CN111699719B - Nb-iot设备中广播信道接收的改进 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在小区获取阶段提高窄带物联网(NB‑IoT)用户设备(UE)中的窄带物理广播信道(NPBCH)接收的可靠性的方法。本发明的目的是改进现有的NPBCH接收过程，以实现较低的码率，并因此解决eNodeB与UE之间的更可靠的传输。UE对至少第一组64个NPBCH子帧和第二组64个NPBCH子帧进行接收、解扰和解速率匹配，使用系统帧号的四个最高有效位作为计数器，以及使用修饰符序列{m}，将该修饰符序列{m}应用于第一组64个NPBCH子帧，然后组合这两个组，从所组合的NPBCH子帧中解码并且提取主信息块，并且如果找到匹配项，则UE附着到该小区。

Description

NB-IOT设备中广播信道接收的改进

技术领域

本发明公开了一种在小区获取阶段提高窄带物联网(narrowband internet-of-things，NB-IoT)用户设备(UE)中窄带物理广播信道(NPBCH)接收的可靠性的方法。UE接收一组64个编码的NPBCH子帧以便将自身附着到该小区，该组64个NPBCH子帧包括主信息块(master information block，MIB)，该主信息块包括小区配置和小区时间信息以及系统帧号的四个最高有效位，该系统帧号的最高有效位每64个NPBCH子帧增加一次。

背景技术

目前正在为例如物联网(internet-of-things，IoT)开发新的市场和技术；出现了新的应用，例如经由蜂窝网络从建筑物外部自动抄表。

一方面，这种应用要求增加蜂窝网络的覆盖范围。网络的覆盖范围定义了网络基站可以与用户设备(user equipment，UE)进行通信的地理区域。该网络分布在称为小区的陆地区域上，每个小区由至少一个固定位置的收发器提供服务，但更通常的是由三个小区站点或基站提供服务。这些基站为小区提供可用于语音、数据和其他传输的网络覆盖范围。小区通常使用与相邻小区不同的频率或代码集合，以避免或减轻干扰并在每个小区内提供有保证的服务质量。另一方面，网络运营商不愿意花费太多频谱作为高价值资源，并且设备制造商希望降低这种可能大量生产的IoT设备的成本。

为了满足这些要求，目前开发了窄带IoT(narrow-band internet-of-things，NB-IoT)标准作为长期演进(long-term evolution，LTE)标准的衍生，其中最大带宽与其他蜂窝系统相比非常小。

为了在受到系统带宽的严格限制的约束同时实现高覆盖范围，重复和组合被广泛部署贯彻于NB-IoT标准。重复和组合是一种广泛使用的技术，其中信号或信息在发送器侧重复。这允许接收器例如在对某个信道中传送的信号的检测或对信息的解码期间，组合所接收的信号或信息以得到更可靠的结果。

具有重复的传输的一种特性是所谓的码率，即每次传输的信息比特数与被传输的信道比特数之比。信息比特被理解为携带有关小区配置的基本信息的比特。信道比特被理解为携带编码形式的信息的比特，所述比特然后被使用已知的调制方案(如QPSK)映射到物理信道。码率越低，传输变得越可靠。原因是重复的信息越多，接收者可以正确地接收信息的可能性就越大。

在现有技术的蜂窝通信系统中，网络的基站(eNB)广播各种信号和信道，这些信号和信道允许终端用户设备(UE)检测小区的存在并在附着到该小区之前获得有关小区配置的基本信息。

在NB-IoT标准中，在NB主同步信道(NB primary synchronization channel，NPSS)和辅助同步信道(NB secondary synchronization channel，NSSS)中发信号通知小区的存在以及第一小区参数。这两个信道都具有已知的长度和固定的相当短的传输周期。设备使用NPSS在时间和频率上实现与NB-IoT小区的同步。

在第一步中，UE获取这些信道(NPSS和NSSS)以与小区同步。两个信道都被设计为，即使在实际实现中，来自各个传输的接收信号可以在任意数量的周期内被组合。在实际实现中意味着用户在一段时间之后期望得到搜索结果或响应，而“任意”则意味着“无限”，这意味着设备将永远组合而不会返回结果。也可能是更高层超时设置限制了最大可用时间。UE同步的可靠性受设计限制，这意味着由于3GPP定义，某些限制可能已经应用。在现有技术中，相同的信息仅发送64次，然后UE不能进行更多的组合，组合受到设计的限制。

在下一步中，UE必须接收和解码NB物理广播信道(NB physical broadcastchannel，NPBCH)。NPBCH是经过正交相移键控(quadrature phase shift keying，QPSK)调制的，并携带窄带主信息块MIB-NB信息。该MIB包括比特集合形式的各种小区配置和某些小区时间信息，这意味着它包含34个比特(图1)，并在64个帧上传输。MIB-NB被分为8个块，每个块在一个帧的第一个子帧(Subframe，SF#0)上传输，并在随后的7个帧中重复。它还包含系统帧号(system frame number，SFN)的四个最高有效位。系统帧号被认为是系统帧的索引，即逻辑单元时间的一部分。

如上所述，NPBCH由基站(eNB)在每个系统帧的10个子帧的一个中定期发送。NPBCH子帧被重复8次，而信息比特对于64个连续传输保持不变，并因此在640ms传输时间间隔(transmission time interval，TTI)内也保持不变。通过使用有限数量的假设，UE可以分别将这8个块与8个单独的传输组合在一起，以解码主信息块。假设是关于实际小区定时的假定，目前尚不完全了解。产生的码率是1/256～4*10^-3，这意味着每次传输将发送与一个信息比特相关的256个信道比特。由于MIB中的SFN比特在64个SFN之后改变，所以没有预见到进一步的组合，即超过64个连续NPBCH子帧的进一步的组合。

eNodeB与UE之间的其他传输，例如单播传输，即专用于单独UE的数据传输，可以被配置具有低至4*10^-5的码率，这比NPBCH接收要可靠得多。因此，整个系统的性能可能会受到NPBCH接收性能的限制。

根据3GPP标准可知，在NB IoT网络中，UE必须同步到一小区并在附着到该小区之前获取基本系统信息。窄带物理广播信道(Narrowband physical broadcast channel，NPBCH)的接收是系统获取过程的一部分。作为NPBCH有效载荷的主信息块(masterinformation block，MIB)长34比特，并且携带其他配置参数中的SFN的4个最高有效位(most significant bit，MSB)作为MIB的前4比特b₀…b₃。

根据3GPP 36.212和36.211，在以下步骤中在发送器侧处理NPBCH：

1、16比特循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)的计算和附加，得到比特序列{c_i}→{c₀…c₄₉}＝{b₀…b₃₃，crc₀…crc₁₅}

2、具有咬尾比特的卷积编码，得到比特序列{e_i}→{e₀…e₁₄₉}

3、速率匹配

4、加扰

5、正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)映射

将更详细地说明这些步骤。

“CRC计算”指的是将有效载荷比特馈送到具有线性反馈的移位寄存器中以便创建校验和的过程，该校验和可用于确定所接收数据的正确性。该校验和通常附加到有效载荷比特序列。CRC表示循环冗余校验。

“卷积编码”指的是根据线性方案对有效载荷数据和附加的CRC比特进行编码；这分别在图3中示出。每个D代表一个比特的时延，每个

代表异或(xor)运算。两种操作都是线性的。对于NB-IoT中的NPBCH和其他信道的编码，使用具有1/3码率的编码方案，即，编码器的每个输入比特在编码器的输出中创建3比特。可以在接收器侧使用这种附加冗余来补偿所接收的信号中的信道失真和误差。

“速率匹配”描述了将所使用的码的基础码率(通常为1/3)适应于所需的冗余量，即所发送信号的保护等级的过程。此外，速率匹配用于将编码器输出比特流适应于由所发送信号的结构以细粒度方式给出的可用资源的数量。在速率匹配过程期间，在组合输出比特流时重复或省略个别比特，以分别获得更高或更低的冗余量。此外，NB-IoT中的速率匹配涉及一些交织，即交换比特位置以提高多样性。所有操作都是线性的。在接收器侧，所谓的解速率匹配涉及已经重复发送的比特的组合或者在实际传输中已经省略为零信息的比特位置的填充。

“加扰”描述了通过逐位异或运算将本地生成的伪随机比特序列应用于输入比特流的过程。这改善了所发送信号的统计，因为避免了“0”或“1”的长序列。此外，来自其他传输链路的干扰或对其他传输链路的干扰变得更像噪声，从而提高了在解码期间处理这种干扰的能力。

发送器和接收器都应用相同的伪随机序列，这取决于所选的假设，异或运算本身是线性的。

为了允许在极端条件下(例如，建筑物地下室中的高衰减)接收NPBCH，可以执行各种重复，UE可以收集并组合各种重复以成功解码在NPBCH中传送的基本小区信息。

UE接收由完全相同的比特流的内部重复和具有相同的NPBCH有效载荷但不同的加扰模式的外部重复组成的信号。在3GPP标准中，内部重复的次数是8。带8次内部重复的每8次外部重复，使得作为NPBCH的有效载荷的相同MIB总共重复64次，并且每第8个NPBCH子帧在NPBCH上具有不同的速率匹配和加扰模式。

在实际情况下，仅内部重复序列的起点是预先知道的。UE必须测试多达8个不同的假设，以得到外部重复的正确位置以及所有接收到的重复的建设性组合。

现有技术的UE利用内部重复以及已知的速率匹配和加扰假设在解码之前组合所有64个子帧。这在图4中示例性示出。

来自发送器侧(通常是基站)的编码信号必须由UE接收和解码，其中UE能够可靠地决定它是否可以附着到基站的那个小区。

发明内容

本发明的目的是改进现有的NPBCH接收过程，以实现较低的码率，并因此实现eNodeB与UE之间的更可靠的传输。

本发明的目的将通过一种用于在小区获取阶段提高窄带物联网(narrowbandinternet-of-things，NB-IoT)设备(UE)中广播信道(NPBCH)接收的可靠性的方法来解决。其中UE对至少第一组64个NPBCH子帧和第二组64个NPBCH子帧进行接收、解扰和解速率匹配，使用系统帧号的四个最高有效位作为计数器，以及使用修饰符序列{m}，将该修饰符序列{m}应用于第一组64个NPBCH子帧，然后组合这两个组，从所组合的NPBCH子帧中解码并且提取主信息块，并且如果找到匹配项，则UE附着到该小区。

在主信息块(master information block，MIB)中传送的系统帧号(system framenumber，SFN)的4个最高有效位(请参见图1)可以视为一个计数器，该计数器每64个NBPCH子帧增加一次。每当该计数器从奇数增加到偶数时，在不知道实际SFN的情况下不知道哪些比特会发生变化。但是，对于计数器从偶数递增到奇数的所有情况，计数器的最低有效位(lowest significant bit，LSB)从0变为1。所有其他发送的比特保持不变。

知道作为NPBCH有效载荷信息的主信息块(MIB)受16个循环冗余校验(cyclicredundancy check，CRC)比特的保护，并且由于SFN比特的位置和MIB的长度是已知的，因此单次比特跳变对CRC比特的影响是唯一确定的。从LSB的变化和相应的CRC的变化，也可以确定卷积编码器输出产生的变化。这与实际的MIB内容无关。

该模式被转换成修饰符序列{m}，该修饰符序列{m}被应用于一组64个NPBCH子帧，以使得能够与下一组接收的64个NPBCH子帧进行建设性组合。因此，可以组合128个连续的NPBCH接收而不是64个。

本发明方法的优点在于，可以收集128个NPBCH子帧而不是64个NPBCH子帧，并进行建设性地组合以在小区获取阶段获得小区配置和时间信息。相对于NPBCH/MIB接收，这将使覆盖范围提高3dB。

所提出的方法以及因此得到的编码信息的固定比特序列的组合方案可以在任何类型的广播信息的接收期间使用，其中小区配置信息大部分时间保持恒定，但是由于广播信息中包含小区时间信息，后续传输的直接组合受到了限制。前提条件是存在预先计算的修饰符矢量，即在不知道实际信息的情况下计算的修饰符矢量。此类广播信息的示例是NBIoT中的系统信息块1(system information block，SIB1)和LTE标准中的PBCH。

因此，更一般地，本发明的方法可以总结为，公开了一种用于提高通信标准中编码的、广播的小区配置信息接收的可靠性的方法，由于广播信息中包含小区时间信息，后续传输的直接组合受到限制，本发明的方法组合了两个连续的NPBCH块，其中广播的MIB在用信号通知小区定时的MIB码字部分中相差单个增量。为了将两个连续的MIB的NPBCH建设性地组合起来，本发明的方法使用了修饰符矢量，该修饰符矢量是在不知道实际信息的情况下通过对MIB进行编码而预先计算出来的，该MIB除了在MIB中的小区定时信息的最低有效位的位置处包含单个1外包含的均为0。

在本发明方法的优选实施例中，具有34比特(b₀…b₃₃)长度的标准化形式的MIB码字，四个最高有效位(b₀…b₃)被定义为系统帧号的四个最高有效位，并用作计数器，每当计数器从偶数增加到奇数时，只有计数器的最低有效位b₃从0变为1，产生仅一次比特跳变。

如上所述，该比特跳变在修饰符序列{m}中实现，因此允许组合128个NBPCH子帧而不是64个NBPCH子帧。

利用本发明的方法，设备可以自行决定多少组合是足够的。因此，与现有技术中相同的信息仅发送64次、然后UE不能进行更多的组合并因此使得组合受到设计的限制相比，UE同步的可靠性不受设计的限制。因此，在没有本发明的情况下，UE可以在1到64个组合的范围内决定，而在采用本发明的情况下，UE可以在1到128个组合的范围内决定。因此，使用的组合越多，UE的同步变得越可靠。

在本发明方法的另一优选实施例中，通过使用SFN比特中的一次比特跳变来预先计算修饰符序列{m}，{m}对于一种通信标准而言是固定的。

序列{m}应该预先进行预计算，因为在运行时进行的计算不会带来任何好处，而是会导致实际实现中更高的复杂性以及更高的功耗。

在本发明方法的一个实施例中，修饰符序列{m}通过执行以下步骤来计算：

-将除了b₃＝1以外比特b_i＝0(i＝0…33)的MIB馈送给CRC计算和附加过程，并且

-执行卷积编码过程，得到序列{e}，

-根据{m}＝(1-2*e_i)(i＝1…33)，将序列{e}映射到修饰符序列{m}。

在本发明方法的另一个实施例中，使用在相应标准中定义的用于编码的方程式来解析地确定修饰符序列{m}。

相应的标准意味着根据执行此方法的标准的限制和边界条件进行确定。

在接收期间，对两个各自包含64个NPBCH的独立块执行立即组合、解扰和解速率匹配。然后，将来自第一个块的解速率匹配的输出与序列{m}相乘，并与第二个块的解速率匹配的输出组合。将结果提供给解码器，执行CRC校验，如果成功，则在更高层上传递信息数据。

由于事先不知道SFN MSB计数器是已从偶数变为奇数还是从奇数变为偶数，优选的是由UE接收多达三组的每组64个NPBCH子帧，表示为G(j)，其中j＝0、1、2，以便检测两个组{G(0)，G(1)}或{G(1)，G(2)}之一之间的系统帧号的最高有效位中的比特跳变。随着系统帧号的MSB每64个子帧增加一次，{G(0)，G(1)}对和{G(1)，G(2)}对中的一个将显示所期望的从偶数到奇数的计数器增量。

在本发明方法的另一实施例中，假设已经发生一次比特跳变，则在第一组的接收期间已经执行了对所修饰的第一组64个NPBCH子帧的解码。在接收第一组64个NPBCH子帧期间，已经考虑了跨SFN+64假设的组合。通常，预先不知道该组64个NPBCH子帧的起点。现有技术的UE分别接收8个集合的每集合8个NPBCH子帧，并尝试对组合的信号进行解码。如果解码不成功，则丢弃最早的集合，并接收新的集合。重复此滑动窗口过程，直到找到匹配项。由于接收的起点与8×8个NPBCH子帧的集合的传输起点不同步，因此在找到匹配项之前必须平均接收12个集合。

实现本发明方法的UE将在首先接收到的8个集合的每集合8个NPBCH子帧上尝试多达8个假设。如果NPBCH码字中的计数器从偶数变为奇数，则8个尝试之一将是成功的。因此，在8×8个NPBCH子帧的接收之后，NPBCH已经可以被成功地解码，这使得产生更少的功耗。

附图说明

将使用示例性实施例更详细地解释本发明。附图显示：

图1：主信息块，其四个最高有效位作为系统帧计数器；

图2：在发送器侧处理NPBCH的过程；

图3：卷积编码的示意图；

图4：将接收到一组NBPCH子帧的64个子帧与正确的定时假设相组合(现有技术)；

图5：具有修饰符序列{m}并解码128个NPBCH子帧的本发明方法；和

图6：用于在NPBCH传输周期的中间开始盲解码的a)现有技术的UE和b)扩展的新方法的滑动窗口方法。

具体实施方式

图5示出了在小区获取阶段用于提高窄带物联网(narrowband internet-of-things，NB-IoT)设备(UE)中的广播信道(NPBCH)接收的可靠性的发明方法。在接收期间，对两个各自包含64个NPBCH的独立块执行立即组合、解扰和解速率匹配。然后，将来自第一个块的解速率匹配的输出与序列{m}相乘，并与第二个块的解速率匹配的输出组合。将结果提供给解码器，并照常进行进一步处理。

图5仅描述了在NPBCH重复周期开始时开始收集的情况，其中MIB中的SFN对64取模为0(SFN mod 64＝0)。这里，所有接收的信息都可以被建设性地组合。因此，在解码之前可以组合的NPBCH传输的数量增加为2倍，即从64增加到128。这提供了3dB的理论性能增益或2的平方根倍的小区覆盖范围增加。

对于NPBCH周期的准确定时未知的实际情况，最坏的情况是在达到最大数量的建设性组合之前，必须接收15*8个附加NPBCH子帧。

在接收第一组64个NPBCH子帧期间，已经考虑了跨SFN+64假设的组合。通常，预先不知道该组64个NPBCH子帧的起点。现有技术的UE分别接收8个集合的每集合8个NPBCH子帧，并尝试对组合的信号进行解码(图6)。如果解码不成功，则丢弃最早的集合，并接收新的集合。重复此滑动窗口过程，直到找到匹配项。由于接收的起点与8×8个NPBCH子帧的集合的传输起点不同步，因此在找到匹配项之前必须平均接收12个集合。

实现本发明方案(图6)的UE将在首先接收的8个集合的每集合8个NPBCH子帧上尝试多达8个假设。如果NPBCH码字中的计数器从偶数变为奇数，则8个尝试之一将是成功的。因此，在8×8个NPBCH子帧的接收之后，NPBCH已经可以被成功地解码，这使得产生更少的功耗。在图6中，以在NPBCH传输周期的中间开始盲解码的示例为例，示出了现有技术的UE(图6)和扩展的新方案(图6)的滑动窗口方法。

Claims (8)

1.一种用于在小区获取阶段提高窄带物联网NB-IoT用户设备UE中的窄带物理广播信道NPBCH接收的可靠性的方法，其中所述UE接收一组64个编码的NPBCH子帧以便将其自身附着到所述小区，其中所述一组64个NPBCH子帧包括主信息块MIB，所述MIB包括小区配置和小区时间信息以及系统帧号SFN的四个最高有效位，其中所述系统帧号的所述四个最高有效位每64个NPBCH子帧增加一次，其中，所述UE对至少第一组64个NPBCH子帧和第二组64个NPBCH子帧进行接收、解扰和解速率匹配，使用所述系统帧号的所述四个最高有效位作为计数器，以及使用修饰符序列{m}，将所述修饰符序列{m}应用于所述第一组64个NPBCH子帧，然后组合所述两个组，从所组合的NPBCH子帧中解码并且提取所述MIB，并且如果找到匹配项，则所述UE附着到所述小区；

其中MIB码字具有34比特(b₀…b₃₃)长度的标准化形式，四个最高有效位(b₀…b₃)被定义为所述系统帧号的四个最高有效位并用作所述计数器，每当所述计数器从偶数增加到奇数时，只有所述计数器的最低有效位b₃从0变为1，产生仅一次比特跳变；

其中所述修饰符序列{m}是利用所述系统帧号SFN比特中的所述一次比特跳变而预先计算的，{m}对于一种通信标准而言是固定的。

2.根据权利要求1所述的提高NPBCH接收的可靠性的方法，其中通过执行以下步骤来计算所述修饰符序列{m}：

-将除了b₃＝1以外比特b_i＝0(i＝0…33)的用于预先计算所述修饰符序列{m}的MIB馈送给循环冗余校验CRC计算和附加过程，并且

-执行卷积编码过程，得到序列{e}，

-根据{m}＝(1-2*e_i)(i＝1…33)，将所述序列{e}映射到所述修饰符序列{m}。

3.根据权利要求1所述的提高NPBCH接收的可靠性的方法，其中使用在相应标准中定义的用于编码的方程式来解析地确定所述修饰符序列{m}。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的提高NPBCH接收的可靠性的方法，其中所述UE接收多达三组的每组64个NPBCH子帧，表示为G(j)，其中j＝0、1、2，以便检测在两个组{G(0)，G(1)}或{G(1)，G(2)}之一之间的所述系统帧号的所述最高有效位中的比特跳变。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的提高NPBCH接收的可靠性的方法，其中假设已经发生所述一次比特跳变，则在所述第一组的接收期间已经执行了对所修饰的第一组的64个NPBCH子帧的解码。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的提高NPBCH接收的可靠性的方法，其中所述MIB在用信号通知小区定时的MIB码字部分中相差单个增量。

7.根据权利要求2所述的提高NPBCH接收的可靠性的方法，其中所述用于预先计算所述修饰符序列{m}的MIB除了在所述用于预先计算所述修饰符序列{m}的MIB中的小区定时信息的最低有效位的位置处包含单个1外包含的均为0。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的提高NPBCH接收的可靠性的方法，其中对所述第一组64个NPBCH子帧和所述第二组64个NPBCH子帧执行所述接收、所述解扰和所述解速率匹配后，将来自所述第一组64个NPBCH子帧的所述解速率匹配的输出与所述修饰符序列{m}相乘，并与所述第二组64个NPBCH子帧的所述解速率匹配的输出组合后，将结果提供给解码器。

Images