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窄带物联网(Narrow-Band Internet of Things,NB-IoT)是3GPP为智能水电气表、智慧农业等以数据采集和传感为目标的应用场景而提出的一种低功耗广域(Low Power Wide Area,LPWA)技术,面临海量连接、超低功耗、广域覆盖与深度覆盖、信令与数据相互触发等技术挑战。为满足NB-IoT覆盖增强的目标,3GPP设计了一种特殊的链路自适应技术,即终端根据当前信道环境确定其所处的覆盖类别(Coverage Classes,CC)并采用相应的覆盖增强(Coverage Enhancement,CE)配置,如不同的前导码重复次数和发射功率。覆盖类别是3GPP为NB-IoT引入的新概念,当小区内NB-IoT终端的信道环境差异较大时,对所有终端采取相同的覆盖增强配置将导致资源浪费或信道环境差的终端性能恶化,因此NB-IoT定义一个小区最多可设置3个覆盖类别,以满足差异化的覆盖增强需求。本文的主要创新工作如下:(1)设计了NB-IoT室内外信道传播环境测试方案,根据终端密集度、穿透损耗等影响因素确定测试场景,对不同场景的测试数据进行了统计特性分析和多峰高斯拟合,验证了3GPP为NB-IoT引入覆盖类别的合理性,提出了初始覆盖类别的判决算法,并给出了典型场景的覆盖类别个数设置和最佳判决门限。仿真结果表明:城市地区的NB-IoT小区可设置2个覆盖类别,最佳判决门限可设为-101.8dBm;农村地区的NB-IoT小区可设置3个覆盖类别,最佳判决门限可设为-107.7dBm和-79.63dBm。(2)以覆盖类别为状态建立了NB-IoT覆盖类别更新机制的马尔可夫链,准确描述了NB-IoT覆盖类别的动态更新过程;为减少终端判决初始覆盖类别带来的额外功耗,提出了引入回退机制的覆盖类别更新模型,以前导码最大重传次数为变量、系统平均接入失败概率和平均功耗为目标建立了多目标优化模型,给出了各覆盖类别前导码最大重传次数的最优配置,分析了前导码重复次数、系统负载、全局最大重传次数对最大重传次数最优取值及对应的平均接入失败概率和平均功耗的影响。数值分析表明:常规覆盖和扩展覆盖的最大重传次数对系统性能影响较大,其取值应分别控制在[1,5]和[1,7];极端覆盖的最大重传次数对系统性能影响不大,可取[1,10]的任意值,建议设为1;本文所提的引入覆盖类别回退机制的覆盖类别更新模型的平均功耗比协议模型低约95%。(3)研究NB-IoT随机接入信道和上行共享信道复用时的上行时频资源利用率,以前导码重复次数为变量,平均接入成功概率和上行时频资源利用率为目标建立了多目标优化模型,求解并给出了典型复用场景在是否考虑前导码最大重传次数时的重复次数最佳配置,分析了前导码最大重传次数对重复次数最佳配置的影响。仿真结果表明:时频资源利用率随着重复次数的增加而降低,随机接入成功概率随着重复次数的增加而升高;各覆盖类别最大重传次数和重复次数的配合使用能够在保证随机接入成功概率的情况下,实现超低功耗和较高的上行时频资源利用率。