CN111669247A - 一种基于nbiot协议的终端物理层下行接收系统 - Google Patents

一种基于nbiot协议的终端物理层下行接收系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，应用于使用NBIOT协议的终端进行数据接收，包括小区搜索模块，用于对接收到的时域信号进行时间同步和频率同步，并获取小区ID；物理广播信道NPBCH解码模块，用于完成广播信道信息的解码，得到系统消息的MIB；物理下行控制信道NPDCCH解码模块，用于完成下行控制信息的接收；物理下行共享信道NPDSCH解码模块，用于完成单播业务数据、寻呼消息以及随机应答消息的接收。本发明提供的基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，可实现与基于NBIOT协议的网络进行通信，各模块都采用复杂度较低的算法进行实现，以低功耗为优化目标，保证了接收机的接收增益性能，满足了物联网设备低功耗和广覆盖的需求，有较强的实用性。

Description

一种基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统
技术领域
本发明涉及物联网通信技术领域，尤其涉及一种基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统。
背景技术
随着物联网技术浪潮的推动和普及，通信技术在满足传统的人与人之间的互联需求之外，不断发展以满足人与物之间的互联，甚至物与物之间的相连。目前已经出现了大量物与物之间的连接，然而这些连接大多通过蓝牙，wifi等短距通信技术承载，非运营商移动网络。事实上，传统的数据传输方式更适用于人与人之间的信息传输，而不是物与物之间的信息传输。为了满足不同物联网业务需求，根据物联网业务特征和移动通信网络特点，3GPP根据窄带业务应用场景开发NBIOT以适应蓬勃发展的物联网业务需求。
不同的物联网业务对数据传输能力和实时性都有着不同的要求。对于低功耗广域物联网，2G/3G/4G技术功耗大、成本高，不适用于大部分小型设备；蓝牙，wifi尽管功耗小，但穿透性差，信号覆盖范围有限，不能远距离传输。为满足物联网设备低功耗和广覆盖的需求，NBIOT作为一种低功耗广域网技术，可以帮助解决这方面的问题。
NBIOT是由我国华为技术有限公司主导，由3GPP定义的一项基于蜂窝网络的窄带物联网技术。它具有广覆盖，大连接，低功耗，低成本的特点，只消耗180KHz的带宽。其使用许可频段，采取带内，保护带或独立载波三种部署方式，可直接部署于GSM网络，UMTS网络或LTE网络，与现有网络共存。
3GPP协议规定NBIOT的终端下行支持180KHz带宽，采用15KHz的子载波间隔，多址方式为OFDMA，只支持FDD半双工，帧结构和物理资源单元与LTE设计相似，信道进行了简化，降低实现难度同时降低了基本信道的运算开销。
发明内容
本发明为解决终端物理层下行接收系统需应用于基于NBIOT协议的网络信息传输，以满足物联网设备低功耗和广覆盖的需求的问题，提供了一种基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统。
为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：
一种基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，应用于使用NBIOT协议的终端进行数据接收，包括：
小区搜索模块，用于对接收到的时域信号进行时间同步和频率同步，并获取小区ID；
物理广播信道NPBCH解码模块，用于完成广播信道信息的解码，得到系统消息的MIB(Master Information Block)；
物理下行控制信道NPDCCH解码模块，用于完成下行控制信息的接收；
物理下行共享信道NPDSCH解码模块，用于完成单播业务数据、寻呼消息以及随机应答消息的接收。
上述方案中，接收到的时域信号经过小区搜索模块处理，对信号进行同步，使终端可以确定系统的时间和频率信息，并获取小区ID；经过小区搜索模块后可获取下行帧的起始位置，并通过三个信道解码模块读取各个信道传输的信息，信道解码的顺序为NPBCH，NPDCCH，NPDSCH，从而实现基于NBIOT协议的网络信息传输。
优选的，所述小区搜索模块进一步用于：对接收到的时域信号用NPSS信号进行时间同步和频率同步，即对所述时域信号在低采样率下进行滑动自相关，找到滑动自相关结果的峰值，根据峰值进行频偏估计和补偿，确认NPSS信号的存在并定位到每帧的起始位置，进而找到第9号子帧中的NSSS信号；再通过所述NSSS信号获取小区ID。
优选的，所述小区搜索模块包括：
NPSS定时同步单元，用于对接收到的时域信号用NPSS信号进行时间同步；
频偏估计及补偿单元，用于对接收到的时域信号用NPSS信号进行频率同步以及进行频偏估计和补偿；
NSSS检测单元，基于所述NPSS定时同步单元、频偏估计及补偿单元的结果，通过NSSS信号获取小区ID。
优选的，所述小区搜索模块中，NPSS信号为：
Figure BDA0002490126140000021
其中u＝5，为ZC序列的根索引；s(l)为时域扩展码，值为s(l)＝{1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1},l＝0,1,......,10；NPSS映射在12个子载波中的前11个。
优选的，所述小区搜索模块中，NSSS信号的生成函数为：
Figure BDA0002490126140000031
其中第一项bq(m)是由128位hadamard序列构成的，q的取值为0,1,2,3；第二项exp(-j2πθfn)，
Figure BDA0002490126140000032
nf为帧的编号，0≤n≤131；第三项为
Figure BDA0002490126140000033
n`＝nmod131，m＝nmod128，u＝NID mod 126+3，
Figure BDA0002490126140000034
mod指取余，NID指小区ID，为正整数，0≤NID≤503。
优选的，所述NSSS检测单元进一步用于：
对所述时域信号从循环前缀的一个位置开始截取，得到与小数频偏信号相同长度的截取信号；
对所述截取信号进行时域到频域的变换，得到频域信号；
根据所述频域信号中的NPSS信号所在子帧的位置，确定NSSS信号在频域信号中所在子帧的位置，得到该频域信号中的实际NSSS信号，与本地的理想NSSS频域信号做互相关，得到当前小区ID。
优选的，所述物理广播信道NPBCH解码模块、物理下行控制信道NPDCCH解码模块及物理下行共享信道NPDSCH解码模块均依次用于信道估计，解资源映射，QPSK解调，解扰，解速率匹配，viterbi译码及CRC校验。
优选的，所述物理广播信道NPBCH解码模块及物理下行控制信道NPDCCH解码模块基于CRC-16算法，所述物理下行共享信道NPDSCH解码模块基于CRC-24A算法。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，可实现与基于NBIOT协议的网络进行通信。系统各个模块都采用复杂度较低的算法进行实现，以低功耗为优化目标，同时也保证了接收机的接收增益性能，满足了物联网设备低功耗和广覆盖的需求，有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明的系统总体结构示意图。
图2为本发明系统中小区搜索模块的结构示意图。
图3为本发明系统中各信道解码模块的结构示意图。
图4为NBIOT系统帧的结构示意图。
图5为NPSS信号和NSSS信号时域位置示意图。
图6位NBIOT中扰码序列产生示意图。
图7为NPBCH信道所携带信息示意图。
图8为下行控制信息DCI格式和相应功能示意图。
图9为NPDSCH重复传输方式示意图。
图10为基于本发明终端物理层下行接收系统的设备的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
一种基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，应用于使用NBIOT协议的终端进行数据接收，如图1所示，包括：
小区搜索模块1，用于对接收到的时域信号进行时间同步和频率同步，并获取小区ID；
物理广播信道NPBCH解码模块2，用于完成广播信道信息的解码，得到系统消息的MIB；
物理下行控制信道NPDCCH解码模块3，用于完成下行控制信息的接收；
物理下行共享信道NPDSCH解码模块4，用于完成单播业务数据、寻呼消息以及随机应答消息的接收。
本实施例的基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，对于接收到的时域信号，先经过小区搜索模块1处理，对信号进行时间和频率的同步，使终端可以确定系统的时间和频率信息，并获取小区ID；经过小区搜索模块1后可获取下行帧的起始位置，并依次通过物理广播信道NPBCH解码模块2、物理下行控制信道NPDCCH解码模块3和物理下行共享信道NPDSCH解码模块4三个信道解码模块读取各个信道传输的信息，从而实现基于NBIOT协议的网络信息传输。
实施例2
一种基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，应用于使用NBIOT协议的终端进行数据接收，如图1所示，包括：
小区搜索模块1，用于对接收到的时域信号进行时间同步和频率同步，并获取小区ID；
物理广播信道NPBCH解码模块2，用于完成广播信道信息的解码，得到系统消息的MIB；
物理下行控制信道NPDCCH解码模块3，用于完成下行控制信息的接收；
物理下行共享信道NPDSCH解码模块4，用于完成单播业务数据、寻呼消息以及随机应答消息的接收。
下面对本实施例中的各模块进行详细说明。
一、小区搜索模块1
小区搜索模块1的结构示意图如图2所示。在NBIOT的下行接收系统中，小区搜索主要通过检测信号帧的子帧中的NSSS信号来获取所接收信号的小区ID。如图4所示为一个NBIOT系统帧结构示意图，如图5所示为NPSS信号和NSSS信号时域位置的示意图。对从上一级经过ADC，滤波和去除白噪声后得到的时域信号用NPSS进行时间同步和频率同步，此时可以定位到每帧的起始位置。时频同步主要是对接收到的时域信号在低采样率下进行滑动自相关，找到滑动自相关结果的峰值，根据峰值进行频偏估计和补偿，确认NPSS信号的存在并定位到每帧的起始位置，进而找到第9号子帧中的NSSS信号。NSSS检测过程中，先从同步后的时域信号中截取NSSS，在去除每个OFDM符号的循环前缀，然后作FFT变换，得到NSSS的频域信号，之后与本地的理想NSSS频域信号做互相关，得到当前小区ID。在该模块中，设置以下三个单元以完成上述功能：
NPSS定时同步单元，用于对接收到的时域信号用NPSS信号进行时间同步；
频偏估计及补偿单元，用于对接收到的时域信号用NPSS信号进行频率同步以及进行频偏估计和补偿；
NSSS检测单元，基于所述NPSS定时同步单元、频偏估计及补偿单元的结果，通过NSSS信号获取小区ID。
其中，上述的NPSS信号为：
Figure BDA0002490126140000061
其中u＝5，为ZC序列的根索引；s(l)为时域扩展码，值为s(l)＝{1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1},l＝0,1,......,10；NPSS映射在12个子载波中的前11个。
其中，上述的NSSS信号的生成函数为：
Figure BDA0002490126140000062
其中第一项bq(m)是由128位hadamard序列构成的，q的取值为0,1,2,3；第二项exp(-j2πθfn)，
Figure BDA0002490126140000063
nf为帧的编号，0≤n≤131；第三项为
Figure BDA0002490126140000064
n`＝nmod131，m＝nmod128，u＝NID mod 126+3，
Figure BDA0002490126140000065
mod指取余，NID指小区ID，为正整数，0≤NID≤503。
NSSS检测单元进一步用于：
对所述时域信号从循环前缀的一个位置开始截取，得到与小数频偏信号相同长度的截取信号；
对所述截取信号进行时域到频域的变换，得到频域信号；
根据所述频域信号中的NPSS信号所在子帧的位置，确定NSSS信号在频域信号中所在子帧的位置，得到该频域信号中的实际NSSS信号，与本地的理想NSSS频域信号做互相关，得到当前小区ID。
二、物理广播信道NPBCH解码模块2、物理下行控制信道NPDCCH解码模块3及物理下行共享信道NPDSCH解码模块4
NBIOT信道对比LTE简化了很多，下行信道只有三个，分别是物理广播信道NPBCH，物理下行控制信道NPDCCH和物理下行共享信道NPDSCH。各信道解码模块的结构示意图如图3所示，三种信道在发送端的处理流程大致一样，所以在下行接收端的处理流程可以实现资源复用。NBIOT协议只支持QPSK调制，信道编码不同于LTE的turbo码，采用更低译码复杂度的咬尾卷积码(TBCC)。信道解调制模块采用QPSK的解调方式，其中解扰部分采用LTE中通用的扰码，NBIOT所有的加扰模块都是一样的，不一样的是它的加扰初始化状态，附图6为NBIO T中扰码序列产生示意图，x1序列的初始状态为x1(0)＝1,x1(n)＝0,n＝1,2,...,30,，x2序列的初始化为
Figure BDA0002490126140000071
信道译码使用维特比(Viterbi)译码，其中物理广播信道NPBCH和物理下行控制信道NPDCCH采用CRC-16，生成多项式为x16+x12+x5+1，物理下行共享信道NPDSCH采用CRC-24A，生成多项式为：
x24+x23+x18+x17+x14+x11+x10+x7+x6+x5+x4+x3+x+1。
物理广播信道NPBCH的传输周期或传输时间间隔是640ms，传输发生在每一个无线帧的第0号子帧中，占用后11个OFDM符号。NPBCH传输信息中只包含34bit大小的MIB(MasterInformation Block)，附图7为NPBCH信道所携带的信息。
物理下行控制信道NPDCCH主要负责传送下行控制信息DCI，NBIOT支持的DCI格式和相应功能如附图8所示。其中普通数据传输的DCI式为N1，传输块长度为23bits，在末尾加入16bits的CRC校验码后长39bits。
物理下行共享信道NPDSCH主要完成传输单播业务数据，寻呼消息以及随机接入应答消息，对其中具有较大传输大小的传输块，NPDSCH是按照子帧进行重复传输，具体过程如附图9所示。以子帧的方式重复有助于获取额外的符号级合并增益，从而能够改善NPDSCH的传输性能。SIB1(System Information Block)也是通过NPDSCH传输，它具有固定周期，为2560ms，在周期内可重复发送，重复次数通过MIB指示。SIB1固定在第4号子帧上发送，其消息内容为：
小区接入(cell access)和小区选择(cell selection)信息；
超帧(H-SFN)的高8位；
其他SIBs的调度信息；
DownlinkBitmap：用于指示下行传输的有效子帧，如果不配置，则终端默认除NPSS,NSSS,NPBCH和SIB1占用的子帧之外都是下行有效子帧。
在本实施例中，该基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统种使用128点FFT，子载波间隔为15KHz，基带采样率为15KHz*128＝1.92MHz,有效带宽是180KHz。CP长度为10个采样点(每个slot第一个OFDM符号)或者9个采样点(其他ODFM符号)。
实施例3
本实施例提供了一种基于上述终端物理层下行接收系统的设备，如图10所示，该设备包括控制器，计算模块和存储器；通过控制器来控制存储器与计算模块之间的数据流向，控制器与计算模块之间采用握手控制信号来使计算模块有序地进行运算。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，应用于使用NBIOT协议的终端进行数据接收，其特征在于，包括：
小区搜索模块，用于对接收到的时域信号进行时间同步和频率同步，并获取小区ID；
物理广播信道NPBCH解码模块，用于完成广播信道信息的解码，得到系统消息的MIB；
物理下行控制信道NPDCCH解码模块，用于完成下行控制信息的接收；
物理下行共享信道NPDSCH解码模块，用于完成单播业务数据、寻呼消息以及随机应答消息的接收。
2.根据权利要求1所述的基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，其特征在于，所述小区搜索模块进一步用于：对接收到的时域信号用NPSS信号进行时间同步和频率同步，即对所述时域信号在低采样率下进行滑动自相关，找到滑动自相关结果的峰值，根据峰值进行频偏估计和补偿，确认NPSS信号的存在并定位到每帧的起始位置，进而找到第9号子帧中的NSSS信号；再通过所述NSSS信号获取小区ID。
3.根据权利要求1所述的基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，其特征在于，所述小区搜索模块包括：
NPSS定时同步单元，用于对接收到的时域信号用NPSS信号进行时间同步；
频偏估计及补偿单元，用于对接收到的时域信号用NPSS信号进行频率同步以及进行频偏估计和补偿；
NSSS检测单元，基于所述NPSS定时同步单元、频偏估计及补偿单元的结果，通过NSSS信号获取小区ID。
4.根据权利要求3所述的基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，其特征在于，所述小区搜索模块中，NPSS信号为：
Figure FDA0002490126130000011
其中u＝5，为ZC序列的根索引；s(l)为时域扩展码，值为s(l)＝{1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1},l＝0,1,......,10；NPSS映射在12个子载波中的前11个。
5.根据权利要求4所述的基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，其特征在于，所述小区搜索模块中，NSSS信号的生成函数为：
Figure FDA0002490126130000021
其中第一项bq(m)是由128位hadamard序列构成的，q的取值为0,1,2,3；第二项exp(-j2πθfn)，
Figure FDA0002490126130000022
nf为帧的编号，0≤n≤131；第三项为
Figure FDA0002490126130000023
n`＝nmod131，m＝nmod128，u＝NID mod 126+3，
Figure FDA0002490126130000024
mod指取余，NID指小区ID，为正整数，0≤NID≤503。
6.根据权利要求5所述的基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，其特征在于，所述NSSS检测单元进一步用于：
对所述时域信号从循环前缀的一个位置开始截取，得到与小数频偏信号相同长度的截取信号；
对所述截取信号进行时域到频域的变换，得到频域信号；
根据所述频域信号中的NPSS信号所在子帧的位置，确定NSSS信号在频域信号中所在子帧的位置，得到该频域信号中的实际NSSS信号，与本地的理想NSSS频域信号做互相关，得到当前小区ID。
7.根据权利要求5所述的基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，其特征在于，所述物理广播信道NPBCH解码模块、物理下行控制信道NPDCCH解码模块及物理下行共享信道NPDSCH解码模块均依次用于信道估计，解资源映射，QPSK解调，解扰，解速率匹配，viterbi译码及CRC校验。
8.根据权利要求5所述的基于NBIOT协议的终端物理层下行接收系统，其特征在于，所述物理广播信道NPBCH解码模块及物理下行控制信道NPDCCH解码模块基于CRC-16算法，所述物理下行共享信道NPDSCH解码模块基于CRC-24A算法。
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