王 超，陰亞東+，曹樂平

(1.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.福建省集成電路設(shè)計(jì)中心，福建 福州 350108)

0 引 言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things，NB-IoT)作為第三代合作伙伴計(jì)劃(the 3rd generation partnership project，3GPP)定義的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其最具競爭力的優(yōu)點(diǎn)之一便是可在現(xiàn)有長期演進(jìn)(long term evolution，LTE)蜂窩通信網(wǎng)中直接進(jìn)行部署,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí)而極大地降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，因此得到移動(dòng)通信運(yùn)營商的青睞而發(fā)展迅猛,并已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境、智能城市、工業(yè)建設(shè)等諸多垂直行業(yè)領(lǐng)域[1,2]。但由于目前對(duì)NB-IoT的研究大多偏向于應(yīng)用層,基帶物理層相關(guān)研究成果鮮見于報(bào)端。同時(shí),為實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的兼容,NB-IoT物理層下行鏈路亦采用了多載波正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)調(diào)制技術(shù)，但并非完全照搬LTE而存在顯著差異，因此開展NB-IoT基帶實(shí)現(xiàn)研究具有重要工程和學(xué)術(shù)意義。

有鑒于此，本文根據(jù)3GPP協(xié)議中NB-IoT相關(guān)內(nèi)容,開展了NB-IoT下行基帶OFDM解調(diào)算法的研究與驗(yàn)證工作,實(shí)現(xiàn)了對(duì)NB-IoT下行多載波OFDM調(diào)制信號(hào)的正確解調(diào),其結(jié)果與是德科技公司的商用89601B矢量信號(hào)分析(VSA)軟件[3]處理結(jié)果基本吻合。

1 NB-IoT下行鏈路原理

NB-IoT物理層協(xié)議是基于現(xiàn)有LTE技術(shù)基礎(chǔ)上經(jīng)過簡化和修改而完成的,以實(shí)現(xiàn)對(duì)LTE技術(shù)的兼容[4]。NB-IoT 信道主要分為上行物理層信道和下行物理層信道兩種類型,其中下行鏈路使用多載波OFDM作為基本的調(diào)制和多址接入技術(shù),它的幀結(jié)構(gòu)、子載波、信道、資源單元等雖然盡量沿用LTE相關(guān)規(guī)定,但是依然存在明顯差異。相比LTE物理層，NB-IoT簡化了下行物理信道,去掉了傳統(tǒng)LTE中的物理多播信道(physical multicast channel，PMCH)[5]。同時(shí)NB-IoT的信道帶寬僅為180 kHz，且只能進(jìn)行時(shí)分復(fù)用方式傳輸；而LTE則支持1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz等多種不同帶寬,并且可以在時(shí)頻兩個(gè)維度進(jìn)行調(diào)度[6]。調(diào)制方式兩者也存在差異,NB-IoT下行固定采用正交相移鍵控(quadrature phase shift keying，QPSK)，LTE則可根據(jù)需求靈活選擇正交幅度調(diào)制(quadrature amplitude modulation，QAM)或者正交相移鍵控等不同調(diào)制方式。

1.1 NB-IoT下行幀結(jié)構(gòu)

圖1顯示了NB-IoT下行基帶信號(hào)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。與LTE構(gòu)造類似,從頻域上看,NB-IoT基帶信號(hào)頻域上由間隔為15 kHz的12個(gè)連續(xù)子載波構(gòu)成,占據(jù)了180 kHz的帶寬；從時(shí)域上看，基本單元是由7個(gè)OFDM符號(hào)組成時(shí)長0.5 ms的時(shí)隙(slot),且每兩個(gè)slot組成1個(gè)子幀,10個(gè)子幀構(gòu)成一個(gè)10 ms時(shí)長的無線幀[7]。從信道上看,NB-IoT下行鏈路定義了3種物理信道：窄帶物理廣播信道(narrow-band physical broadcasting channel，NPBCH)、窄帶物理下行控制信道(narrow-band physical downlink control channel，NPDCCH)、窄帶物理下行共享信道(narrow-band physical downlink shared channel，NPDSCH)；包括了兩種同步信號(hào)：分別是主同步信號(hào)(narrow-band primary synchronization signal，NPSS)和輔同步信號(hào)(narrow-band secondary synchronization signal，NSSS)[8]。各個(gè)信道以及同步信號(hào)分布如圖2所示，其中NPSS位于每個(gè)無線幀中第6個(gè)子幀；NSSS位于偶數(shù)無線幀的最后1個(gè)子幀,同時(shí)同步信號(hào)都是只占用對(duì)應(yīng)子幀的后11個(gè)OFDM符號(hào)。

圖1 NB-IoT下行幀結(jié)構(gòu)

圖2 NB-IoT下行基帶信號(hào)中時(shí)隙(slot)的結(jié)構(gòu)

通常為保證多徑衰弱信道下的OFDM調(diào)制信號(hào)子載波間的正交性,一般會(huì)在OFDM符號(hào)(symbol)間增加循環(huán)前綴(cyclic prefix，CP)以消除子載波間的串?dāng)_。NB-IoT所采用的CP技術(shù)與一般OFDM技術(shù)有所不同的是在同一個(gè)時(shí)隙中,其首符號(hào)的CP長度與其它符號(hào)CP不同,具體如圖2所示,設(shè)NB-IoT幀結(jié)構(gòu)的基本時(shí)間單位為采樣周期Ts,當(dāng)采樣頻率為1.92 MHz時(shí),首個(gè)Symbol的CP長度為10Ts,其余均為9Ts,同時(shí)Symbol主體固定為128Ts[9]。

1.2 NB-IoT下行基帶信號(hào)產(chǎn)生原理

根據(jù)3GPP協(xié)議[10]中的相關(guān)內(nèi)容,NB-IoT下行基帶信號(hào)的產(chǎn)生流程如圖3所示,信源數(shù)據(jù)通過信道編碼、加擾、載波調(diào)制、OFDM調(diào)制、循環(huán)前綴后最終形成基帶信號(hào)。該信號(hào)最終通過數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻等操作后形成射頻信號(hào)并發(fā)射至空中信道中。根據(jù)NB-IoT下行基帶信號(hào)產(chǎn)生流程,NB-IoT下行基帶信號(hào)的解調(diào)相當(dāng)于上述環(huán)節(jié)的逆過程,而本文內(nèi)容主要圍繞其中的OFDM解調(diào)算法開展。

圖3 NB-IoT下行基帶信號(hào)產(chǎn)生流程

(1)

2 NB-IoT下行OFDM解調(diào)算法實(shí)現(xiàn)

2.1 解調(diào)算法原理

根據(jù)下行基帶信號(hào)產(chǎn)生原理,本文提出的算法主要針對(duì)NB-IoT基帶OFDM解調(diào)環(huán)節(jié)展開。以下將利用公式變換來闡述本文中OFDM解調(diào)算法的原理,將式(1)離散化后變換為

(2)

進(jìn)一步構(gòu)造新變b(k), 使得

(3)

則式(2)變換為

(4)

(5)

2.2 解調(diào)器結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)2.1節(jié)中解調(diào)算法原理分析可知,NB-IoT下行基帶信號(hào)的OFDM解調(diào)器至少應(yīng)當(dāng)經(jīng)過去除循環(huán)前綴、傅里葉變換、相位旋轉(zhuǎn)、子載波映射、星座映射等步驟后可重現(xiàn)每個(gè)子載波上承載的信息,因此NB-IoT下行基帶OFDM解調(diào)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。以下將分別對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行分析說明。

去除循環(huán)前綴：根據(jù)3GPP相關(guān)協(xié)議內(nèi)容,NB-IoT采樣頻率應(yīng)當(dāng)為1.92 MHz,則單子載波周期內(nèi)的采樣N為128點(diǎn);其循環(huán)前綴長度NCP,l根據(jù)符號(hào)不同而變化,同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)首位符號(hào)的NCP,l為10點(diǎn),其它符號(hào)的NCP,l為 9點(diǎn)。

圖4 解調(diào)器結(jié)構(gòu)

傅里葉變換：隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)技術(shù)已經(jīng)成熟,因此設(shè)計(jì)中采用了FFT技術(shù)來實(shí)現(xiàn)解調(diào)器中的傅里葉變換。

相位旋轉(zhuǎn)：與去除循環(huán)前綴環(huán)節(jié)相同,相位旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)需要根據(jù)符號(hào)所在位置,選擇對(duì)應(yīng)的循環(huán)前綴長度,以免產(chǎn)生誤差。

解子載波映射：根據(jù)解調(diào)算法原理分析可知,NB-IoT下行OFDM基帶信號(hào)經(jīng)過頻率變換后獲得128個(gè)頻率點(diǎn)信息,而基帶信號(hào)中12個(gè)子載波則對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)信息中的頭尾6個(gè)數(shù)據(jù)。

解星座映射：NB-IoT下行調(diào)制方法采用QPSK調(diào)制技術(shù),因此待處理數(shù)據(jù)將分布在星座圖的4個(gè)象限中,通過設(shè)定合理的閾值門限則可在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)的同時(shí)有效地降低由噪聲干擾所引起的解調(diào)誤碼[11]。

3 實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

3.1 NB-IoT測試平臺(tái)搭建

本文基于MATLAB軟件平臺(tái)完成了解調(diào)算法的軟件設(shè)計(jì)并搭建了相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行算法驗(yàn)證工作。由于當(dāng)前NB-IoT技術(shù)尚未普及,市面上專用的NB-IoT通信測試儀器相對(duì)較少而且價(jià)格昂貴,因此本文利用現(xiàn)有通用儀器設(shè)備完成了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示分為兩部分,分別為解調(diào)算法驗(yàn)證平臺(tái)和對(duì)比測試平臺(tái)。采用是德科技公司的相關(guān)軟件通過矢量信號(hào)發(fā)生器E4438C發(fā)送 NB-IoT 下行信號(hào);驗(yàn)證平臺(tái)通過示波器3024A對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行采樣,之后傳送至裝有MATLAB軟件的計(jì)算機(jī)上,進(jìn)而利用解調(diào)算法對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。對(duì)比測試平臺(tái)由信號(hào)分析儀N9020A與安裝了商用矢量分析軟件(VSA89601B)的計(jì)算機(jī)組成,利用VSA89601B對(duì)相同的NB-IoT下行射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

圖5 NB-IoT實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為抓取得到的NB-IoT下行基帶信號(hào)截圖。需注意的是,該NB-IoT下行無線幀的第6與第10子幀分別對(duì)應(yīng)采用Zad-off Chu序列與m序列生成的NPSS和NSSS[12],因此不在本文解調(diào)算法驗(yàn)證范圍中。最終從總數(shù)據(jù)中截取了無線幀的其它8個(gè)子幀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí),由于儀器設(shè)備的限制無法將采樣率設(shè)置為1.92 MHz,本文利用過采樣方法獲取了完整的NB-IoT基帶信號(hào),然后采用插值、濾波和降采樣等環(huán)節(jié)最終生成了1.92 MHz采樣率下的基帶信號(hào)[13]。表1為單次實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)設(shè)置,單次實(shí)驗(yàn)連續(xù)采樣了10個(gè)子幀,扣除第6、10幀后對(duì)剩余8幀的112個(gè)符號(hào)進(jìn)行了解調(diào)驗(yàn)證,最終獲取了2688個(gè)解調(diào)數(shù)據(jù)。

圖6 下行鏈路基帶信號(hào)實(shí)測結(jié)果

圖7對(duì)比了兩種平臺(tái)測試得到的解調(diào)結(jié)果,圖中實(shí)心圓點(diǎn)所示為采用VSA89601B獲得的解調(diào)結(jié)果,空心正方形所示為本文所提出的解調(diào)算法運(yùn)行結(jié)果。從圖中可以看出兩種方法都能夠完成對(duì)NB-IoT下行基帶信號(hào)的正確解調(diào)。與商用軟件結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),雖然本文的解調(diào)算法運(yùn)行結(jié)果存在一定的相位偏差和誤差向量幅度(error vector magnitude，EVM),但是該偏差和EVM均不足以影響解調(diào)結(jié)果。多次測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示,在相同情況下兩種解調(diào)方法均不存在誤碼率。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖7 NB-IoT下行基帶信號(hào)解調(diào)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前新興的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù),本文結(jié)合3GPP協(xié)議提出并實(shí)現(xiàn)了一種NB-IoT下行基帶OFDM解調(diào)算法設(shè)計(jì),在解調(diào)算法原理的基礎(chǔ)上提出了解調(diào)器結(jié)構(gòu),最終搭建測試驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)解調(diào)算法進(jìn)行了對(duì)比測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的OFDM解調(diào)算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)NB-IoT下行基帶信號(hào)的正確解調(diào),其結(jié)果與是德科技公司的商用89601B矢量信號(hào)分析(VSA)軟件處理結(jié)果基本吻合。