《电子技术应用》

基于Massive MIMO的NB-IoT数据上行传输可行性分析

2017年电子技术应用第8期
张昌伟1,2,祁家榕1,郭永安2
(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院,江苏 南京210000;2.江苏省无线通信重点实验室,江苏 南京210003)
摘要: 验证了使用Massive MIMO技术传输NB-IoT信息的可行性。首先,对NB-IoT的现状、与LTE的不同之处以及在目前的发展过程中遇到的问题进行了总结;其次,对于Massive MIMO技术的信号传输流程、系统结构进行了解释;最后,通过仿真的方式证明了可以将Massive MIMO的技术用于NB-IoT,从而可以达到延长电池寿命、增强覆盖范围、增加支持的节点等目标。
中图分类号: TN929.53
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172764
中文引用格式: 张昌伟,祁家榕,郭永安. 基于Massive MIMO的NB-IoT数据上行传输可行性分析[J].电子技术应用,2017,
43(8):8-11.
英文引用格式: Zhang Changwei,Qi Jiarong,Guo Yongan. Feasibility analysis of NB-IoT uplink data transmission based on Massive MIMO[J].Application of Electronic Technique,2017,43(8):8-11.

Feasibility analysis of NB-IoT uplink data transmission based on Massive MIMO

Zhang Changwei1,2,Qi Jiarong1,Guo Yongan2
(1.College of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210000,China; 2.Key Laboratory of Wireless Communication in Jiangsu Province,Nanjing 210003,China)
Abstract: In this paper, the feasibility of using Massive MIMO technology to transmit NB-IoT information is validated. First of all, this paper summarizes the current situation of NB-IoT, the difference with LTE and the problems encountered in the current development process. Secondly, the signal transmission process and system structure of Massive MIMO technology are explained. Finally, the experiments demonstrate that Massive MIMO technology can be used for NB-IoT by simulation to achieve the goal of extending battery life, increasing coverage, and increasing support for nodes.

0 引言

    在过去的数年内,物联网这一概念得到了极大的发展,物联网这一新兴的概念由于其极大的可扩展性和实用性正受到人们越来越多的关注[1]。在这种趋势下,未来所有的电子设备都将被纳入统一的网络中。在这样的网络社会中,人能够非常方便地接收外界的各种信息,个人或组织的生产力也将会被极大地激发出来[2]。在这样的环境中,物联网技术将会扮演至关重要的角色,因为物联网技术能够做到机器与机器(Machine to Machine,M2M)和机器与人的连接,可以极大地促进人类社会的发展。

    目前,有很多技术可以用于物联网信息的传输,蓝牙、无线局域网、红外等都是常见的成熟的信息传输方式,但是在很长一段时间,针对小数据、大连接的数据传输方式却没有受到足够的重视,而这种传输方式在未来确是十分重要的一种连接,在物联网社会中,包含了几大应用场景,包括智慧城市、工业自动化、智能交通、数字化医疗等。这些应用场景都需要有非常多数量的传感器连接,可能会比现有的节点数量高出2~3个数量级,在大规模部署时,单个节点的成本将会成为一种非常重要的考量因素,这也决定了出于成本的原因,物联网节点的运算性能、射频前端都不会很强大。与此同时,这些传感器产生的信息却是与现有节点产生的信息有很大不同,最典型的特征是小负载、周期性或事件驱动的流量。这些原因都导致了在现阶段物联网的大规模应用存在很大的难度。为了解决以上这些问题,3GPP组织专门针对这些特点发布了窄带物联网标准,即Rel-13[3]

    作为第五代移动通信(5G)的关键技术之一,大规模多输入多输出(Massive Multiple Input Multiple Output,Massive MIMO)技术正在慢慢变得成熟。有研究表明,当基站端天线数无限大时,快衰落和无关噪声产生的影响将会消失[4]。这样可以极大扩展整个小区可以同时服务的终端用户数。与单天线系统相比,多天线系统的频谱效率更高,能够在不降低数据传输速率的条件下降低发射功率,在发送端就可以使用更小的发射功率,节省由射频发射带来的能量消耗。其次,Massive MIMO对于发射节点的性能要求不严格,将大量的计算负载都集中到了基站端进行处理,这样有利于降低设备成本,有助于整个物联网行业的快速发展。

    目前,大部分的研究都是基于LTE网络的[5-7]。但是,LTE网络并不能支持数量庞大的物联网设备。为了解决这个问题,本文提出了一种新型的数据排列方式,充分利用NB-IoT所需带宽窄的优势,不同的设备节点使用不同的频带,从而降低相互间的干扰。并且应用Massive MIMO技术传输NB-IoT数据。仿真结果表明,利用Massive MIMO技术可以大大提高接收端的信噪比(Signal-to-Noise,SNR),降低所需的发射功率,提高网络覆盖率,并且能够延长电池的使用寿命,降低部署成本。

1 系统模型

    本节分析基于Massive MIMO的NB-IoT数据传输的系统模型,并列出NB-IoT与LTE标准数据传输的不同点。

1.1 NB-IoT标准与LTE标准的不同点

    为了满足窄带物联网的传输需求及特性,3GPP组织在LTE标准的基础上做出了多处改进,以适应窄带宽、小数据、低频繁的NB-IoT数据传输。主要有以下几点:

    (1)LTE上行包含PUSCH、PUCCH、PRACH,NB-IoT为适应窄带宽做了简化,上行仅包含NPUSCH、NPRACH。

    (2)LTE数据信道调制方式可设置为QPSK、16PSK、64PSK,NB-IoT的调制方式被固定为BPSK或QPSK。

    (3)LTE系统中最小的资源安排单位为一个资源块,NB-IoT中最小的资源单位为一个子载波。

    (4)LTE中子载波间隔为15 kHz,NB-IoT中子载波间隔可设置为3.75 kHz和15 kHz。

    (5)LTE中为适应窄带通信引入了节能模式DRx,NB-IoT采用新的节能模式eDRx。

1.2 系统整体框图

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  在本次仿真中,信道模型使用的是瑞利信道,噪声为白噪声,强度由设置的信噪比计算得到。在接收端接收到信号后,首先会进行信号的同步,在信号传输的过程中,不可避免会出现多径传输、阴影衰落等,导致接收到的信号不能严格的时钟对齐,为后面的解调带来很大困难,因此在这一阶段需要进行时钟同步以对齐信号。在信号同步后将会进行信号的FFT运算与去除CP,与此同时,还会利用接收到的信号进行信道估计运算,计算出相应的信道矩阵,接着将会利用计算出的信道矩阵结合去除CP后的信号进行LM