通过仿真加速NB-IoT产品开发

Simulation Speeds NB-IoT Product Development

Takao Inoue和David Vye，AWR Group, NI, El Segundo, Calif.

来自技术市场研究公司Gartner的分析师预测，到2020年，将有超过260亿台设备（不包括智能手机、平板电脑和计算机）连接到物联网（IoT）。这么庞大的设备连接数量将需要现有无线网络的大量支持。在经过第三代合作伙伴计划（3GPP）标准化的移动物联网（MIoT）技术中，窄带IoT（NB-IoT）是最有前景的低功率广域网（LPWAN）无线电技术，可允许使用蜂窝电信频段的各种设备和服务相互连接（图1）。

图1. 网络技术世界

本文概述了NB-IoT的需求、NB-IoT与LTE的异同以及由此带来的组件开发挑战，同时演示了如何使用NI AWR Design Environment，尤其是Visual System Simulator（VSS）系统设计软件等仿真工具进行系统分析和设计。本文还介绍了VSS测试平台示例，包括在与LTE信号相同的频带和LTE信号的保护频带内工作的NB-IoT信号。

系统要求

在版本13中，3GPP为MIoT应用指定了新的无线电空口，该标准侧重于更高室内覆盖率、低成本设备（每个模块低于5美元）、长电池寿命（超过10年）、大规模连接（每个单元大约50,000个连接设备）和低延迟（少于10ms）。NB-IoT将使运营商能够将其无线服务扩展到智能计量和跟踪等应用，并有助于实现“智慧城市”和电子卫生保健基础设施等新兴应用。NB-IoT将基于现有移动网络高效地连接这些设备，并安全可靠地加入少量偶发双向数据。该标准中的下行链路和上行链路使用了180kHz的用户设备（UE）带宽，可以在三种不同的部署模式下运行。这些模式（图2）包括：

• 独立运营，GSM运营商使用NB-IoT替代200kHz GSM载波，在GSM EDGE无线接入网（GERAN）等系统中重新规划专用频谱。这是可能实现的，因为GSM载波带宽和NB-IoT带宽（包括保护带）都是200kHz。

• LTE运营商内部的NB-IoT，运营商将其中一个180kHz物理资源块（PRB）分配给NB-IoT。NB-IoT空口经过优化，可以与LTE和谐共存，而不会影响其性能。

• 保护带部署，利用LTE运营商保护带内未使用的资源块（RB）。

图2. NB-IoT的部署模式：独立GSM (a)、带内LTE (b)和保护带LTE (c)。

表1列出了NB-IoT的规格，与现有蜂窝技术的规格大不相同。蜂窝技术以减少设备电池寿命为代价来实现高带宽、高数据速率和低延迟，而物联网需要大量的数据传输，但数据速率显着降低、覆盖范围大、设备电池寿命长。虽然LTE使用大于1.4MHz的带宽，但IoT通信有kHz带宽足以。鉴于这些差异，将现有的GSM和LTE系统用于物联网会浪费频谱和数据速率。3.75kHz等窄带信道的引入使LTE传统的15kHz子载波间隔中的连接数量增加了四倍。设备成本是移动设备与NB-IoT应用之间另一个差异因素，移动设备用于传输语音、消息和高速数据，而NB-IoT应用需要低速而可靠的数据传输。许多NB-IoT应用要求设备价格尽可能低，而且还需要考虑安装和潜在的盗窃风险。

NB-IoT将大量利用LTE技术，包括下行正交频分多址（OFDMA）、上行单载波频分多址（SC-FDMA）、信道编码、速率匹配和交织。这可帮助LTE设备和软件供应商缩短制定NB-IoT规格和开发相关产品的时间。然而，开发强大、低成本和高功效的物联网设备来处理大面积覆盖范围内的低数据速率与针对蜂窝系统的不同系统要求而进行相应的组件设计工作是背道而驰的。如下例所示，RF系统仿真可以帮助解决这些挑战，并支持与NB-IoT和LTE信号共存的UE模块、天线、RF前端和无线网络的设计和分析。

带内IoT仿真

图3所示的VSS项目模拟了LTE载波内的NB-IoT操作。NB-IoT上行链路信号配置为带内窄带物理上行链路共享信道（NPUSCH）format 1，并符合3GPP R13规范。在本例中，NB-IoT信号放置在LTE频带内未使用的RB中。VSS内的NB-IoT示例可帮助用户学习带内和保护带操作模式。

图3. NB-IoT带内上行链路模式的测试台

NB-IoT上行链路支持多频和单频传输。多频传输基于SC-FDMA，与LTE有相同的15kHz子载波间隔、0.5ms时隙和1ms子帧。SC-FDMA是OFDMA的常见替代方案，特别是在上行链路通信中。较低的峰均功率比（PAPR）大大提高了移动终端的发射功率效率，这延长了电池寿命并降低了功率放大器的成本。单频传输支持两个子载波间隔选项：15和3.75kHz。3.75kHz选项使用2ms时隙，并提供更强的覆盖，以到达有难度的位置，如信号强度可能受限的建筑物内部深处。15kHz选项与LTE完全相同，因此可以实现出色的共存性能。数据子载波使用π/2二进制相移键控（BPSK）和符号间相位连续性的π/4正交相移键控（QPSK）进行调制，这降低了PAPR，并使功率放大器能够更高效地工作（饱和状态）。资源单元的15kHz子载波数量可以是1、3、6或12，支持上行链路NB-IoT载波的单频和多频传输，总系统带宽为180kHz（最多12个15kHz子载波或48个3.75kHz子载波）。

NB-IoT上行物理信道包括窄带物理随机接入信道（NPRACH）和NPUSCH。由于传统的LTE PRACH需要1.08MHz的带宽，因此出现了NPRACH这种新信道来提供NB-IoT所需的180kHz上行链路带宽。在建立无线链路和调度请求时，随机接入提供了初始接入，负责实现上行同步，这对保持NB-IoT中的上行正交性非常重要。NPUSCH支持两种格式。Format 1传输的是上行数据，支持多频传输，使用相同的LTE Turbo码进行纠错。NPUSCH format 1的最大传输块大小为1000bits，远低于LTE。Format 2用于窄带物理下行链路共享信道（NPDSCH）的混合自动重传请求（HARQ）确认，并使用重复码进行纠错。这时，UE可以分配12、6或3个子载波。NB-IoT UE引入了6和3个子载波格式，由于覆盖限制，无法受益于更高的UE带宽分配。

图4显示了NPUSCH编码的VSS仿真。该子块生成伪随机二进制序列后，经过循环冗余校验（CRC），进行turbo编码和速率匹配，以实现上行链路LTE传输。编码器外的比特流进行子块交织。对于每个码字，物理上行链路共享信道上发送的所有比特在一个子帧内使用UE特定的加扰序列进行加扰，然后进行调制映射，调制映射由系统开发人员通过配置选项事先选择好。

图4. 使用VSS仿真的NPUSCH编码器

SC-FDMA可以解释为线性预编码OFDMA方案，因为其在常规OFDMA处理之前增加了一个离散傅里叶变换（DFT）处理步骤。变换预编码器执行DFT后，NPUSCH信道使用参考信号载波（单频或多频）进行多路复用，这个过程需要先将参考信号载波映像到合适的物理资源，然后再映射到正交频分复用（OFDM）符号和时隙的每一帧。与OFDMA类似，SC-FDMA通过添加循环前缀（CP）作为保护间隔来分割传输带宽。然而，在SC-FDMA中，数据符号并不像OFDMA那样会独立地直接分配给每个子载波。相反，分配给每个子载波的信号是在同一时刻发送的所有调制数据码元的线性组合。SC-FDMA传输与OFDMA传输之间的差异是子载波映射之前多出一个DFT块。

使用一组类似的块来生成LTE信号，然后将其与NB-IoT波形组合，通过加性高斯白噪声（AWGN）信道后，最终在NB-IoT UL接收机中进行物理上行链路共享信道（PUSCH）信号解调和解码。对于组件和系统设计人员，AWGN信道模型可以替换为不同的信道模型或待测设备（DUT）。

该带内仿真中的测试平台已经配置为监视链路中各个点的Tx信号频谱（图5）、出现LTE UL信号时的NB-IoT链路性能、发射和解调信号的I/Q星座图、误码率（BER）（图6）、误块率（BLER）、吞吐量（图7）和每个块的CRC误差。

图5. 带内模式下的NB-IoT和LTE频谱

图6. NB-IoT信号的仿真BER通过AWGN信道模型

图7. 带内NB-IoT模式下的仿真吞吐量率

保护带NB-IoT仿真

这里有一个相关的例子演示了LTE信号保护带内的NB-IoT操作。该项目与前面的例子基本相同，只是对NB-IoT RB位置进行了简单的更改。对于保护带操作，NB-IoT RB设置为大于零或大于N_RB_UL（上限），以分别在较低或较高的保护频带内操作。将NB-IoT RB设置在上下限之间的任何值即可进行带内操作。图8所示的是在保护带模式下工作的NB-IoT信道的频谱。

图8. 保护带模式的NB-IoT和LTE频段

如前所述，前端模块、功率放大器和天线设计可以添加到AWGN信道模型中，或者替代AWGN信道模型，AWGN信道模型用作DUT的占位符。图9显示的是放置于UL发射器和接收器之间的放大器。仿真使设计人员能够扫描输入功率等各种参数，或切换不同的NB-IoT子载波调制方案（π/2 BPSK或π/4 QPSK）来研究它们对误差矢量幅度（EVM）等性能的影响。

图9. 具有功率放大器（a）和保护带模式频谱（b）的测试台。

结论

3GPP R13中规定的NB-IoT标准利用现有的LTE网络来支持未来的低成本物联网设备生态系统。尽管由于较低的数据速率而使用性能要求较为宽松的现有LTE基础设施有助于解决部分设计挑战，但对于低成本、更宽覆盖区域和更长电池寿命以及持续可达性的需求确实带来了一些难以实现的要求。VSS和其它系统仿真工具通过模拟投产前(pre-silicon)设计来辅助NB-IoT系统开发，节省了将这些新产品推向市场的宝贵时间和精力。