NB-IoT MAC協(xié)議主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸(Data Transfer)及實(shí)體資源/無線資源分配(Radio Resource Allocation)，而本文偏重?zé)o線資源分配，在此說明NB-IoT無線資源之規(guī)劃。
由于物理層可用的帶寬較LTE少(180kHz一個(gè)載波)，物理層程序也較以往大不相同，考慮到NB-IoT增強(qiáng)信號(hào)覆蓋需求，因此3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定團(tuán)隊(duì)利用「重復(fù)傳送」之方式獲取時(shí)域之增益，達(dá)到覆蓋增強(qiáng)(Coverage Enhancement, CE)之目的：在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，下行鏈路傳輸僅允許跨子訊框排程(Cross-Subframe Scheduling)，上行鏈路傳輸支持跨子訊框和跨子載波排程。
NB-IoT采用集中控制方式管理演進(jìn)節(jié)點(diǎn)B(eNB)與用戶裝置(UE)之間，數(shù)據(jù)傳輸所需的無線資源。 與LTE系統(tǒng)相同，UE傳輸或是接收數(shù)據(jù)皆聽從于eNB指示． 分別為下行鏈路傳輸分配(Downlink Assignment)與上行鏈路傳輸授權(quán)(Uplink Grant)；即下行鏈路傳輸控制指示(Downlink Control Indicator, DCI)，上行部份使用DCI格式， 下行部份為DCI N1格式，尋呼(Paging)部份則使用DCI N2格式。
UE在與基地臺(tái)鏈接的過程會(huì)周期性地監(jiān)測(cè)/監(jiān)聽(Monitor)DCI傳送的區(qū)域，即窄頻物理下行控制頻道(NPDCCH)，亦稱搜索空間(Search Space)。 UE收到屬于自己的DCI后，再依其內(nèi)容指示至相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)傳送區(qū)域，即窄頻物理下行分享頻道(NPDSCH)接收數(shù)據(jù)。
基于NB-IoT跨子訊框排程的特性，對(duì)比LTE以DCI告知UE當(dāng)下子訊框(Subframe)數(shù)據(jù)所擺放的資源區(qū)塊位置、資源區(qū)塊數(shù)量，讓UE知道數(shù)據(jù)位于那個(gè)「頻率區(qū)間」內(nèi)，NB-IoT則是告知一個(gè)排程延遲參數(shù)( Scheduling Delay，標(biāo)準(zhǔn)上稱為k0)，以及資源區(qū)塊長(zhǎng)度，讓UE知道屬于自己的數(shù)據(jù)位于那個(gè)「時(shí)間區(qū)間」內(nèi)。 針對(duì)NB-IoT資源分配與排程相關(guān)部分，有以下幾項(xiàng)說明。
降低DCI獲取成本 善用搜索空間提升UE效率
與LTE相同，UE可以透過搜索一個(gè)特定的區(qū)間獲得DCI信息，可減少UE耗費(fèi)不必要的功耗盲解不相關(guān)的數(shù)據(jù)。
在NB-IoT中，搜索空間以一個(gè)時(shí)間區(qū)間作為呈現(xiàn)；透過預(yù)先告知UE相關(guān)的參數(shù)，如系統(tǒng)信息區(qū)塊類別2(NB-IoT System Information Block Type 2，SIB2-NB)中帶共同搜索空間(Common Search Space)參數(shù)，隨機(jī)存取(Random Access)流程中之RRC Connection Setup Message帶特定搜索空間(UE Specific Search Space)參數(shù)， 使UE可以得知在哪一個(gè)時(shí)間范圍能夠有機(jī)會(huì)盲解出自己的DCI。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下，搜索空間的訂定有很大的彈性，在長(zhǎng)度方面可以根據(jù)所服務(wù)UE的特性去選擇適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度；同時(shí)，在相同的搜索空間上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)一步選擇性劃分1、2、4、8等四種比例，作為不同UE的DCI傳送時(shí)間， 劃分后的長(zhǎng)度即為該DCI所重復(fù)傳送的次數(shù)(T1CSS可選擇更多種比例劃分)。
如圖1所示，藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗O(shè)置搜索空間長(zhǎng)度為Rmax(此例設(shè)為8)，根據(jù)四種比例的劃分，依序?yàn)镽=Rmax/8，R=Rmax/4，R=Rmax/2，R=Rmax/1，以此例而言分別為1、2、4、8，R即是重復(fù)次數(shù)， 此時(shí)R所涵蓋的時(shí)間區(qū)塊即稱為備選區(qū)塊(Candidate)，所選擇的劃分比例也可看成此搜索空間所含備選區(qū)塊數(shù)量。
圖1 搜索空間備選區(qū)塊示意圖
此外，可以透過參數(shù)設(shè)定調(diào)整不同搜索空間起始的時(shí)間位置，避免過多UE處于同一搜索空間設(shè)定，導(dǎo)致基地臺(tái)在單位時(shí)間所能服務(wù)的UE有限。 不同參數(shù)與比例訂定將影響基地臺(tái)在單位時(shí)間內(nèi)所能夠服務(wù)的UE數(shù)量，以及CE成效，因此在實(shí)作上可根據(jù)當(dāng)下決定的排程策略進(jìn)行調(diào)整選擇。
當(dāng)UE選定駐留(Camp)某一個(gè)基地臺(tái)后，UE根據(jù)目前所處于的聯(lián)機(jī)狀態(tài)會(huì)監(jiān)測(cè)相對(duì)應(yīng)的搜索空間，目前的標(biāo)準(zhǔn)定義了Type1-NPDCCH共同搜索空間(T1CSS)、Type2-NPDCCH共同搜索空間(T2CSS)、 NPDCCH UE特定搜索空間(USS)等三種不同用途的搜索空間：
T1CSS
當(dāng)UE閑置(Idle)時(shí)，會(huì)根據(jù)與核心網(wǎng)絡(luò)(CN)之間約定之尋呼周期(Default Paging Cycle)監(jiān)測(cè)T1CSS。 鑒于不同CE層級(jí)的UE皆是相同的T1CSS長(zhǎng)度設(shè)置，其備選區(qū)塊劃分根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可以有更多的選擇滿足各CE層級(jí)UE的重復(fù)傳送次數(shù)；當(dāng)UE在這個(gè)尋呼周期搜索空間、解出DCI且正確收到尋呼訊息時(shí)，UE便會(huì)進(jìn)行隨機(jī)存取程序， 并將所搜索的空間調(diào)整為T2CSS。
T2CSS
當(dāng)UE處于未與核網(wǎng)注冊(cè)，或是已注冊(cè)但處于閑置狀態(tài)時(shí)，若UE欲進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)，或接收到基地臺(tái)的尋呼訊息，UE便開始進(jìn)行隨機(jī)存取程序。 此時(shí)，UE便是依據(jù)T2CSS設(shè)定盲解DCI。
USS
當(dāng)UE完成隨機(jī)存取程序，且進(jìn)入鏈接(Connected)狀態(tài)時(shí)，UE便會(huì)根據(jù)隨機(jī)存取過程獲得的USS參數(shù)設(shè)定信息進(jìn)行搜索，直到狀態(tài)又切換為閑置或隨機(jī)存取狀態(tài)時(shí)，再進(jìn)行對(duì)應(yīng)搜索空間之切換。
搜索/傳輸作業(yè)多元化 邏輯信道無明確劃分規(guī)則
下行信道
在NB-IoT系統(tǒng)中，排除必要的系統(tǒng)/同步訊號(hào)(如NPBCH、NPSS、NSSS、
SIB-NB)所占用的資源，信道有NPDCCH與NPDSCH兩種，然以整個(gè)NB-IoT系統(tǒng)面來看，此兩種信道并沒有明確時(shí)間上的劃分規(guī)則。
原因之一在于前述所談到，搜索空間不論起始位置或長(zhǎng)度，皆可以依照不同UE以及CE構(gòu)成非常多種組合表現(xiàn)；其二則歸因于下一節(jié)將提及之排程延遲，賦予數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間點(diǎn)多樣化的可能性。 因此，在下行信道我們應(yīng)以實(shí)際排程結(jié)果來看劃分的結(jié)果，意即某區(qū)塊時(shí)間若傳送DCI，則此區(qū)間即作為NPDCCH使用；若傳送下行數(shù)據(jù)，則此區(qū)間即作為NPDSCH使用。
上行信道
相對(duì)于下行信道，上行信道劃分則較為簡(jiǎn)單：根據(jù)SIB2-NB中所設(shè)定之隨機(jī)存取工作發(fā)送Preamble的時(shí)間區(qū)塊作為NPRACH，其余皆作為NPUSCH來使用。
其特殊之處在于，考慮到NB-IoT上行支持跨子載波排程，排程上須根據(jù)所選擇的NPUSCH format進(jìn)一步針對(duì)子載波頻率之間的資源分配進(jìn)行考慮。
藉有限帶寬傳遞DCI/數(shù)據(jù) 排程延遲有助兼顧效率
3GPP MAC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義PDCCH周期(Physical Downlink Control Channel period，簡(jiǎn)稱pp)，意即從目前的搜索空間起始點(diǎn)到下一個(gè)搜索空間起始點(diǎn)的間隔時(shí)間， 對(duì)于NB-IoT即作為NPDCCH的周期。 如圖2所示，藍(lán)色區(qū)域可視為某個(gè)/群UE的NPDCCH，白色區(qū)域?yàn)镹PDSCH，區(qū)域的組成是依照標(biāo)準(zhǔn)訂定參數(shù)組合而成，約有90種組合的可能性，周期組合的選擇將會(huì)與排程策略、CE的考慮而有即高的彈性去選擇。
圖2 排程周期與時(shí)間關(guān)系示意圖
NB-IoT是透過跨子訊框方式來進(jìn)行排程，原因之一在于系統(tǒng)所定義的帶寬較小，DCI與數(shù)據(jù)皆無法在同一時(shí)間傳送完成；且在正常情況下，對(duì)于一個(gè)傳送區(qū)域(Transport Block, TB)需要多個(gè)NPDSCH進(jìn)行才可組成完成。 因此，如何去處理DCI與數(shù)據(jù)的時(shí)間關(guān)系便是NB-IoT特有的機(jī)制，時(shí)程k0扮演著最重要的角色。
當(dāng)UE從備選區(qū)塊解出DCI后變會(huì)獲得基地臺(tái)所給予的k0，UE便會(huì)等待k0時(shí)間后再開始進(jìn)行收取NPDSCH的動(dòng)作。 而k0的規(guī)定在上行/下行，或者在一些特定訊息上皆有不同的需求與限制，例如當(dāng)UE收到DCI后必須等待至少4ms過后才可進(jìn)行NPDSCH的接收，至少等待8ms過后才可進(jìn)行NPUSCH的傳送， 原因在于UE必須要有足夠的時(shí)間去解DCI所帶的訊息，或是進(jìn)行UL/DL傳送與接收模式轉(zhuǎn)換的時(shí)間。
圖3為上行與下行使用目前標(biāo)準(zhǔn)Release 14所訂定最大的TB size與MCS下排程間隔的示意圖，透過此圖我們也可以算出在Release 14標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT UE所能達(dá)到的最大速率的數(shù)值。
圖3 NB-IoT排程示意圖
NB-IoT的k0數(shù)值是依照標(biāo)準(zhǔn)文件所規(guī)定的固定值進(jìn)行選擇，因此在選擇上便會(huì)缺少相當(dāng)?shù)膹椥?，再加上前面所提到的搜索空間起始位置與長(zhǎng)度的多樣性，以及傳送一個(gè)TB所需花的時(shí)間長(zhǎng)度影響，因此在排程上將會(huì)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的工作。 在加上當(dāng)中衍生的議題都有待研究與討論，以下針對(duì)相關(guān)排程議題進(jìn)行說明。
有限資源下擴(kuò)充UE服務(wù) MAC排程重要性與時(shí)俱增
由于NB-IoT支持多載波傳輸，讓不同UE可在不同載波上傳輸，以擴(kuò)充服務(wù)UE數(shù)量，MAC排程與無線資源分配將扮演至關(guān)重要的角色。
NB-IoT多載波分為錨載波(Anchor Carrier)以及非錨載波(Non-Anchor Carriers)，錨載波是UE獲取系統(tǒng)信息和同步訊號(hào)(NPSS/NSSS/NPBCH/SIB-NB)之載波 ；而非錨載波若系統(tǒng)有支持，則可以視為一個(gè)空白的資源區(qū)塊。 由于錨載波作為傳送系統(tǒng)信息與同步訊號(hào)的關(guān)系，這些信息將被視為最高優(yōu)先權(quán)進(jìn)行資源的占用。 因此，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則上，NPDCCH與NPDSCH如果遭遇上述訊息傳送的時(shí)間，便須要進(jìn)行延后傳送的動(dòng)作。
有鑒于此，在錨載波排程上，我們必須考慮這些延后所帶來的資源排程上的影響；另外，Release 14標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相較于Release 13，可以將隨機(jī)存取程序與尋呼程序在非錨載波上進(jìn)行， 此方式提高了系統(tǒng)的效率但也相對(duì)提到排程分配的復(fù)雜度。
若以整個(gè)通訊協(xié)議與IoT服務(wù)來看，一道IoT訊息的傳送在NB-IoT系統(tǒng)上必須經(jīng)過幾道訊息的交換才會(huì)完成；若以UE所發(fā)起的訊息回報(bào)來看，必須經(jīng)過完整的隨機(jī)存取程序才可完成一筆上層服務(wù)數(shù)據(jù)的傳送， 此UE所發(fā)起傳送的完整程序即為所謂的行動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)程序(MO Procedure)。
但在許多如帶寬限制、排程周期、搜索空間的限制之下，基站在有限的資源下就必須針對(duì)一些議題進(jìn)行抉擇，例如上行/下行分配比例、UE資源分配比例、公平性等等，如圖4即為一個(gè)10個(gè)UE進(jìn)行MO Procedure的簡(jiǎn)易時(shí)間軸對(duì)應(yīng)示意圖。 此外，若再考慮省電機(jī)制例如DRX狀態(tài)尋呼的功能，以及多重CE層級(jí)設(shè)置上的排程，在MAC資源分配管理上將會(huì)是一大挑戰(zhàn)。
圖4 NB-IoT排程示意圖
本文針對(duì)NB-IoT MAC層進(jìn)行重點(diǎn)技術(shù)描述，由于在變化上NB-IoT在資源分配邏輯上有著明顯與其母技術(shù)LTE差異，因此本篇我們著重于此部份的說明與描述。 雖然NB-IoT是個(gè)相對(duì)于LTE簡(jiǎn)單化的技術(shù)，但由于為了去滿足簡(jiǎn)單化后以時(shí)間資源換取頻率資源的概念，在排程邏輯上相對(duì)有較為復(fù)雜的新議題需要解決；若以整個(gè)系統(tǒng)面來看，排程方法將會(huì)有更大的影響力影響整體效能。 考慮到未來標(biāo)準(zhǔn)訂定會(huì)再增加更多排程上議題，例如Release 14訂定的2-HARQ Process，MAC將會(huì)扮演著關(guān)鍵與重要的角色。
