ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЯ БЛОЧНОЙ ОШИБКИ НИСХОДЯЩЕГО ФИЗИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ТЕХНОЛОГИИ NB-IOT Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

UDC 621.391.8

Andreev R.A., Prasolov A.A., Fedorov A.S. BLER estimation of NB-IoT narrowband physical downlink shared channel

Оценка показателя блочной ошибки нисходящего физического канала передачи

данных технологии NB-IoT

Andreev Roman Aleksandrovich,

Head of Research and Education Center «Wireless Infotelecommunication Networks», SPbSUT

Prasolov Aleksandr Aleksandrovich,

Associate Professor of Department of Radio Communication and Broadcasting, Candidate of

Engineering Science, SPbSUT Fedorov Andrey Sergeevich,

Engineer of Research and Education Center «Wireless Infotelecommunication Networks», SPbSUT

Андреев Роман Александрович, Начальник научно-образовательного центра «Беспроводные инфотелекоммуникационные

сети», СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича Прасолов Александр Александорович, Доцент кафедры радиосвязи и вещания, к.т.н., СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Федоров Андрей Сергеевич,

Инженер научно-образовательного центра «Беспроводные инфотелекоммуникационные сети»,

СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Abstract. According to various forecasts, by 2025 the number of devices connected to IoT networks in one way or another will be from 25 to 50 billion. Given the multitasking of IoT systems, a large number of technologies are required to implement them, including radio technologies, which explains the need for research in the field of noise immunity and noise immunity. NB-IoT is recommended to cellular operators to deploy IoT networks because of a number of features and regulations in the regulatory framework. In this work, the MATLAB software simulated the operation of the downlink narrowband physical channels under various transmission parameters and operation modes, calculated the BLER depending on the signal-to-noise ratio, and presented a comparison of the obtained results and their estimation.

Keywords: NB-IoT, BLER, SNR, NPDSCH.

Аннотация. По различным прогнозам, к 2025 году число устройств, так или иначе подключенных к сетям Интернета Вещей, составит от 25 до 50 миллиардов. Учитывая многозадачность систем Интернета Вещей, требуется использование большого числа технологий для их реализации, в том числе технологий радиосвязи, чем объясняется необходимость проведения исследований в области их помехоустойчивости и помехозащищенности. Одной из таких технологий является NB-IoT, рекомендуемая операторам сотовой связи для разворачивания сетей Интернета Вещей ввиду ряда ее особенностей и существующих положений в нормативно -правовой базе. В данной работе в программном обеспечении MATLAB было проведено моделирование работы узкополосного физического каналов нисходящей линий при различных параметрах передачи и режимах работы, расчет показателя блочной ошибки в зависимости от отношения сигнал/шум, а также представлено сравнение полученных результатов и их оценка.

Ключевые слова: NB-IoT, BLER, отношение сигнал/шум, NPDSCH.

DOI 10.54092/25421085_2021 _11 _106

Рецензент: Сагитов Рамиль Фаргатович, кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по научной работе в ООО «Научно-исследовательский и проектный

институт экологических проблем», г. Оренбург

Данная статья посвящена моделированию работы узкополосного нисходящего физического канала передачи данных (narrowband physical downlink shared channel, NPDSCH) технологии NB-IoT. Прежде, чем перейти непосредственно к описанию и результатам моделирования, имеет смысл привести основные сведения о физическом уровне нисходящего канала рассматриваемой технологии.

В технологии NB-IoT для всех нисходящих каналов применяется модуляция OFDM, разнос поднесущих в 15 кГц и нормальный циклический префикс. Слот, длительностью в 0.5 миллисекунд, состоит из 7 OFDM-символов и 12 поднесущих, таким образом образуя канал с эффективной шириной в 180 кГц [1]. Структура слота представлена на рисунке 1 [2].

0.5 ms

f-------> 180 kHz

—I-►

Рисунок 1. Структура слота NB-IoT в нисходящем канале

Используется та же сетка ресурсов, что и в «классическом» LTE, обеспечивая совместимость технологий и возможность работы в режиме Inband.

Два слота образуют собой субкадр длительностью 1 миллисекунда. В свою очередь 10 субкадров составляют кадр длительностью 10 миллисекунд. Структура кадра представлена на рисунке 2.

RF n RF ri+1 RF n+2 • • •

■«-10ms-»-

5F0 SF1 SF2 SF9

1ms

slot 0

slot 1

■ 0.5ms-

Рисунок 2. Структура кадра NB-IoT в нисходящем канале Структура рассматриваемого канала ЫРОБОИ представлена на рисунке 3. Также стоит отметить, что его структура полностью идентична структуре другого физического канала технологии NB-IoT - канала управления трафиком МРОБОИ.

■ ■

■ ■

+ ,N ■ stafl Subframe >

Рисунок 3. Структура канала NPDSCH

При моделировании работы канала использовалось ПО MATLAB с встроенным LTE Toolbox. Представленная там модель позволяет оценить работу канала при воздействии на него замираний и аддитивного белого гауссовского шума [3]. Этапы работы модели можно описать следующим образом:

1. Генерация структуры, отображающей собой ресурсные блоки, и ее заполнение символами канала NPDSCH;

2. Формирование сигнала в основной полосе частот с заданным видом модуляции;

3. Симуляция прохождения сигнала через зашумленный канал с замираниями;

4. Проверка полученного сигнала с помощью CRC-кода и оценка производительности канала.

В результате работы модели строится кривая показателя Block Error Rate (BLER) в зависимости от определенных параметров передачи и диапазона значений отношения сигнал/шум. Сам показатель BLER в спецификациях [4] определен как отношение количества принятых ошибочных блоков к общему числу принятых блоков. Ошибочным блок признается, если он не прошел проверку циклическим избыточным кодом (CRC).

Прежде всего необходимо задать начальные параметры для дальнейшего проведения моделирования. Такими параметрами являются число транспортных блоков, диапазон отношения сигнал/шум, число повторений работы программы для строящихся кривых.

По умолчанию число транспортных блоков в модели равно 4, однако для получения более точных результатов разработчиками рекомендуется использовать большее число транспортных блоков. В данном случае было принято решение использовать для моделирования 50 транспортных блоков.

Диапазон значений отношения сигнал/шум от -20 до 10 дБ с шагом в 5 дБ.

Ввиду ограниченности вычислительных ресурсов для симуляции было выбрано три варианта числа повторений - 1, 2 и 4. Число повторений определено в спецификации [5], что отображено на рисунке 4.

^Rcp 'VRrp

0 1

1 2

2 4

3 8

4 16

5 32

6 64

7 128

8 192

9 256

10 384

11 512

12 768

13 1024

14 1536

15 2048

Рисунок 4. Число повторений передачи транспортных блоков

Следующим шагом был выбор модуляционно-кодирующих схем для моделирования их работы. В рассматриваемой модели за выбор модуляционно-кодирующей схемы отвечают две переменные - 1твв и Переменная 1твв непосредственно и определяет модуляционно-кодирующую схему и может принимать значение от 0 до 12. Переменная ^ определяет число субкадров для передачи символов. В совокупности эти два параметра определяют размер транспортного блока в битах. Возможные сочетания данных параметров представлены на рисунке 5.

^TBS Is*

0 1 2 3 4 5 6 7

0 16 32 56 88 120 152 208 256

1 24 56 88 144 176 208 256 344

2 32 72 144 176 208 256 328 424

3 40 104 176 208 256 328 440 568

4 56 120 208 256 328 408 552 680

5 72 144 224 328 424 504 680

6 88 176 256 392 504 600

7 104 224 328 472 584 680

8 120 256 392 536 680

9 136 296 456 616

10 144 326 504 680

11 176 376 584

12 208 440 680

Рисунок 5. Модуляционно-кодирующие схемы

В данной работе были промоделированы сочетания параметров 1твв и представленные в таблице 1. Выбор был остановлен на этих сочетаниях, поскольку он позволяет оценить работу рассматриваемых каналов при наименьшем, наибольшем и двух усредненных значениях возможных параметров.

Таблица 1

Выбранные модуляционно-кодирующие схемы

i tbs 0 4 8 12

isf 0 2 4 7 0 2 4 7 0 2 4 0 2

Размер транспортного блока, бит 16 56 120 256 56 208 328 680 120 392 680 208 680

Кроме того, для работы модели необходимо задать требуемый режим работы стандарта NB-IoT. Возможны 4 варианта - Standalone, Guardband, Inband (SamePCI или DifferentPCI). Каждая из определенных в таблице 3.2 модуляционно-кодирующих схем была промоделирована для каждого из этих режимов работы.

В результате работы модели были построены кривые, отображающие

зависимость показателя BLER от отношения сигнал/шум. Пример такой зависимости представлен на рисунке 6.

-20 -15 -10 -5 0 5 10

SNR {dB)

Рисунок 6. Зависимость BLER от SNR (Guardband, ¡твв = 0, 1бр = 0)

Для удобства все результаты расчетов для всех обозначенных выше режимов и параметров передачи представлены в числовом виде в таблицах 2-5. Согласно [6] для сетей связи четвертого поколения значение показателя BLER является оптимальным, если оно не превышает 10% (в таблице выделены зеленым цветом); значения от 10 до 20% в ряде случаев также можно считать приемлемыми (в таблице выделены желтым); значения, превышающие 20%, являются неприемлемыми (выделены в таблице красным) и в таком случае требуется провести работы по оптимизации параметров сети.

Таблица 2

Результаты моделирования зависимости BLER от SNR в режиме Standalone

Neep I TBS 0 4 8 12

ISF 0 | 2 | 4 | 7 0 | 2 | 4 | 7 0 | 2 | 4 0 | 2

SNR, ДБ BLER, %

1 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-15 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-10 100 96 94 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-5 72 44 50 56 96 100 98 100 100 100 100 100 100

0 38 14 10 6 64 58 42 52 86 94 88 100 100

5 14 0 4 2 44 14 8 6 54 30 20 78 88

10 0 0 0 0 6 4 0 0 40 12 6 52 22

2 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-15 100 100 96 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-10 92 66 72 50 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-5 16 6 8 14 86 66 64 50 100 100 92 100 100

0 0 0 0 0 4 10 8 10 42 54 54 96 98

5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 14 36

10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4

4 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-15 90 62 80 92 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-10 30 12 28 28 76 66 74 92 100 98 100 100 100

-5 0 0 8 4 18 16 26 26 56 46 68 100 90

0 0 0 0 0 0 2 6 6 0 4 16 42 38

5 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 6 0 4

10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 3

Результаты моделирования зависимости BLER от SNR в режиме Guardband

Neep I TBS 0 4 8 12

Isf 0 I 2 I 4 I 7 0 I 2 I 4 I 7 0 I 2 I 4 0 1 2

SNR, ДБ BLER, %

1 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-15 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-10 100 96 94 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-5 72 44 50 56 96 100 98 100 100 100 100 100 100

0 38 14 10 6 64 58 42 52 86 94 88 100 100

5 14 0 4 2 44 14 8 6 54 30 20 78 88

10 0 0 0 0 6 4 0 0 30 12 6 52 22

2 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-15 100 100 96 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-10 92 66 72 50 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-5 16 6 8 14 86 66 64 50 100 100 92 100 100

0 0 0 0 0 4 10 8 10 42 54 54 96 98

5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 14 36

10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4

4 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-15 90 62 80 92 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-10 30 12 28 28 76 66 74 92 100 98 100 100 100

-5 0 0 8 4 18 16 26 26 56 46 68 100 90

0 0 0 0 0 0 2 6 6 0 4 16 42 38

5 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 6 0 4

10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 4

Результаты моделирования зависимости BLER от SNR в режиме Inband-SamePCI

Neep I TBS 0 4 8 12

ISF 0 | 2 | 4 | 7 0 | 2 | 4 | 7 0 | 2 | 4 0 | 2

SNR, ДБ BLER, %

1 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-15 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-10 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-5 84 82 66 72 100 100 100 100 100 100 100 - -

0 56 16 14 14 74 82 70 68 100 100 100 - -

5 28 8 4 2 46 22 12 12 68 60 58 - -

10 0 0 0 0 20 8 2 2 48 16 10 - -

2 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-15 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-10 100 84 82 74 100 100 100 100 100 100 100 - -

-5 40 24 30 18 96 90 78 72 100 100 100 - -

0 0 0 0 4 10 28 28 18 94 76 66 - -

5 0 0 0 0 0 0 0 2 6 16 12 - -

10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - -

4 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-15 100 76 96 98 100 100 100 100 100 100 100 - -

-10 50 26 38 52 98 92 96 96 100 100 100 - -

-5 2 6 12 8 38 30 34 42 94 76 84 - -

0 0 0 2 0 0 2 8 8 26 20 32 - -

5 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 8 - -

10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - -

Таблица 5

Результаты моделирования зависимости BLER от SNR в режиме Inband- DifferentPCI

Neep I TBS 0 4 8 12

ISF 0 | 2 | 4 | 7 0 | 2 | 4 | 7 0 | 2 | 4 0 | 2

SNR, ДБ BLER, %

1 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-15 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-10 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-5 84 82 66 72 100 100 100 100 100 100 100 - -

0 56 16 14 14 74 82 70 68 100 100 100 - -

5 28 8 4 2 46 22 12 12 68 60 58 - -

10 0 0 0 0 20 8 2 2 48 16 10 - -

2 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-15 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-10 100 84 82 74 100 100 100 100 100 100 100 - -

-5 40 24 30 18 96 90 78 72 100 100 100 - -

0 0 0 0 4 10 28 28 18 94 76 66 - -

5 0 0 0 0 0 0 0 2 6 16 12 - -

10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - -

4 -20 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 - -

-15 100 76 96 98 100 100 100 100 100 100 100 - -

-10 50 26 38 52 98 92 96 96 100 100 100 - -

-5 2 6 12 8 38 30 34 42 94 76 84 - -

0 0 0 2 0 0 2 8 8 26 20 32 - -

5 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 8 - -

Отсутствующие результаты расчета для Itbs =12 связаны с тем, что при сочетании данной модуляционно-кодирующей схемы и режима работы Inband скорость помехоустойчивого кода превышала единицу, что является недопустимым. Данный факт позволяет сделать вывод об ограниченности выбора модуляционно-кодирующей схемы при данном режиме работы.

В заключение можно сделать следующие выводы:

• Повторная передача транспортных блоков позволяет получить меньший коэффициент ошибок при одинаковом показателе отношения сигнал/шум чем при однократной передаче, что можно использовать при обеспечении связи на сложных участках или на краю соты.

• Удовлетворительный показатель BLER для всех сочетаний модуляционно-кодирующий схем NB-loT начинается при отношении сигнал/шум в 0 дБ, однако и при данном значении BLER отдельных модуляционно-кодирующих схем остается неудовлетворительным. В отдельных случаях BLER удовлетворяет требованиям и при отношении сигнал/шум в -5 дБ. Стабильное удовлетворительное значение BLER начинается при отношении сигнал/шум в 5 дБ.

• Режимы работы Guardband и Standalone показали идентичные результаты. При работе в режиме Inband показатель BLER был лучше, однако ввиду особенностей его работы доступны не все сочетания модуляционно-кодирующих схем, что означает некоторую ограниченность его использования.

Исследование выполнено в рамках выполнения ПНИ по государственному заданию СПбГУТ на 2021 год.

References

4. J. Schlienz, D. Raddino. Narrowband Internet of Things Whitepaper // Rohde & Schwarz.

5. 3GPP TS 36.211. Physical channels and modulation.

6. MATLAB. NB-loT NPDSCH Block Error Rate Simulation. URL: https://www.mathworks.com/help/lte/ug/nb-iot-npdsch-block-error-rate-simulation.html.

7. 3GPP TS 34.122. Radio transmission and reception.

8. 3GPP TS 36.213 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures (Release 13).

9. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Terminal conformance specification; Radio transmission and reception (TDD) (3GPP TS 34.122 version 10.0.0 Release 10).