網路動態的選擇用於上行鏈路PUSCH傳輸的實際重複數目;

在重新調諧之前的最後一個子幀和重新調諧之後的第一個子幀中傳送PUSCH,則PUSCH子幀的兩個符號用於重新調諧;

PUSCH排程:

使用兩種新的DCI格式在MPDCCH上攜帶eMTC裝置的上行鏈路排程許可;

DCI格式6-0A用於對在CE模式A中操作的裝置的排程授權;包含DCI格式0類似資訊,還有PUSCH和MPDCCH重複相關的資訊擴充套件:
①允許動態啟用/禁用PUSCH跳頻的頻率標誌;
②非同步上行鏈路HARQ所需的HARQ程序號;
③排程的PUSCH的重複次數;
④MPDCCH傳輸的重複次數。

DCI格式6-0B用於對在CE模式B中操作的裝置的排程許可;

對於用於CE模式A的DCI格式6-0A,資源塊指示符由5bit組成,因此能指向窄頻的6個資源塊內的連續資源塊的任何組合;

對於用於CE模式B的DCI格式6-0B,資源塊指示符由8組連續資源塊的3bit組成,因此在可以分配的資源塊的組合中存在一些限制;

CE模式A的情況下,可以通過排程許可中的跳頻標誌來動態的禁用跳頻;

上行鏈路混合ARQ:

LTE上行鏈路混合ARQ是同步非自適應的;

1bit的混合ARQ確認在下行鏈路PHICH物理通道上傳送,在對於要確認的上行鏈路PUSCH傳輸的特定時刻傳送;

取決於檢測到的混合ARQ確認,在特定相對時刻,在先前傳輸之後的8個子幀處進行重傳;

在與原始傳輸相同的頻率資源上執行重傳;

由於PHICH是跨越整個載波頻寬的頻寬傳輸,所以其不能由窄頻eMTC裝置接收;

對於eMTC裝置,明確的排程上行鏈路重傳;eMTC上行鏈路重傳也是非同步的;

由於非同步HARQ,用於eMTC裝置的排程許可還包括HARQ過程指示符;
對於CE模式A,總共有8個HARQ過程;對於CE模式B,被限制為兩個HARQ過程;

PUCCH:

UCI,包括CSI報告、排程請求和混合ARQ確認,在PUCCH物理通道上承載;每個PUCCH傳輸覆蓋一個子幀,並且在頻率上位於載波的邊緣,在時隙上具有跳頻;

不是所有PUCCH格式都需要支援eMTC,在FDD情況下僅支援PUCCH格式1、1A和2;在TDD情況下支援PUCCH格式2A;

重複可用於PUCCH傳輸:
對於CE模式A,重複次數可以是1、2、4、8;
對於CE模式B,重複次數可以是4、8、16、32;
不能動態的改變PUCCH的重複數目;
在eMTC中PUCCH的跳頻是以Nhop個子幀的塊執行的;

上行功率控制:

eMTC裝置的上行功率控制與CE模式不同而不同:
1、在覆蓋擴充套件模式A情況下,上行功率控制基本上與非eMTC裝置相同;在eMTC裝置的情況下,在DCI格式6-0A(上行鏈路排程許可)和6-1A(下行鏈路排程分配)內提供功率控制命令;

2、在覆蓋擴充套件模式B的情況下,假定在最嚴重的傳播條件下使用的,對於PUCCH和PUSCH傳輸,發射功率總是被設定為最大的每載波傳輸功率

同步訊號和BCH:

LTE同步訊號PSS/SSS和PBCH被限制在載波中心的72個子載波內;

同步訊號對於eMTC裝置沒有改變,這些訊號在時間上不變化,可以通過使裝置在搜尋PSS/SSS是使裝置積累更長時間來實現擴充套件覆蓋;

編碼的BCH被對映到4個連續幀的第一個子幀,PBCH在第二時隙的前4個OFDM符號內傳送;在總共16個OFDM符號上傳送每個BCH傳輸塊;

為了擴充套件覆蓋,PBCH被重複因子5,每個BCH傳輸塊在總共80個OFDM符號上傳送;

對於FDD,子幀0的4個OFDM符號在子幀0中的5個附加符號和前一幀的子幀9的11個符號中重複,每個符號重複4次;對於TDD,PBCH同樣在子幀0和子幀5中傳送;

系統資訊塊:

MIB僅包含少量系統資訊,而系統資訊主要部分包括在不同的系統資訊塊SIB;

傳統SIB1可以具有超過6個資源塊的頻寬,並且由高達2216bit組成,因此不能被限制為1.4MHz頻寬和1000bit最大傳輸塊大小的eMTC裝置接收;因此引入了一個新的SIB1,稱為SIB1頻寬減少SIB1-BR;

SIB1-BR在6個資源塊上傳送,並且每80ms間隔重複多次;

對於SIB1-BR,在80ms週期期間,重複在時間上等間隔:
對於重複因子4,SIB1-BR每個第二幀在一個子幀中傳輸;
對於重複因子8,SIB1-BR每幀在一個子幀中傳輸;
對於重複因子16,SIB1-BR每幀在兩個子幀中傳輸。

SIB1-BR重複因子(4、8、16)和傳輸快大小(6種)的資訊包括在MIB種,使用原始10個備用位元中的5個;

隨機接入:

四步驟:
1、上行前導碼傳輸;
2、下行隨機接入響應;
3、行動端身份的上行傳輸;
4、爭用解決訊息的下行傳輸。

隨機接入資源由一個頻率塊組成,這個頻率塊對應於在一組子幀中出現的6個資源塊;每個小區中有一個PRACH設定定義:
①前導碼格式;
②用於PRACH傳輸的確切頻率資源;
③可以傳送PRACH的子幀的確切集合。

對於前導碼傳輸,裝置從可用前導碼集合中選擇前導碼並以指定的功率傳送;

對於eMTC裝置,可以定義多達4個不同的隨機接入CE級別,每個與其自己的PRACH設定和相應的PRACH資源相關;

每個CE級別還與一個特定重複數目相關聯,這個特定重複數目指示要用於前導碼傳輸的重複數目;

每個啟用的eMTC裝置設定有一個CE模式,會限制執行多少次重複,並且確定數目DCI格式是有效的;

CE模式A,如果最近的PRACH傳輸使用與CE級別0或1相關聯的資源;
CE模式B,如果最近的PRACH傳輸使用與CE級別2或3相關聯的資源。

擴充套件DRX:

第一個版本,DRX週期被限制在256幀或2.56s;

在擴充套件的DRX中,對於處於連線狀態的裝置,DRX週期可以擴充套件到對應於10.24s的1024個幀;對於空閒狀態的裝置,DRX週期可以擴充套件到對應於2621.44s的262144幀;

窄頻物聯網(NB-IoT):

NB-IoT的關鍵要求是它應該是真正的窄頻,RF頻寬在200KHz或更小,以便能在逐個載波的基礎上用NB-IoT載波替換GSM載波;

要求NB-IoT除了能夠部署在LTE保護頻帶之外,還應該能夠在LTE載波內高效共存;

NB-IoT下行鏈路應當具有與LTE對準的物理層結構,具有15KHz的子載波間隔的OFDM;

NB-IoT部署模式:

三種NB-IoT部署模式:
在自己的頻譜中部署,獨立部署;
部署在LTE載波的保護頻段內,保護頻帶部署;
在LTE載波內部署,帶內部署。

下行資料傳輸:

在下行鏈路NB-IoT具有15KHz的子載波間隔和與LTE相同的基本時域結構;
每個NB-IoT載波由12個子載波組成;每個NB-IoT載波對應於頻域中的單個LTE資源塊;

在獨立和保護頻帶部署下,整個資源塊可用於NB-IoT傳輸;

在帶內部署下,NB-IoT傳輸將避免把NB-IoT載波部署在LTE載波的控制區域;

帶內NB-IoT載波上的傳輸還應該避免使用部署了NB-IoT載波的LTE載波上的CRS傳輸相對應的資源元素;

NB-IoT下行資料傳輸基於兩個通道:
攜帶排程訊息的窄頻PDCCH(NDPCCH);
承載實際下行鏈路傳輸通道資料的窄頻PDSCH(NPDSCH)。

NB-IoT的下行鏈路排程分配是子幀間排程;

用於下行鏈路資料的通道編碼使用與LTE的下行鏈路控制信令中相同的尾位元折積碼,可降低通道解碼複雜度;NB-IoT下行鏈路調變限於QPSK;

NB-IoT支援一個或兩個天線埠進行傳輸;在2天線埠情況下,使用LTE傳輸模式2;

上行傳輸:

兩種模式:
基於15KHz子載波間隔的一種模式;
基於3.75KHz子載波間隔的一種模式。

15KHz,上行鏈路傳輸可以在1、3、6、12個子載波上執行,其中在12個子載波上的傳輸對應於完整的NB-IoT載波頻寬;
12個子載波上傳輸時,時域中的最小排程粒度為1ms;

在3.75KHz子載波間隔的情況下,在NB-IoT上行鏈路頻寬內可以有48個子載波,每個上行鏈路傳輸僅由單個子載波組成;因此,3.75KHz上行鏈路模式僅支援非常低的上行鏈路資料速率;
3.75KHz的上行模式,時域排程粒度是16個時隙或32ms;

NDPCCH傳輸與對應上行傳輸之間的時間偏移可以動態的變化;

對於NB-IoT,用於UL-SCH的通道編碼,使用與LTE相同的Turbo編碼;

在多個子載波上傳輸的情況下,上線鏈路調變基於QPSK,單個子載波傳輸情況下,調變可使用Π/4-QPSK或Π/2-QPSK;

在調變之後,使用與LTE上行鏈路相同的DFT預編碼,單個子載波傳輸,DFT無效;

NB-IoT相同資訊:

NB-IoT系統資訊兩部分:
MIB,在特殊物理通道NPBCH上傳輸;
SIB,基本上會與任何其他下行鏈路資料相同的方式傳送。

關於SIB1的排程資訊在MIB中提供;而在SIB1上提供剩餘SIB的排程資訊;

在每個幀的子幀0中傳送NPBCH,總共64個子幀上傳送,所以NPBCH的TTI為640ms;

NPBCH傳輸要:
避免子幀的前3個符號;
避免LTE CRS的可能位置。

可以使裝置在不知大NB-IoT載波是否部署在帶內的情況下檢測和解碼相應的系統資訊;