NB-IoT獨立部署下的容量性能分析

黃韜，劉昱，張諾亞

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

NB-IoT獨立部署下的容量性能分析

黃韜，劉昱，張諾亞

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

NB-IoT作為新興的物聯網技術，已經臨近商用階段，但暫無可行的方案用于NB-IoT小區容量的測試，因此將介紹一種容量評估方法，根據3GPP標準定義的業務模型、用戶分布模型和外場試驗的配置參數，通過NB-IoT一次業務的資源消耗分析NB-IoT下行業務信道容量、隨機接入容量和上行業務信道容量，得出NB-IoT小區的綜合容量。

NB-IoT 容量評估方法 資源消耗

1 引言

近年來，移動物聯網發展迅猛，移動通信正在從人和人的連接，向人與物及物與物的連接邁進。其中，窄帶物聯網技術NB-IoT具備廣覆蓋、大容量、低功耗、低成本四大特點[1]，發展更為迅猛。大容量是NB-IoT的技術特點，但受限于整體產業鏈進度，暫無可用的測試工具和可行的測試方法用于NB-IoT的容量測試，因此，現階段只能采取其他方法對NB-IoT的容量進行評估。本文將根據3GPP標準定義的NB-IoT業務模型和用戶分布模型，并基于鏈路預算和外場測試的參數配置，從下行業務信道容量、隨機接入容量和上行業務信道容量三個方面對NB-IoT的容量性能進行分析，得到NB-IoT的總體容量性能。

2 NB-IoT容量評估方法介紹

2.1 NB-IoT容量評估方法

首先從業務模型出發，計算單用戶每天發起業務的次數；再基于用戶分布模型計算不同MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合損耗）覆蓋等級下用戶的比例；接著根據不同CEL（Coverage Enhancement Level，覆蓋增強等級）下的重復次數和MCS（Modulation and Coding Scheme，調制編碼方式）等級，分別計算單次接入的上下行資源消耗；最后分別計算下行業務信道容量、隨機接入容量、上行業務信道容量，由此得到NB-IoT綜合容量（容量取決于瓶頸部分）。

2.2 NB-IoT業務模型和用戶分布模型

3GPP TR45.820定義了四種業務模型[2]：MAR（Mobile Autonomous Reporting，移動端自主報告）-例外報告、MAR-周期報告、網絡命令和軟件升級/重配模型。在現階段實際應用中，業務量需求最大且最為典型的業務模型為“MAR-周期報告”業務類型，故本文在進行容量分析時，以“MAR-周期報告”類型進行分析。

根據3GPP定義的業務模型分析單用戶每天發起業務的次數[2]，如表1所示：

表1 用戶每天發起的業務次數

根據用戶分布模型分析不同覆蓋等級的比例，如表2所示：

表2 用戶不同覆蓋等級的比例

3 NB-IoT容量計算

3.1 容量分析假設

本文所進行的容量計算基于以下前提假設：首先，NB-IoT的部署模式為stand-alone（獨立部署）模式，且終端工作在CP（Control Plane，控制面優化）模式下；其次，分析的是基于NB-IoT終端主動發起的業務，典型應用場景為電表、氣表、水表數據的主動上報，代表了NB-IoT業務的主要類型；網絡下發命令進行數據查詢，以及終端軟件升級進行數據下載，屬于NB-IoT網絡的非主流業務類型，本文不做分析。終端發起一次上行業務的數據包大小為200字節，使用15 kHz single tone（單子載波）發送[3]。終端在上行數據發送完成之后，服務器端應用層會向終端發送一個20字節的確認包。上下行MCS等級的選擇依據外場測試的經驗配置，如表3所示：

覆蓋等級 MCS等級

表3 不同覆蓋等級下MCS等級

下行各信道重復次數的選擇也依據外場測試的經驗配置，如表4所示：

表4 不同覆蓋等級下各信道重復次數

總體分析思路：分析一次200字節數據上報業務全流程產生的資源消耗，再根據可用資源情況以及單終端發起數據上報業務頻率，計算得到各種信道的容量。一次200字節上行業務全流程如圖1所示。

一次200字節上行業務全流程包括：1）終端發送MSG 1（NPRACH）；2）基站回復MSG 2（NPDCCH-NPDSCH）；3）終端發送MSG 3（NPUSCH）；4）基站回復MSG 4（NPDCCHNPDSCH-ACK）；5）終端發送MSG 5（NPDCCHNPUSCH）；6）上行200Byte數據的第1次發送（NPDCCH-NPUSCH）；7）上行200 Byte數據的第2至n次發送（NPDCCH-NPUSCH），分兩種情況：當MCS等級為10，上行最大TBS（Transmit Block Size，傳輸塊大小）為1 000 bit[4]，上行200 Byte數據需2次NPDCCH調度；當MCS等級為0，上行最大TBS為256 bit[4]，上行200 Byte數據需要8（即n=8）次NPDCCH調度；8）服務器端返回確認（NPDCCHNPDSCH）；最后，RRC連接釋放（NPDCCHNPDSCH-ACK）。

圖1 一次200字節上行業務全流程

3.2 NB-IoT尋呼開銷分析

尋呼能容納的用戶量與終端被尋呼頻次相關，而網絡查詢終端數據不是NB-IoT網絡的主流業務類型，因此本文僅根據網絡的經驗配置預留尋呼開銷，對尋呼容量不做進一步分析：

其中，nB為DRX（Discontinuous Reception，非連續接收）周期內PO（Paging Occasion，尋呼機會）的個數。尋呼所占資源消耗如表5所示。

3.3 NB-IoT下行容量

NB-IoT下行信道的主要開銷包括由NPSS/NSSS、MIB、SIB1和SI系統消息組成的公共開銷，尋呼開銷，NPDCCH信道開銷，NPDSCH MSG2/MSG4/RRC釋放開銷和NPDSCH業務數據開銷[5]。本節首先分析公共開銷，并根據3.2節的尋呼開銷分析得到可用下行資源，然后根據每次業務發起需消耗的NPDCCH開銷和NPDSCH開銷計算下行容量。

（1）NB-IoT下行開銷分析

公共開銷的計算公式見公式(2)：

NB-IoT的NPSS（Narrowband Primary Synchronization Signal，窄帶主同步信號）占用每個無線幀的子幀5發送[6]，NPSS開銷=1/10=10%。NSSS（Narrowband Secondary Synchronization Signal，窄帶輔同步信號）占用每個偶數無線幀的子幀9發送[6]，NSSS開銷=1/20=5%。MIB消息周期為640 ms，分為8個塊傳輸，每個塊長8個無線幀，MIB信息在每個塊中每個無線幀的子幀0上傳輸[7]，MIB開銷=8×8/640=10%。SIB1消息周期為2 560 ms，分為16個塊，每個塊16個無線幀，SIB1信息在每個塊中基數或者偶數無線幀的子幀4傳輸，重復次數可為4、8、16[6]，這里取重復次數為8，則SIB1開銷=8×8/2 560=2.5%。SI1/SI2/SI3/SI4消息的開銷和SI窗口大小、SI周期和重復次數相關，這里取SI1窗口長度為320 ms、周期為2 560 ms，每8個無線幀重復，則SI1開銷=(8×4/320)×(320/2 560)=1.25%；取SI2、SI3窗口長度為320 ms，周期為5 120 ms，每16個無線幀重復，則SI2/SI3開銷=(8×2/320)×(320/5 120)=0.31%；取SI4窗口長度為320 ms、SI4周期為2 560 ms、每16個無線幀重復，則SI4開銷= (8×2/320)×(320/2 560)=0.63%。

表5 尋呼所占資源消耗

由表6可知，NB-IoT公共開銷占總下行信道的30%。

表6 公共信息所占資源消耗

根據3.1節的前提假設，UE處在CEL=0時，一次上行業務全流程一共有7次NPDCCH過程，占用7 ms時長；UE處在CEL=1或CEL=2時，一共13次NPDCCH過程，占用13 ms時長。根據不同覆蓋等級的重復次數以及對應的用戶比例，可以得出NPDCCH的加權資源消耗，如表7所示。

表7 NPDCCH所占資源消耗

NB-IoT的MSG2 Random Access Response消息長為160 bit，MSG4 RRC連接建立消息長152 bit，RRC釋放消息長為64 bit[8]。根據不同覆蓋等級下MCS對應的最大TBS，可以計算得到對應的資源開銷。各覆蓋等級下MSG2/MSG4/RRC釋放資源消耗如表8所示。

根據不同覆蓋等級得到的重復次數以及對應的用戶比例，可以得出MSG2/MSG4/RRC釋放開銷的加權資源消耗，如表9所示：

表8 各覆蓋等級下MSG2/MSG4/RRC釋放資源消耗

表9 MSG2/MSG4/RRC釋放消息所占資源消耗

（2）NB-IoT下行容量計算

NB-IoT小區下行業務容量計算公式為：

則單用戶24小時發起的業務數為11.2，資源利用率為70%。NB-IoT下行容量如表10所示：

表10 NB-IoT下行容量

3.4 NB-IoT隨機接入容量

在本文的計算中，子載波數配置和隨機接入周期的選擇依據外場測試的經驗配置，如表11所示。

表11 NPRACH信道配置

NPRACH前導沖突概率的計算公式如下[9]：

其中，L為每秒隨機接入UE數，r為隨機接入密度，T為資源周期。

由此可以得出隨機接入容量的計算公式：

在計算NPRACH容量時，沖突概率P取值0.05。

不同資源和周期配置的每秒隨機接入UE數如表12所示：不同資源和周期配置的隨機接入容量如表13所示。依據本文的配置，隨機接入容量如表14所示：

表12 不同資源和周期配置下每秒隨機接入的終端數量

表14 NB-IoT隨機接入容量

3.5 NB-IoT上行容量

NB-IoT上行信道的主要開銷為NPRACH開銷、NPUSCH ACK/NACK開銷、NPUSCH MSG3/MSG5開銷和NPUSCH業務數據開銷，剩余資源可用于上行數據傳輸。

（1）NB-IoT上行開銷分析

根據表11所示NPRACH的信道配置，再通過公式(14)可計算出各覆蓋等級的NPRACH：

由此可以得出加權開銷：

隨機接入所占資源消耗如表15所示：

表15 隨機接入所占資源消耗

根據3.1節的前提假設，一次200字節的上行業務全流程一共2次ACK/NACK，在各覆蓋等級下，都占用2個RU（Resource Unit，資源單元）資源。ACK/NACK所使用的NPUSCH格式2在15 k ST子載波格式下，一個RU為2 ms[6]。ACK/NACK所占資源消耗如表16所示。

表13 不同資源和周期配置的隨機接入容量

根據3.1節設定的MCS等級，在CEL=0時，MSG3/MSG5消息一共使用2個RU；在CEL=1時，MSG3/MSG5消息一共使用8個RU；在CEL=2時，MSG3/MSG5消息一共使用8個RU。MSG3/MSG5消息所使用的NPUSCH格式1在15 k ST子載波格式下，一個RU為8 ms[6]。MSG3/MSG5消息所占資源消耗如表17所示。

（2）NB-IoT上行容量計算

NB-IoT小區上行業務容量計算公式為：

則單用戶24小時發起的業務數為11.2，資源利用率為70%。NB-IoT上行容量如表18所示。

表17 MSG3/MSG5消息所占資源消耗

表18 NB-IoT上行容量

4 NB-IoT容量計算結果

通過一次業務全流程消耗、單用戶24小時發起的業務數和單小區可用的總資源，分別計算得到下行容量、隨機接入容量和上行容量，三者之間的最小值為NB-IoT小區容量的瓶頸，即NB-IoT小區的綜合容量，如表19所示：

表19 NB-IoT綜合容量

NB-IoT總體容量受限于NPRACH的容量性能，如果增大NPRACH資源配置，則上行業務信道容量會下降，因此，對于3.1節假定容量分析條件，NB-IoT單小區可容納用戶數為3.7萬左右。

表16 ACK/NACK所占資源消耗

更改容量分析條件會對容量分析結果產生影響，比如：

◆下行業務信道容量：用戶的業務模型、用戶的分布模型、重復次數、MCS等級、尋呼所占資源、系統消息所占資源、服務器端是否返回確認和返回確認的大小均會影響下行業務信道容量的計算結果。

◆隨機接入容量：NPRACH資源配置、UE間隨機接入的沖突概率和用戶的業務模型均會影響隨機接入容量的計算結果。

◆上行業務信道容量：用戶的業務模型、用戶的分布模型、數據包大小、重復次數、MCS等級、隨機接入所占資源均會影響上行業務信道容量的計算結果。

5 結束語

本文基于一種容量評估方法和保守的假設計算得到了NB-IoT容量性能，從3GPP定義的業務模型、用戶分布模型出發，根據外場試驗參數來配置容量評估方法中NB-IoT各信道參數，通過各信道不同覆蓋等級的MCS和重復次數分析一次NB-IoT業務全流程的各信道資源消耗，得出NB-IoT的綜合容量，最后對影響容量結果的參數進行了分析，望有助于NB-IoT網絡建設和優化。需特別提出的是，如果真實網絡的業務模型和用戶分布模型與參考文獻[2]中假設的業務模型和用戶分布模型有明顯的差別，那么需要根據具體業務情況做進一步分析。

[1] 戴國華,余駿華. NB-IoT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究[J]. 移動通信, 2016,40(7)：31-36.

[2] 3GPP TR45.820. Cellular system support for ultralow complexity and low throughput Internet of Things (CIoT) V13.1.0[S]. 2015.

[3] 王計艷,王曉周,吳倩,等. 面向NB-IoT的核心網業務模型和組網方案[J]. 電信科學, 2017,33(4)： 148-154.

[4] 3GPP TS36.213. Physical layer procedures V14.2.0[S]. 2016.

[5] 劉瑋,董江波,劉娜,等. NB-IoT關鍵技術與規劃仿真方法[J]. 電信科學, 2016,32(S1)： 144-148.

[6] 3GPP TS36.211. Physical channels and modulation V14.1.0[S]. 2016.

[7] 3GPP TS36.331. Radio Resource Control（RRC）protocol specification V14.1.0[S]. 2016.

[8] 3GPP TS36.321. Medium Access Control（MAC）protocol specification V14.2.1[S]. 2017.

[9] 邢劍卿,黃陳橫. 3GPP NB-IoT空口容量淺析[C]//2016廣東蜂窩物聯網發展論壇?？? 廣州： 移動通信編輯部, 2016： 17-22. ★

Analysis on Capacity Performance in the Mode of NB-IoT Stand-alone Deployment

HUANG Tao, LIU Yu, ZHANG Nuoya
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

As the newly burgeoning IoT technology, NB-IoT is facing commercial phase. However, there is no applicable scheme to test the capacity of NB-IoT cells. A capacity evaluation method is introduced. According to the traffic model, user distribution model and outfield experiment configuration parameters defined by 3GPP specifications,the NB-IoT downlink traffic channel capacity, random access channel capacity and uplink traffic channel capacity were analyzed based on the resource consumption of one NB-IoT traffic to derive the overall capacity of NB-IoT cells.

NB-IoT capacity evaluation method resource consumption

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.015

TN929.5

A

1006-1010(2017)17-0078-07

黃韜,劉昱,張諾亞. NB-IoT獨立部署下的容量性能分析[J]. 移動通信, 2017,41(17)： 78-84.

2017-05-11

責任編輯：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

黃韜：碩士畢業于伯明翰大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事物聯網和無線接入新技術研究等工作。

劉昱：博士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院移動通信研究所，主要從事無線網絡架構及新技術研究工作。

張諾亞：碩士畢業于北京郵電大學通信與信息系統專業，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事物聯網、可穿戴終端、移動終端研究等工作。