NarrowBand-Internet of Things (NB-IoT) is a new 3GPP radio access technology designed to provide better coverage for Low Power Wide Area (LPWA) networks. To provide reliable connections with extended coverage, a repetition transmission scheme and up to three Coverage Enhancement (CE) groups are introduced into NB-IoT during both Random Access CHannel (RACH) procedure and data transmission procedure, where each CE group is configured with different repetition values and transmission resources. To characterize the RACH performance of the NB-IoT network with three CE groups, this paper develops a novel traffic-aware spatio-temporal model to analyze the RACH success probability, where both the preamble transmission outage and the collision events of each CE group jointly determine the traffic evolution and the RACH success probability. Based on this analytical model, we derive the analytical expression for the RACH success probability of a randomly chosen IoT device in each CE group over multiple time slots with different RACH schemes, including baseline, back-off (BO), access class barring (ACB), and hybrid ACB and BO schemes (ACB&BO). Our results have shown that the RACH success probabilities of the devices in three CE groups outperform that of a single CE group network but not for all the groups, which is affected by the choice of the categorizing parameters.This mathematical model and analytical framework can be applied to evaluate the performance of multiple group users of other networks with spatial separations.

中文翻译：

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具有三个覆盖增强组的 NB-IoT 网络中的随机接入分析：一种随机几何方法

窄带物联网 (NB-IoT) 是一种新的 3GPP 无线电接入技术，旨在为低功率广域 (LPWA) 网络提供更好的覆盖。为了提供具有扩展覆盖范围的可靠连接，在随机接入信道 (RACH) 过程和数据传输过程中，NB-IoT 中引入了重复传输方案和最多三个覆盖增强 (CE) 组，其中每个 CE 组配置有不同的重复值和传输资源。为了表征具有三个 CE 组的 NB-IoT 网络的 RACH 性能，本文开发了一种新的流量感知时空模型来分析 RACH 成功概率，其中前导传输中断和每个 CE 组的碰撞事件共同确定流量演变和 RACH 成功概率。基于此分析模型，我们推导出每个 CE 组中随机选择的 IoT 设备在具有不同 RACH 方案的多个时隙上的 RACH 成功概率的分析表达式，包括基线、回退 (BO)、接入类限制 (ACB) )，以及混合 ACB 和 BO 计划 (ACB&BO)。我们的结果表明，三个 CE 组中设备的 RACH 成功概率优于单个 CE 组网络，但不是所有组的 RACH 成功概率，这受分类参数选择的影响。 该数学模型和分析框架可以用于评估具有空间分离的其他网络的多个组用户的性能。我们推导出每个 CE 组中随机选择的 IoT 设备在具有不同 RACH 方案的多个时隙上的 RACH 成功概率的分析表达式，包括基线、回退 (BO)、接入类限制 (ACB) 和混合 ACB 和BO 计划 (ACB&BO)。我们的结果表明，三个 CE 组中设备的 RACH 成功概率优于单个 CE 组网络，但不是所有组的 RACH 成功概率，这受分类参数选择的影响。 该数学模型和分析框架可以用于评估具有空间分离的其他网络的多个组用户的性能。我们推导出每个 CE 组中随机选择的 IoT 设备在具有不同 RACH 方案的多个时隙上的 RACH 成功概率的分析表达式，包括基线、回退 (BO)、接入类限制 (ACB) 和混合 ACB 和BO 计划 (ACB&BO)。我们的结果表明，三个 CE 组中设备的 RACH 成功概率优于单个 CE 组网络，但不是所有组的 RACH 成功概率，这受分类参数选择的影响。 该数学模型和分析框架可以用于评估具有空间分离的其他网络的多个组用户的性能。