CN112219430B - 用于延长电池寿命的nb-iot ue中的物理层下行链路重复的预测接收方法 - Google Patents

用于延长电池寿命的nb-iot ue中的物理层下行链路重复的预测接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种NB‑IoT UE中的物理层下行链路重复的预测接收方法。本发明的目的是找到一种方法，该方法能够获得关于在物理层上传输的数据重复的接收的必要预测，以便延长物联网设备的电池寿命，这将通过一种NB‑IoT设备中的物理层下行链路重复的预测接收方法来实现，该方法包括以下步骤：通过应用冗余估计功能来估计成功接收当前编码和从基站到IoT设备的子帧速率匹配的下行链路传输中所需的重复子帧的预期数量，使用估计的重复子帧的预期数量作为重复接收控制功能的输入，其中该冗余估计功能和该重复接收控制功能之间的反馈回路用于细化和调整NB‑IoT中的物理层下行链路重复的预测接收。

Description

用于延长电池寿命的NB-IOT UE中的物理层下行链路重复的 预测接收方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月16日提交的申请号为18189303.3的欧洲专利申请的优先权，其通过引用整体结合在本申请中。
技术领域
本发明公开了一种窄带物联网UE中的物理层下行链路重复的预测接收方法。
背景技术
窄带物联网(NarrowBand Internet-of-Things,NB-IoT)是最近批准的用于基站(eNodeB)和用户设备(user equipment,UE)之间的无线接口的3GPP标准。该标准的目标是高效传输不频繁的小数据，电池寿命长达10年，扩展蜂窝网络的覆盖范围，支持一个单元内的大量设备以及低成本的低复杂度设备(见关于蜂窝物联网架构增强的3GPP TS 23.720研究)。
与移动电话相比，IoT设备的部署和移动特性更加多样化，因此，蜂窝覆盖方面的要求更高。当智能手机在地下室、隧道或其他信号挑战性位置失去网络连接时，用户移出该位置重新获取信号，带来不便。对于部署在这样一个信号挑战性位置的IoT设备，这会导致永久性的服务中断。
NB-IoT通过允许重新使用现有蜂窝网络基础设施来满足这些要求，以便从已经存在的蜂窝网络部署密度中受益。此外，与长期演进(Long Term Evolution,LTE)、宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access,WCDMA)或通用分组无线服务(GeneralPacket Radio Service,GPRS)相比，NB-IoT将链路预算增加了额外20dB的余量，以实现164dB的最大耦合损耗(maximum coupling loss,MCL)。
NB-IoT通过在下行链路中将系统带宽减小到200kHz并且在上行链路中将系统带宽减小达3.75kHz来接近164dB的MCL。另外，该标准在上行链路和下行链路中引入物理层信号的重复。它们允许在接收器进行符号级跟踪合并。符号级跟踪合并的意思是在将合并的软比特传递给解码器之前在缓冲器中累积重复的软比特。该重复与之前应用的物理层处理链内的(码率1/3)卷积编码互补。由于卷积编码具有比重复编码更高的编码增益，因此NB-IoT基站在开始增加重复次数之前首先在卷积码内分配更多冗余。随着重复次数增加，码率降低，因此传输变得可靠。
作为特征流量模式，IoT设备通常以不频繁的方式生成少量数据，周期性地或由外部事件触发。此时，设备激活(进入连接模式)并将数据报告给网络。与LTE相反，NB-IoT没有基于朝向基站的信道状态反馈来定义闭环链路自适应。由于IoT设备的调制解调器和网络之间的通信会话应该是短的，因此认为基站侧的链路质量的保守开环估计已经足够。另一方面，这也意味着可以预期块错误率(block error rate,BLER)操作点更加保守，即基站将提供比所需更多的冗余以便考虑估计错误以及超过由于系统带宽减少的较低频率分集。块错误率(BLER)操作点被理解为解码器中所需的信噪比(signal-to-noise-ratio,SNR)，其中漏检概率是可接受的。信噪比与冗余成正比。
在NB-IoT下行链路信道中，卷积编码和重复编码都串行连接。卷积编码是一种纠错机制，其通过线性组合由信息位提供的移位寄存器的内容来引入冗余位。重复编码是一种纠错编码技术，其通过多次重复信息位来引入冗余。在下行链路处理链内，MAC PDU(传输块，是指媒体访问控制层的协议数据单元(Protocol Data Unit of Medium AccessControl Layer))的比特是CRC附加的并用速率1/3卷积码编码，此后，根据资源分配对编码的比特进行速率匹配(也称为“速率匹配块”)。CRC是指“循环冗余校验(cyclic redundancycheck)”，并且是在数字网络和存储设备中常用的错误检测代码，用于对原始数据检测意外改变。进入这些系统的数据块基于其内容的多项式除法的余数得到附加的短检查值。在检索时，重复计算，并且如果检查值不匹配，则可以对数据损坏采取纠正措施。之所以称为CRC，是因为检查(数据验证)值是冗余(它在不添加信息的情况下扩展消息)并且算法基于循环码。
“速率匹配”描述了一种过程，其中所使用的代码的基码速率(通常为1/3)适应所需的冗余量，即发送信号的保护等级。此外，速率匹配用于使编码器输出比特流适应由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单个比特，以分别获得更高或更低的冗余量。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用零信息对实际传输中已经省略的比特位置的填充。速率匹配块包含校验和并且是可自解码的。
在进一步处理中，速率匹配块被加扰、调制、预编码并映射到1到10之间的限定数量的子帧。因此，“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。这改善了发送信号的统计，因为避免了‘0’或‘1’的长序列。此外，来自或到其他传输链路的干扰变得更像噪声，提高了在解码期间处理这种干扰的能力。
在图1的a)中，示出了速率匹配块到3个子帧的映射而没有重复的示例。
将速率匹配块输入到重复编码，如图1中的b)所示。如([R1-161878]-NB-PDSCH中的考虑因素)中所讨论的，重复被循环应用作为折衷以允许符号级跟踪合并以及提前终止。在一个周期内，来自速率匹配块的子帧在处理来自速率匹配块的下一个子帧之前重复多达四次。在每个周期之后，已经接收到来自速率匹配块的所有子帧，并且IoT设备的调制解调器可以尝试解码并验证校验和。在这种情况下，提前终止是指在接收到所有重复周期之前可以解码速率匹配块的事件。
在用例-在良好信道条件下重复接收-下行链路NB-IoT物理下行链路共享信道(NB-IoT physical downlink shared channel,NPDSCH)接收在图1中示出。未实现提前终止的IoT设备的调制解调器必须接收所有24个子帧，如图2所示。由于缺少信道状态反馈以及窄系统带宽，可以预期基站在冗余分配方面是保守的。因此，在良好的信道条件下，接收的子帧的数量可以通过提前终止而减少到12，如图2所示。利用现有技术的方法，不可能进一步减少要接收的子帧。
发明内容
因此，本发明的一个目的是找到一种方法，该方法能够获得关于在物理层上传输的数据重复的接收的必要预测，以便延长IoT设备的电池寿命，从而延长NB-IoT设备的生命周期。
本发明的目的将通过窄带物联网设备中的物理层下行链路重复的预测接收方法实现，该方法包括以下步骤：
通过应用冗余估计功能来估计成功接收当前编码和从基站到IoT设备的子帧速率匹配的下行链路传输中所需的重复子帧的预期数量，而该冗余估计功能使用在窄带物理下行链路控制信道(Narrowband Physical Downlink Control Channel,NPDCCH)中从所述基站发送到该用户设备的下行链路控制信息(downlink control information,DCI格式N1)，
使用估计的重复子帧的预期数量作为重复接收控制功能的输入，而该重复接收控制功能根据所述冗余估计功能调度并推迟该重复接收和该下行链路传输的解码尝试到达到预期成功概率的时间点，其中该冗余估计功能和该重复接收控制功能之间的反馈回路用于细化和调整NB-IoT中的物理层下行链路重复的预测接收。本发明方法由NB-IoT调制解调器执行。
预测接收的基本原理是基于冗余(码率)的估计来决定要接收的所需重复，以成功解码速率匹配块。换句话说，在由网络发信号通知的整体冗余通过利用重复码上的卷积码的较高编码增益来提供足够余量的情况下，预测接收有利于重复上的增量冗余。
通过估计成功接收所需的冗余(子帧重复的次数)，可以通过现有技术方法降低调制解调器的功耗。通过控制特定子帧的接收，可以进一步降低功耗。
在本发明的意义上，下行链路传输包括应该通过窄带物理下行链路共享信道(Narrowband physical downlink shared channel,NPDSCH)从基站发送到NB-IoT设备的全部数据，而NPDCCH指示对于哪个NB-IoT设备NPDSCH中有数据、在哪里可以找到它们以及它们重复的频率。最后，NPDCCH中还包含诸如寻呼或系统信息更新之类的附加信息。
预期成功概率是成功解码传输块的平均概率。
在本发明意义上的解码尝试是指尝试解码解扰、解调和卷积编码的软比特以获得具有应该发送的原始数据的传输块。
在本发明方法的实施例中，下行链路控制信息格式N1包括关于下行链路资源分配和重复次数的信息。DCI格式N1用于指示用户设备的下行链路调度信息。重复次数指的是下行链路控制信息(DCI)格式N1中的3比特字段，其指示速率匹配块的重复次数。
在本发明方法的另一实施例中，冗余估计功能具有对NB-IoT设备的操作状态的完全访问权，尤其是检索当前和过去的信道状态、用对数似然比(log likelihood ratio,LLR)表示的软缓冲状态。
冗余估计功能基于无线信道的观察以及下行链路资源分配。冗余估计功能确定成功接收当前下行链路传输所需的冗余。
因此，冗余估计功能的目的是估计成功接收单播NPDSCH传输所需的冗余级别。该功能的输入是关于在窄带物理下行链路控制信道(NPDCCH)中接收的下行链路控制信息(DCI格式N1)形式的下行链路资源分配和重复次数的信息。此外，该功能具有对调制解调器操作状态的完全访问权，例如，它可以检索当前和过去的信道状态(由调制解调器确定，它是NB-IoT设备的一部分)以及由对数似然比(LLR)表示的软缓冲状态。LLR表示软比特的可靠性。该功能输出成功解码NPDSCH要接收的重复子帧的预期数量。冗余估计功能的输入和输出如图3所示。
在不限制本发明的范围的情况下，为了说明的目的，在下面将给出用于冗余估计功能的两个示例。
在第一示例性实施例中，冗余估计功能以开环方式实现。开环方式是指在没有解码器反馈的情况下，在解码器之前估计成功解码所需的冗余级别。
在开环方式中，NB-IoT设备使用从基站接收的子帧和窄带参考符号(narrowbandreference symbol,NRS)来估计信号与干扰和噪声比(signal to interference andnoise ratio,SINR)，而估计的SINR和来自DCI的目标码率用于确定所需的重复子帧的数量。
可以使用作为传输介质的无线通信信道的信道质量估计以开环方式实现冗余估计。有几种方法可以估计信道质量。本文档中遵循的方法基于使用UE已知的NRS估计信号与干扰和噪声比(SINR)。在那种情况下，NB-IoT设备的调制解调器使用窄带参考符号(NRS)来估计信号与干扰和噪声比(SINR)。使用估计的SINR以及来自DCI的目标码率，可以采用基于表查找的方法来确定所需的重复次数(参见：Ahmadi，“LTE-Advanced,APractical SystemsApproach to Understanding the 3GPP LTE Releases 10and 11Radio AccessTechnologies”，Elsevier，2014，ISBN：978-0-12-405162-1)。开环方法具有低复杂性并且输出在解码过程中已经可用。
在第二示例性实施例中，冗余估计功能以闭环方式实现。闭环方式是指在通过使用解码器输出的软比特作为反馈完成解码过程之后估计所需的冗余级别。
在闭环方式中，UE使用其软缓冲器的软比特输出作为冗余估计功能的输入，而冗余估计功能的LLR评估器评估软比特输出并将其映射到相应的块错误率(block errorrate,BLER)。LLR评估器是根据每个比特的对数似然比(LLR)估计信号电平、估计误码率(bit error rate,BER)并且使用查找表(look-up table,LUT)将BER映射到给定块大小的相应的块错误率(BLER)的功能。块错误率被定义为错误解码块的数量与传输块的总数的比值。
在闭环功能内，接收器的软比特输出用作输入。闭环冗余估计功能的LLR评估器评估来自解码器的软比特输出并将其映射到相应的块错误率(BLER)(也参见：LTE-Advanced,APractical Systems Approach to Understanding the 3GPP LTE Releases 10and11Radio Access Technologies”，Elsevier，2014，ISBN：978-0-12-405162-1)。基于估计的块错误率，该功能决定对于速率匹配块的每个子帧接收的附加重复次数。闭环方法的输出稍后可用；但是，估计质量更高。
在本发明方法的另一实施例中，开环和闭环冗余估计功能可以组合成混合方法。
在本发明方法的另一个优选实施例中，对于重复接收控制功能，预定义阈值，在该阈值处进行第一次解码尝试。
重复接收控制功能作用于冗余估计功能的输入，并收集速率匹配块的每个子帧所需的重复次数。此外，它调度解码尝试并在解码不成功的情况下收集进一步的冗余。
通过重复的预测接收，在要接收的重复的调度中产生自由度，因为仅需要所有重复的子集。重复接收控制功能基于冗余估计功能的输入以有效的方式调度重复接收，以最小化射频(Radio Frequency,RF)重编程动作。两个功能之间存在反馈环，以逐步细化和适应。
此外，重复接收控制功能以高效方式调度包括校验和验证的维特比解码尝试。维特比解码是一种解码卷积码的方法，卷积码是其中一种。在本发明的范围中，可以仅限于术语解码器。它将第一次解码尝试推迟到由冗余估计功能确定的预期成功概率足够大的时间点。在不限制本发明的范围的情况下，基于阈值的方法是合适的，其中仅在预期成功概率超过预定阈值之后进行第一解码尝试。
总结本发明方法，可以说通过估计成功接收所需的冗余(子帧重复的次数)，可以通过现有技术方法降低NB-IoT设备的调制解调器的功耗。通过控制特定子帧的接收，可以进一步降低功耗。
附图说明
将使用示例性实施例更详细地解释本发明。
附图示出
图1NB-IoT NPDSCH中的重复模式(现有技术)；
图2预测重复接收与提前终止(现有技术)和使用本发明方法的用例(a)至(d)；
图3发明的冗余估计功能；
图4开环冗余估计功能；
图5闭环冗余估计功能；和
图6发明的重复接收控制功能。
具体实施方式
如上面解释和讨论的，图2示出了现有技术方法“完全接收”和“提前终止”。
在下文中，图2示出了几个用例(a)至(d)，其使用本发明的NPDSCH接收场景来说明所提出的预测接收的益处。
在图2所示的用例(a)中，NB-IoT设备的调制解调器检测到良好的信道条件，使得冗余估计功能决定接收速率匹配块的每个子帧(A,B,C)的单个传输。在NB-IoT设备的调制解调器侧不需要接收剩余的子帧(在图中以白色背景示出)。然而，取决于NB-IoT设备的调制解调器的实现方式，无线和/或基带的一些部分(如锁相环(Phase Locked Loop,PLL))可能需要保持供电以允许跨所有子帧的相位相干接收。
在用例(b)中，冗余估计功能找到稍差的无线信道，并因此决定接收速率匹配块的每个子帧的一个附加重复。在用例(a)和(b)中，所提出的方案将接收时间从24ms(或提前终止的12ms)分别减少到3ms和6ms。减少的接收时间降低了NB-IoT设备的调制解调器的功耗，并因此延长了设备(由此UE)的电池寿命。
重复接收控制功能决定以更有效的方式对所请求的子帧的接收进行分组，如图2的用例(c)中所示。与用例(b)相反，可以连续接收速率匹配块的B和C部分，确保有效节能。
使用所提出的冗余估计功能，NB-IoT设备的调制解调器现在具有对速率匹配块的第一次解码尝试的估计。如用例(d)所示，例如，冗余估计功能决定接收每个子帧的六次重复。在这种情况下，所提出的过程的另一个节能方案是重复接收控制功能将仅在已经接收到每个子帧的足够重复之后调度第一次解码尝试，而不是在第一次重复周期之后立即调度，因为这种早期尝试的成功概率被认为是低的。通过减少不成功的解码尝试的次数，NB-IoT设备的调制解调器可以额外节能。
以下图3至图6提供了关于所提出的过程的更多细节。
图3示出了作为本发明方法的一部分的冗余估计功能内的信息流。该功能的输入是关于在窄带物理下行链路控制信道(NPDCCH)中接收的下行链路控制信息(DCI格式N1)形式的下行链路资源分配和重复次数的信息。此外，该功能具有对NB-IoT设备的调制解调器操作状态的完全访问权，例如，它可以检索当前和过去的信道状态(由调制解调器确定)以及由对数似然比(LLR)表示的软缓冲状态。LLR表示软比特的可靠性。该功能输出成功解码NPDSCH要接收的重复子帧的预期数量。因此，冗余估计功能的目的是估计成功接收单播NPDSCH传输所需的冗余级别。
图4示出了使用信道质量估计的开环方式的冗余估计功能的第一示例。在那种情况下，NB-IoT设备的调制解调器使用窄带参考符号(NRS)来估计信号与干扰和噪声比(SINR)。使用估计的SINR以及来自DCI的目标码率，可以采用基于表查找的方法来确定所需的重复次数。开环方法具有低复杂度，并且输出在解码过程中已经可用。
图5示出了闭环方式的冗余估计功能的第二示例。在闭环功能中，接收器的软比特输出用作重复接收控制功能的输入。闭环冗余估计功能的LLR评估器评估来自解码器的软比特输出并将其映射到相应的块错误率(BLER)。基于估计的块错误率，该功能决定对于速率匹配块的每个子帧接收的附加重复次数。闭环方法的输出稍后可用；但是，估计质量更高。
可以将闭环和开环冗余估计组合成混合方法。
图6示出了本发明的重复接收控制功能。通过重复的预测接收，在要接收的重复的调度中产生自由度，因为仅需要所有重复的子集。重复接收控制功能基于冗余估计功能的输入以有效的方式调度重复接收，以最小化RF重编程动作。两个功能之间存在反馈循环，以逐步细化和适应。
此外，重复接收控制功能以高效方式调度包括校验和验证的维特比解码尝试。它将第一次解码尝试推迟到由冗余估计功能确定的预期成功概率足够大的时间点。在不限制本发明的范围的情况下，基于阈值的方法是合适的，其中仅在预期成功概率超过预定阈值之后进行第一解码尝试。
为了说明的目的，所提出的方法的所讨论的实施例使用初始混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat request,HARQ)传输的NPDSCH接收。然而，本发明的方法也可以应用于以下用例：
第一，单播NPDSCH的重传；如果在UE处发生解码失败并且向eNodeB报告否定确认(negative acknowledgement,NACK)，则重传是由eNodeB(基站)再次发送传输块的情况。
第二，寻呼用例：具有寻呼信道/寻呼控制信道(Paging Channel/Paging ControlChannel,PCH/PCCH)内容的NPDSCH；寻呼是下行链路数据等待UE并且网络将信息广播到小区的情况。UE周期性地监视寻呼信道以接收寻呼。
第三，SC-PTM多播；SC-PTM指的是用于多播传输的单小区点对多点(single cellpoint-to-multipoint)传输。NB-IoT系统可以使用SC-PTM服务来进行一组设备的固件更新。数据在NPDSCH中携带并由组无线网络临时标识(Group Radio Network TemporaryIdentifier,G-RNTI)识别。UE以与特定单播传输类似的方式接收数据，但是使用G-RNTI。

Claims (4)

1.窄带物联网NB-IoT用户设备UE中的物理层下行链路重复的预测接收方法，所述方法包括以下步骤：
通过应用冗余估计功能来估计成功接收当前编码和从基站到用户设备的子帧速率匹配的下行链路传输中所需的重复子帧的预期数量，所述冗余估计功能使用在窄带物理下行链路控制信道NPDCCH中从所述基站发送到所述用户设备的下行链路控制信息DCI格式N1；以及
使用估计的所述重复子帧的预期数量作为重复接收控制功能的输入，所述重复接收控制功能根据所述冗余估计功能调度并推迟所述重复接收和所述下行链路传输的解码尝试到达到预期成功概率的时间点；
其中所述冗余估计功能和所述重复接收控制功能之间的反馈回路用于细化和调整所述NB-IoT UE中的物理层下行链路重复的预测接收；
其中，
所述冗余估计功能以开环方式实现，在所述开环方式中，所述UE使用从所述基站接收的所述子帧和窄带参考符号NRS来估计信号与干扰和噪声比SINR，估计的所述SINR和来自所述DCI的目标码率用于确定所述所需的重复子帧的预期数量；或者
所述冗余估计功能以闭环方式实现，在所述闭环方式中，所述UE使用其软缓冲区的软比特输出作为所述冗余估计功能的输入，所述冗余估计功能的对数似然比LLR评估器评估所述软比特输出并将其映射到相应的块错误率BLER；或者
所述冗余估计功能采用组合开环方式和闭环方式的混合方法实现，其中，在所述开环方式中，所述UE使用从所述基站接收的所述子帧和窄带参考符号NRS来估计信号与干扰和噪声比SINR，估计的所述SINR和来自所述DCI的目标码率用于确定所述所需的重复子帧的预期数量；在所述闭环方式中，所述UE使用其软缓冲区的软比特输出作为所述冗余估计功能的输入，所述冗余估计功能的对数似然比LLR评估器评估所述软比特输出并将其映射到相应的块错误率BLER。
2.根据权利要求1所述的NB-IoT UE中的物理层下行链路重复的预测接收方法，其中所述DCI格式N1包括关于下行链路资源分配和重复次数的信息。
3.根据权利要求1所述的NB-IoT UE中的物理层下行链路重复的预测接收方法，其中所述冗余估计功能具有对所述UE的操作状态的完全访问权，所述操作状态包括检索当前和过去的信道状态、用LLR表示的软缓冲状态。
4.根据权利要求1所述的NB-IoT UE中的物理层下行链路重复的预测接收方法，其中对于所述重复接收控制功能，预定义阈值，在所述阈值处进行第一次解码尝试。
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