NB-IoT深度覆蓋特性及網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估體系研究

劉克清，王 粟，周 俊，魏 宏

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司，北京 100032）

1 引言

現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及語音業(yè)務(wù)連接數(shù)量處于飽和，物與物大連接的業(yè)務(wù)模式在未來幾年將使終端設(shè)備連接數(shù)量暴增到90億，智能抄表、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)跟蹤、物流等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將為運(yùn)營(yíng)商帶來巨大商業(yè)價(jià)值。物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景提出網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋20 dB的增益要求，原有LTE網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估體系對(duì)現(xiàn)有NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估方法不能完全適用，需針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)要求和業(yè)務(wù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)可以反映物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特性的質(zhì)量評(píng)估體系。本文通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)評(píng)估體系中指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法，并總結(jié)出NB-IoT網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估體系及與現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估體系的差異。

2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)研究

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)典型業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋提出相對(duì)GSM/LTE網(wǎng)絡(luò)的最小耦合損耗值MCL增強(qiáng)20 dB的要求。覆蓋增強(qiáng)通過兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)：一是重新定義上下行物理信道格式、調(diào)制規(guī)范，使得上下行控制信息與數(shù)據(jù)在窄帶發(fā)送，提升功率譜密度，降低接收方的解調(diào)要求；二是通過數(shù)據(jù)的重復(fù)發(fā)送機(jī)制提升覆蓋增益。

與傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)相比，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力除RSRP參數(shù)外，還可通過MCL值與覆蓋級(jí)別（Coverage Level）反映。下行MCL的計(jì)算方法為下行最大發(fā)射功率減去終端接收靈敏度，在計(jì)算實(shí)現(xiàn)時(shí)，將NRSPOWER等效為基站的下行最大發(fā)射功率，將RSRP等效為終端接收靈敏度。其中NSR-POWER可以從系統(tǒng)消息2（SIB2）的npdsch-ConfigCommon參數(shù)中獲得，如圖1所示。終端Coverage Level有0～2三個(gè)級(jí)別，三個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)的覆蓋門限在SIB2中廣播，目前該參數(shù)一般配置為RSRP-Range=36、RSRP-Range=26分別對(duì)應(yīng)144 dB和154 dB，3GPP規(guī)范中定義NB-IoT網(wǎng)絡(luò)最大的MCL為164 dB，因此終端的覆蓋級(jí)別0為MCL≤144 dB，覆蓋級(jí)別1為144 dB＜MCL≤154 dB，覆蓋級(jí)別2為154 dB＜MCL≤164 dB。

圖1 覆蓋門限配置及信道資源配置

2.1 提升上行功率譜密度

當(dāng)LTE終端設(shè)備與NB-IoT終端設(shè)備均使用23 dBm的最大上行發(fā)送功率時(shí)，LTE網(wǎng)絡(luò)的最小上行資源分配是頻帶內(nèi)的1個(gè)RB（帶寬為180 kHz）。如圖2所示，當(dāng)NB-IoT終端選擇上行3.75 kHz的子載波資源，則相對(duì)于R9版本，終端功率譜密度增強(qiáng)了17 dB（10×lg(180/3.75)=16.8）；當(dāng)NB-IoT終端選擇上行15 kHz的子載波資源，相對(duì)于R9版本，終端功率譜密度增強(qiáng)了11 dB（10×lg(180/15)=10.8），相對(duì)于GSM設(shè)備33 dBm的最大發(fā)射功率，NB-IoT終端的發(fā)射功率譜密度可能提高1 dB～7 dB。

圖2 功率譜密度提升示意圖

2.2 上下行物理信道重定義

上行物理信道頻域必須支持3.75 kHz和15 kHz子載波間隔的SC-FDMA single-tone，可選地支持SCFDMA multi-tone的15 kHz子載波間隔。multi-tone模式可以選擇3、6、12個(gè)子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，雖然mutli-tone模式具有更高數(shù)據(jù)傳輸速率，但是功率譜密度相對(duì)single-tone方式有所降低，需要額外的峰均比（PAPR）抑制機(jī)制。NB-IoT上行只有NPRACH和NPUSCH兩種信道，沒有PUCCH信道，對(duì)下行數(shù)據(jù)的HARQ信息通過NPUSCH信道的Format 2格式發(fā)送，F(xiàn)ormat 1格式用于發(fā)送上行數(shù)據(jù)，并且NPRACH只使用3.75 kHz子載波。時(shí)域上NPUSCH使用Ru（Resource unit）作為最小的資源調(diào)度單位，子載波帶寬和個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)不同的時(shí)域時(shí)間，例如上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)15 kHz子載波的Ru可以是singletone×8 ms，3 tones×4 ms，6 tones×2 ms，12 tones×1 ms，3.75 kHz子載波的Ru資源塊只有singletone×32 ms一種。圖3是NPUSCH信道Format 1格式15 kHz子載波的Ru資源示意圖。

為反映物聯(lián)網(wǎng)資源調(diào)度情況，根據(jù)NB-IoT上行物理信道設(shè)計(jì)的技術(shù)特性，上行物理信道資源調(diào)度和質(zhì)量的指標(biāo)和參數(shù)主要包括：上行NPUSCH Format 1 3.75 kHz的比例、上行NPUSCH Format 1 15kHz ST的比例、上行NPUSCH Format 1 15kHz MT的比例，這三個(gè)指標(biāo)反映終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)占用的頻域子載波間隔情況，通過終端NPUSCH信息中的Num Tone（子載波個(gè)數(shù)）和Subcarrier Space（子載波間隔）參數(shù)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，該信息是周期性上報(bào)，比例直接通過采樣點(diǎn)占比代表；上行Ru個(gè)數(shù)、上行子載波帶寬、上行子載波個(gè)數(shù)反映了終端發(fā)送上行數(shù)據(jù)所占用的時(shí)域和頻域資源數(shù)量，這三個(gè)參數(shù)可以通過Num RU、Num Tone、Subcarrier Space計(jì)算；下行HARQ反饋、下行初始Bler反映NPDSCH物理信道的誤碼率，該信息通過NPUSCH信道的Format 2格式發(fā)送，這兩個(gè)指標(biāo)通過NPUSCH Format=Format 2、ACK和NACK個(gè)數(shù)聯(lián)合計(jì)算；上行ACK/NACK、上行初始Bler反映NPUSCH信道的誤碼率情況，這兩個(gè)參數(shù)通過NPUSCH Format=Format 1、NewTransmition和ReTransmition個(gè)數(shù)聯(lián)合計(jì)算實(shí)現(xiàn)。這些參數(shù)的具體數(shù)值如圖4所示。

上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)一個(gè)傳輸塊（TB）可以映射到1、2、3、4、5、6、8、10個(gè)Ru上，最大的TBS為1 000 bit，無線環(huán)境越好MCS值越大，每個(gè)Ru承載的TBS數(shù)據(jù)量越大。對(duì)于NPUSCH Format 1使用multitone模式時(shí)，MCS索引與TBS索引一一對(duì)應(yīng)使用QPSK調(diào)試，當(dāng)使用single-tone模式時(shí)，MCS索引為0或1時(shí)使用BPSK調(diào)試，MCS索引為2～10時(shí)，使用QPSK調(diào)制。對(duì)于NUPSCH Format 2只使用BPSK調(diào)制方式。反映上行數(shù)據(jù)傳輸量的參數(shù)主要有上行TBS數(shù)和上行MCS，這兩個(gè)參數(shù)分別從上行共享信道的ITBS字段和MCS（UL Grant Present=1時(shí)）參數(shù)組進(jìn)行平均計(jì)算。當(dāng)使用single-tone模式時(shí)，最大的MCS值為10。表1為指標(biāo)結(jié)果：

圖3 上行信道資源分配

圖4 NPUSCH信道信息

表1 MCS與TBS結(jié)果

下行物理信道有NPBCH、NPDCCH、NPDSCH三種，NPBCH用于傳輸MIB消息，NPDCCH用于傳輸DCI信息，NPDSCH用于傳輸數(shù)據(jù)和SIBType1 NB和SIB NB消息。NPDSCH在時(shí)域上由連續(xù)的1、2、3、4、5、6、8、10個(gè)子幀組成，頻域上為180 kHz（12×15 kHz），一個(gè)RB塊的資源單位，只有QPSK一種調(diào)制方式，最大的TBS為680 bit，MCS索引與TBS索引一一對(duì)應(yīng)，MCS最大值為12，但是只有獨(dú)立部署或保護(hù)帶部署模式時(shí)才可使用MCS11或12的數(shù)據(jù)傳輸塊。反映下行數(shù)據(jù)傳輸量的參數(shù)主要有下行TBS數(shù)和下行MCS（DL Grant Present=1時(shí)），參數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法與上行類似。

由于上行最大TBS為1 000 bit，下行最大TBS為680 bit，且下行NPBCH/NPSS/NSSS對(duì)物理信道的開銷大于上行NPRACH對(duì)物理信道的開銷，因此在NBIoT網(wǎng)絡(luò)中上行業(yè)務(wù)速率大于下行業(yè)務(wù)速率。

表2 信道重傳次數(shù)

2.3 重傳機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)側(cè)對(duì)不同覆蓋級(jí)別定義了對(duì)應(yīng)的NPRACH時(shí)域頻域資源配置和重復(fù)次數(shù)。終端在得到當(dāng)前所處的網(wǎng)絡(luò)Coverage Level后根據(jù)所處的覆蓋級(jí)別按指定的重復(fù)次數(shù)隨機(jī)接入，eNodeB收到Preamble后確定終端所處的覆蓋級(jí)別，并針對(duì)該終端制定NPDCCH（最大2 048）、NPDSCH（最大2 048）、NPRACH（最大128）、NPUSCH（最大128）的重復(fù)次數(shù)，相對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)增加了物理層控制信道的重復(fù)發(fā)送機(jī)制。但是過高的重復(fù)次數(shù)在提升覆蓋增強(qiáng)的同時(shí)會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率、加大傳輸時(shí)延、增加終端功耗和網(wǎng)絡(luò)信令開銷。

NPDCCH中傳輸DCI信息有三種格式，格式N0用于NPUSCH調(diào)度，格式N1用于NPDSCH調(diào)度及PDCCH order觸發(fā)的隨機(jī)接入，格式N2用于Paging調(diào)度。因此在計(jì)算NPDCCH的重復(fù)次數(shù)時(shí)應(yīng)區(qū)分DCI N0與DCI N1。在計(jì)算三種信息的重復(fù)次數(shù)時(shí)中通過UL/DL GRAND PRESENT、PDCCH Order Present來區(qū)分三種格式，并計(jì)算不同格式下的DCI Repetition Number。PRACH信道的隨機(jī)接入重復(fù)次數(shù)通過MSG1的隨機(jī)接入請(qǐng)求消息中計(jì)算得到。NPDSCH的重傳次數(shù)在DCI信息里的Repetition Number中計(jì)算。NPUSCH的重傳次數(shù)通過圖4中NPUSCH Format=Format 1且Is MSG3=FALSE時(shí)，取Repetition Numbe數(shù)組中平均值計(jì)算。重傳次數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3 網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估體系差異分析

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估體系整體分類與LTE網(wǎng)絡(luò)類似，均分為覆蓋、干擾、調(diào)度、移動(dòng)、接入五大類指標(biāo)，但是指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法、門限的取值以及指標(biāo)的重要性由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特性及應(yīng)用場(chǎng)景不同有所變化。本文重點(diǎn)研究NB-IoT網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估體系中特有指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)沿用LTE指標(biāo)實(shí)現(xiàn)方法的部分不再贅述，主要說明兩者的差異。

NB-IoT覆蓋類指標(biāo)包括：平均RSRP、邊緣RSRP、覆蓋率、測(cè)試?yán)锍蹋╧m）、測(cè)試總時(shí)長(zhǎng)（s）、脫網(wǎng)里程（km）、脫網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)（s）、NB駐網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)（s）、RSRP連續(xù)弱覆蓋里程占比（%）及RSRP連續(xù)無覆蓋里程占比（%）。這些指標(biāo)的計(jì)算方法大部分沿用了LTE網(wǎng)絡(luò)相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算方法，但是由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)的要求，覆蓋率計(jì)算門限由LTE網(wǎng)絡(luò)的“-110 dBm”提升到“-84 dBm”，即NB-IoT覆蓋率=“RSRP值大于等于-84 dBm的采樣點(diǎn)數(shù)/RSRP總采樣點(diǎn)數(shù)”。同時(shí)由于NB-IoT終端芯片與LTE終端芯片存在版本差異，所以計(jì)算覆蓋類參數(shù)的解析方法也不同。

干擾類指標(biāo)主要包括：平均RS-SINR、邊緣RSSINR、連續(xù)SINR質(zhì)差里程占比、重疊覆蓋率、重疊覆蓋里程占比及mod 3沖突比例。與覆蓋類指標(biāo)類似，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)干擾指標(biāo)的計(jì)算方法相比LTE網(wǎng)絡(luò)變化不大，只是調(diào)整了計(jì)算門限。

調(diào)度類指標(biāo)主要包括：上行物理層速率（含掉線）、上行物理層速率（不含掉線）、下行物理層速率（含掉線）、下行物理層速率（不含掉線）、下行NPDSCH平均重復(fù)次數(shù)、上行NPUSCH Format 1平均重復(fù)次數(shù)、上行MCS統(tǒng)計(jì)、下行MCS統(tǒng)計(jì)、上行NPUSCH Format 1平均調(diào)度的子載波個(gè)數(shù)、上行NPUSCH Format 1 3.75 kHz的比例、上行NPUSCH Format 1 15 kHz ST及上行NPUSCH Format 1 15 kHz MT的比例。由于NB-IoT的物理層信道設(shè)計(jì)采用窄帶方式與LTE的寬帶設(shè)計(jì)差異較大，因此調(diào)度類指標(biāo)變化較大，具體指標(biāo)計(jì)算方法已經(jīng)在上文中論述。

移動(dòng)類指標(biāo)主要包括：NB-IoT網(wǎng)內(nèi)異頻重選成功率、NB-IoT網(wǎng)內(nèi)異頻重選時(shí)延、NB-IoT網(wǎng)內(nèi)同頻重選成功率、NB-IoT網(wǎng)內(nèi)同頻重選時(shí)延、TA區(qū)更新成功率及TA更新平均時(shí)延等。這些指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法仍然沿用了LTE網(wǎng)絡(luò)相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算方法，但是相對(duì)于LTE網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)類指標(biāo)中減少了LTE網(wǎng)內(nèi)同異頻切換、異系統(tǒng)重選及重定向類指標(biāo)。

接入類指標(biāo)主要包括：RRC連接建立成功率及時(shí)延、ATTACH成功率及時(shí)延、DETACH成功率及時(shí)延、SERVICE REQUEST成功率及時(shí)延。接入類指標(biāo)的計(jì)算方法雖然沒有變化，但是重要程度相對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)有所提升。例如：ATTACH成功率及時(shí)延反映了NB-IoT業(yè)務(wù)的接入能力，在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中為關(guān)鍵指標(biāo)，在LTE網(wǎng)絡(luò)中該指標(biāo)為非關(guān)鍵指標(biāo)。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)是未來運(yùn)營(yíng)商收入的主要增長(zhǎng)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)性能的好壞直接影響到電表、水表等企業(yè)用戶的使用感受。運(yùn)營(yíng)商一方面要加快網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度爭(zhēng)取客戶，一方面要保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量留住客戶。目前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)保障手段很不完善，終端芯片不斷升級(jí)、各種測(cè)試工具采用私有實(shí)現(xiàn)方法造成指標(biāo)差異波動(dòng)大，建立一套集中采集NB-IoT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評(píng)估分析工具的需求強(qiáng)烈。因此本文研究分析了提高深度覆蓋采用的功率譜密度提升、上下行物理信道重定義、重傳機(jī)制等技術(shù)，針對(duì)這些技術(shù)特性設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)方法，總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)與LTE網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估體系差異。在完成理論研究、實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)、工具開發(fā)后，需要利用工具進(jìn)行NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)解決網(wǎng)絡(luò)問題，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

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