摘 要：本文提出一種快速且可以在耗費資源少的情況下生成的解擾序列，并提出NB-IoT協議公共數據信道的加擾/解擾的設計方法。本設計方法采用預先自生成的表格、RNTI值以及小區(qū)參數（物理層小區(qū)ID號、無線幀號SFN、時隙號Ns等），快速生成NC比特后的短序列狀態(tài)，再以此短序列為初始態(tài)，按序列生成公式、生成所需要的偽隨機序列，最后實現對公共數據信道的加擾/解擾功能，從而避免整個擾碼序列前NC個比特的生成耗時。改進后，本發(fā)明對正常的加解擾功能沒有影響，但整個偽隨機序列生成總耗時至少降低了一半。對現有的軟硬件模塊沒有沖突，不需要重新設計，成本較少。

關鍵詞：偽隨機序列；窄帶物聯網；加擾；解擾

中圖分類號：TN929.5；TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）05-0194-03

Scrambling Design Based on NB-IoT Protocol

RUAN Junbing

（Jingxin Software Technology（Guangzhou）Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，China）

Abstract：In this paper，we propose a fast and efficient descramble sequence generated in the case of less resource consumption，and propose a design method of scrambling/descramping for the common data channel of the NB-IoT protocol. The design method uses the pre generated form，RNTI value and cell parameters（physical layer ID number，wireless frame number SFN，time slot number Ns，etc.）to quickly generate the short sequence state after NC bit，and then take the short sequence as the initial state，and generate the required pseudo random sequence according to the sequence generation formula，and finally，the scrambling/descrambling function of the common data channel is realized，so as to avoid the time consuming of generating NC bits before the scrambling sequence. After improvement，the invention has no influence on the normal scrambling and scrambling function，but the total pseudo random sequence generation time is reduced by at least half. There is no conflict between the existing hardware and software modules，no redesign and less cost.

Keywords：pseudo random sequence；narrowband Internet of things；scrambling；descrambling

0 引 言

物聯網通信技術的快速發(fā)展催生了低功耗廣域（Low Power Wide Area，LPWA）技術的興起。LPWA技術主要面向低功耗、廣覆蓋、遠距離、低帶寬的物聯網業(yè)務，種類繁多，其中具有代表性的技術有基于授權頻譜的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），NB-IoT是3GPP（3rd Generation Partnership Project，3GPP）為支持超低復雜性和低吞吐量物的聯網所引入蜂窩系統的一種LPWA蜂窩解決方案，具有低成本、低功耗、大連接、廣覆蓋等優(yōu)點。在NB-IoT系統中，上下行公共數據信道，如圖1和圖2所示的處理過程與LTE類似，基站端同樣要對數據進行加擾或解擾處理，而加擾或解擾的重點是擾碼序列的生成。

在實際的工程應用中，對低成本、大連接的系統特性以及信號處理的實現復雜度提出了更高的效率要求。本文主要從適用于NB協議特性的偽隨機序列生成過程中耗費時間優(yōu)化進行研究。本文提出一種有用的初始序列快速預生成的算法，與常規(guī)算法相比，該算法極大地提高了執(zhí)行速度。

1 偽隨機系統生成算法

1.1 NB-IoT系統偽隨機序列的生成

擾碼序列的生成方法如下所述。

其中x1（n）為第一偽隨機序列，x2（n）為第二偽隨機序列，這兩個序列均為Gold序列，初始值為31位，也就是n從0到30。因此，c（n）也是一個Gold序列。對于第一偽隨機序列，它的初始值為x1（0）=1，x1（n）=0；n=1，…，30；第二偽隨機序列，，其中Cinit的值由UE的參數以及所在的幀號而定。這樣，可以通過掩碼序列產生第一偽隨機序列的自加擾序列，具體實施過程如下：

第一偽隨機序列的自加擾序列生成多項式為：

第二偽隨機序列的自加擾序列生成多項式為：

式中，Nc=1600，NC是為了保證不同序列之間的非相關性而特意增加的狀態(tài)偏移量。

1.2 偽隨機序列的常規(guī)算法

偽隨機序列C（n）生成過程中，兩個m序列分別由31個帶有反饋的線性移位寄存器移位產生。由式（2）、（3）可以知道，自加擾序列從第31位開始，每一位均與前面序列有關。又根據公式（1）知道擾碼序列是由第NC位產生的，NC取值為1600。因此，自加擾序列從第1600位開始才是有效序列，用于產生擾碼序列c（n）。顯然，1600次的計算既浪費時間也浪費資源。在NB-IoT系統中，偽隨機序列的有效長度最大不會超過3800bit，更多的情況下，需要生成的偽隨機序列長度非常短，最短只有24bit，這就導致系統更多的時間耗費在初始迭代的NC次運算上。正是基于這一點，本文提出了一種新的實現方法，可以提高偽隨機序列生成的效率。

1.3 初始序列快速預生成算法

從式（2）、（3）可以知道，自加擾序列從第31位開始，每一位均與前面序列有關，而且通過遞歸都可以表示為：

其中M0，M1，…，M30為正整數序列，其取值與M的值有關，而與x1（n）的初始序列取值無關（即與偽隨機序列的Cinit的值無關）。同時，從公式（1）、（2）、（3）可以得出，無論是x1（n）、x2（n）或者C（n），都是由多個值為0或1的值累加后，再對2進行求模，最終得到的值也是0或1。因此，可以對M0，M1，…，M30這個正整數序列分別進行模2求值，獲得對應的M0，M1，…，M30。再把M0，M1，…，M30組合成一個32位表示的正整數M1_data，M0在低位，M30在高位。

求x1（M）的值，只要把M1_data和x1（0），x1（1），…，x1（30）組成的另一個正整數M1_data（x1（0）在低位，x1（30）在高位）進行與運算，得到Y1_data，再求出Y1_data中比特位為1的個數Z1，最后對Z1進行模2運算，獲得的值即為x1（M）的值。由于x1（n）的初始值固定，且只有x1（0）為1，則x1（M）的計算公式可以簡化為：

同理，x2（M）的計算公式為：

式中，BitCount是指計算一個整數中比特位為1的個數。

在求得x1（M）、x2（M）的值后，根據公式（1）求出最終的c（M）的值。

綜上所述，可以把M1_data做成一個M個元素的已知查找表，（M的值為偽隨機序列需求的最大長度），其為第一偽隨機序列x1（n）的運算查找表。同理，也可以把M2_data做成一個M個元素的已知查找表，其為第二偽隨機序列x2（n）的運算查找表，此查找表與偽隨機序列的Cinit值進行相與運算后得到Y2_data/Y2_data，再求Y1_data/Y2_data中比特位為1的個數z1/z2，對z1/z2求模2運算后，即得到我們需要的Gold碼比特。再根據公式（1），求得所需要的擾碼序列比特值。因此，在偏移NC個比特后，由本文提出的優(yōu)化算法生成有效序列的初始狀態(tài)值，再根據常規(guī)算法獲得加擾/解擾所需要的擾碼序列，實現加擾/解擾功能。

2 DSP實現及仿真分析

2.1 DSP實現流程

初始序列快速預生成算法在DSP中實現的流程圖如圖3所示。

2.2 仿真分析

為比較常規(guī)算法和初始序列快速預生成算法的優(yōu)劣，從時間復雜度進行仿真分析。從不同的擾碼序列長度來比較：長度分別為24bit、256bit、512bit、1600bit、3800bit、10000bit。用這6組數據進行仿真，結果如圖4所示。

為了清楚地表示算法的執(zhí)行效率，圖4中橫坐標采用對數形式。從圖4中可以看到，與常規(guī)算法比較，隨著偽隨機序列長度的增加，其執(zhí)行效率趨向于一致，但在偽隨機序列長度較短時，優(yōu)化算法的執(zhí)行效率得到極大提高。因此，本算法比較適用于NB-IoT系統。

3 結 論

本文對正常的加擾/解擾沒有影響，在NB-IoT系統中，本實現方法極大地提高了加擾/解擾的執(zhí)行效率。同時，NC的取值大小對擾碼生成復雜度無影響。本發(fā)明對現有的軟硬件模塊沒有沖突，不需要重新設計，成本較少，并且與大系統中連接UE的個數或系統制式等無關，在理論上也降低了系統成本。

參考文獻：

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作者簡介：阮俊冰（1983.05-），男，中級工程師，碩士。研究方向：通信基帶信號處理。