[论文解读] Implementing NB-IoT in Software - Experiences Using the srsLTE Library

André Puschmann, Paul D. Sutton+1 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2017

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文提出了一种基于srsLTE软件无线电套件的软件定义NB-IoT实现，通过实验测试和理论建模展示了下行链路性能。在非确认模式下，实际最大下行链路速率可达85 kbit/s，在确认模式下为32.38 kbit/s，且在高信噪比（SNR）条件下，实验结果与理论预测高度吻合。

ABSTRACT

NB-IoT is the 3GPP standard for machine-to-machine communications, recently finalized within LTE release 13. This article gives a brief overview about this new LTE-based radio access technology and presents a implementation developed using the srsLTE software radio suite. We also carry out a performance study in which we compare a theoretical analysis with experimental results obtained in our testbed. Furthermore, we provide some interesting details and share our experience in exploring one of the worldwide first commercial NB-IoT deployments.

研究动机与目标

• 使用开源srsLTE软件无线电套件，开发一个完整的NB-IoT软件实现。
• 通过实验测试，在真实环境中评估NB-IoT实现的性能。
• 在受控测试平台环境中，将理论数据速率预测与实际实验结果进行比较。
• 将实现与商用NB-IoT网络部署进行验证，具体为Vodafone在巴塞罗那800 MHz频段的部署。
• 分析控制信令开销对NB-IoT下行链路传输中可实现数据速率的影响。

提出的方法

• 该实现扩展了srsLTE软件无线电套件，全面支持3GPP Release 13中定义的NB-IoT下行链路和上行链路信道及信号。
• 下行链路采用OFDMA，子载波间隔为15 kHz，带宽为180 kHz，仅使用一个物理资源块（PRB）。
• 采用10 ms帧结构，包含10个子帧，每个子帧分为2个时隙，仅使用正常循环前缀。
• 下行链路传输使用NPSS和NSSS进行小区搜索与同步，随后通过NPDSCH进行数据传输。
• 实验测试在高信噪比（20 dB）条件下进行，测量了不同TB大小和NPDSCH子帧分配下的吞吐量。
• 理论数据速率基于调制与编码方案（MCS）、资源块使用情况及协议开销进行计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 与理论峰值速率相比，基于软件的NB-IoT实现可达到的下行链路数据速率是多少？
• RQ2 控制平面开销在NB-IoT下行链路传输中如何影响有效数据速率？
• RQ3 在高信噪比环境下，实验结果与理论性能预测的吻合程度如何？
• RQ4 当接收来自商用NB-IoT网络的实际信号时，该实现的性能表现如何？
• RQ5 在真实世界的NB-IoT部署中，实现理论峰值数据速率的实际限制因素是什么？

主要发现

• 理论峰值下行链路速率为226 kbit/s，但由于控制信令开销，实际无法达到。
• 在最优条件下，单个UE可实现的最大下行链路速率在非确认模式下为85 kbit/s，在确认模式下为32.38 kbit/s。
• 在20 dB信噪比条件下，当使用最高MCS且最小化子帧使用时，实验结果与理论计算完全一致。
• 理论峰值速率降低20%的主要原因是周期性下行链路传输，如同步信号和系统信息块。
• 该实现成功解码了来自巴塞罗那Vodafone商用网络的实时NB-IoT信号，证实了标准符合性。
• 实验验证了最大上行链路速率为68 kbit/s，代表单载波部署中的实际上限。