物聯網NB-IoT網絡異頻組網規劃研究及現網應用

【摘 ?要】為解決中國電信NB-IoT網絡單頻組網存在較為嚴重同頻干擾的問題，提出全網基站小區異頻插花組網規劃思路，研究確定了一套“2505/2507/2509”三頻組網規劃策略方案，通過多方面評估，該套策略方案能有效降低同頻組網帶來的干擾問題，大大提升了NB-IoT網絡整體性能。

【關鍵詞】NB-IoT;同頻干擾;異頻組網;三頻組網;頻率規劃

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.009 ? ? ?中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1006-1010（2019）12-0048-05

引用格式：劉從柏，蔡文峰，王良. 物聯網NB-IoT網絡異頻組網規劃研究及現網應用[J]. 移動通信， 2019，43（12）： 48-52.

Research and Application of NB-IoT Inter-Frequency Networking Planning for the Internet of Things

LIU Congbai， CAI Wenfeng， WANG Liang

（Guangdong Wireless Network Optimization Center of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

[Abstract]?In order to solve the serious co-channel interference problem of China Telecom's NB-IoT network due to single-frequency networking， this paper proposes an inter-frequency flower arrangement networking plan for base stations in the entire network and determines a solution with “2505/2507/2509” tri-band networking planning. Through various evaluations， the proposed solution can effectively reduce the interference problem caused by co-frequency networking and greatly improve the overall performance of the NB-IoT network.

[Key words]NB-IoT; co-channel interference; inter-frequency networking; tri-band networking; frequency planning

0 ? 引言

中國電信NB-IoT網絡開網階段采用2506頻點單頻組網進行網絡規劃部署，在單頻組網的現狀下，NB-IoT基站網絡現有功率配置及窄帶特點導致NB-IoT功率譜密度比GSM或LTE網絡增強約20 dB。這會使現有NB-IoT網絡整體RS-SINR較差，小區間同頻干擾非常嚴重，這將嚴重影響NB-IoT業務的有序發展。考慮到NB-IoT網絡當前僅采用室外基站規劃建設來降低運營投資成本，若采用降低基站發射功率或增加站間距來降低小區間同頻干擾，就會導致室內覆蓋質量明顯下降，這就需要尋求一種可行的降低小區間同頻干擾的解決方案，即本文所提出的“異頻小區插花組網”方案。

1 ? NB-IoT單頻組網規劃現狀及特性

1.1 ?單頻組網規劃現狀

考慮到NB-IoT產業鏈發展及模組芯片支持低于1G頻段的情況，中國電信很早就決定利用L800M網絡開通支持NB-IoT功能，盡可能避免與CDMA283頻點互干擾，2017年中國電信確定采用中心頻率879.6 kHz進行NB-IoT全網部署。

由于物聯網NB-IoT業務要支持更多深度覆蓋業務（如地下智能抄表、地下智能停車等室內深度覆蓋業務），目前L800M與NB-IoT網絡采用1：1方式規劃建設。考慮到NB-IoT與CDMA283頻點僅相差395 kHz保護間隔，絕大部分CDMA與NB-IoT網絡采用共站址規劃建設。

1.2 ?單頻組網規劃特性

在當前NB-IoT單頻組網的現狀下，NB-IoT基站網絡單天線發射功率配置為5 W（即29.2 dBm），和現網L800M基站相比，發射功率增加約10 dB，而NB-IoT使用帶寬僅為L800M的1/25，即NB-IoT帶寬僅180 kHz，導致NB-IoT功率譜密度遠大于L800M[1]。理論上，這就會引起嚴重的小區間信號重疊覆蓋，從而下行NB-IoT網絡RS-SINR遠低于L800M，即NB-IoT在該功率配置情況下小區間同頻干擾較為嚴重。

根據某省NB-IoT室外測試分析，從RS-SINR分布區間來看，RS-SINR≤-5 dB采樣點占比高達19.78%，且-5 dB

圖1 ? ?某省NB-IoT室外測試RS-SINR分布區間

2 ? NB-IoT異頻組網策略及方式

從理論上分析，實測的RS-SINR惡化主要是由于PCI模3值相同的小區信號重疊導致，PCI模3值不相同的小區信號即使重疊，由于RS位置通過頻域錯開，對RS-SINR惡化的影響不大（僅網絡存在一定開銷信息時，不同模3值的小區會存在較小的重疊干擾）。

基于以上理論分析，為改善室外全局性RS-SINR較差問題，目前的解決思路只能通過“異頻小區插花組網”方式解決，其它可行解決方法存在如下問題：

（1）傳統RF方式。RS-SINR質差問題屬于全局性問題，無法通過RF優化（方向角、下傾角、功率等調整）得到較大改善。

（2）L800M與NB-IoT非1：1組網方式。存在較多NB-IoT覆蓋弱且C網覆蓋強區域，將會導致C網對NB-IoT下行的干擾。針對關閉NB-IoT功能的L800M站點，其周邊樓宇室內將會更容易出現弱覆蓋問題[2]。

（3）降低NB-IoT發射功率。下行鏈路最小耦合損耗（MCL）會降低，將會出現較多室內區域出現弱覆蓋問題。

目前，中國電信NB-IoT網絡采用L800M網絡共站建設，NB-IoT網絡使用下行頻點必須位于Band5頻帶中已分配給中國電信的800 MHz—870 MHz（下行）范圍。由于現網靠近870 MHz空閑頻段大部分被EVDO網1019占用，因此，NB-IoT網絡可用頻率資源只能從靠近880 MHz上端空閑的895 kHz選取（即879.105MHz—880 MHz）。由于NB-IoT下行中心頻點協議規定必須是100 kHz的整數倍，NB-IoT網絡可用頻點資源僅有7個頻點，下行中心頻率分別為879.3 MHz、879.4 MHz、879.5 MHz、879.6 MHz、879.7 MHz、879.8 MHz和879.9 MHz。對上述可用的7個頻點資源進行前期試點驗證，下行中心頻率為879.3 MHz頻點與CDMA網絡283頻點存在較為嚴重的互干擾情況，建議NB-IoT網絡不采用此頻點資源。考慮到頻點帶寬不重疊，“異頻小區插花組網”方式僅有“雙頻”和“三頻”兩種實現方式。

對某個大范圍區域（約200個基站）進行測試驗證，“雙頻小區插花組網”相比于現網單頻方案對SINR改善效果不明顯，無法通過該方式來改善全網RS-SINR，不建議采用“雙頻小區插花組網”方式。因此，為了改善單頻組網下RS-SINR較差的現狀，建議采用“三頻小區插花組網”方式。由于NB-IoT網絡頻點帶寬為200 kHz，考慮到使用的三個頻點不重疊，“三頻小區插花組網”方式僅存在以下兩種方式[3]：

（1）“三頻小區插花組網”方式一：下行中心頻率分別為879.4 MHz、879.6 MHz和879.8 MHz，按照3GPP協議對頻點號公式計算，即對應頻點號分別為2504、2506和2508。

（2）“三頻小區插花組網”方式二：下行中心頻率分別為879.5 MHz、879.7 MHz和879.9 MHz，按照3GPP協議對頻點號公式計算，即對應頻點號分別為2505、2507和2509。圖2為兩種“三頻小區插花組網”方式：

圖2 ? ?兩種“三頻小區插花組網”方式

3 ? NB-IoT三頻組網規劃方案及應用

從上面的分析來看，中國電信現有NB-IoT網絡僅存在“2504/2506/2508”和“2505/2507/2509”兩種三頻小區插花組網方案來改善全網RS-SINR，而在實際商用網絡組網環境下，深入分析研究并實現了三頻規劃、方案分析及應用評估。

3.1 ?三頻組網頻點規劃

根據理論分析，RS-SINR惡化主要是由于PCI模3值相同小區存在信號重疊覆蓋導致，全網小區三頻規劃最核心的原則是“確保鄰近基站PCI模3相同小區盡量配置異頻”。基于這個核心原則，通過分析研究及試點驗證，提出了一種全網小區三頻頻點規劃思路及方式，即基于PCI規劃的頻點分配方法。因現網小區PCI規劃基本滿足以下規律，即小區標識0扇區模3值相同，小區標識1扇區模3值相同，小區標識2扇區模3值相同，這就需要確保鄰近基站相同小區標識扇區盡可能采用異頻，以此達到全網任何一個基站下不同小區只可能采用其中三組頻率中一組方案（即僅從M0/M1/M2中選取一組），具體規劃步驟如下。

步驟1：把每個基站看成是一個室分小區（即全向天線小區），從盡可能避免模3干擾的角度，實現全網室分小區分配合理PCI。

步驟2：通過PCI規劃工具（有條件的可以采用基于仿真軟件PCI規劃，其優點是考慮到天線高度、方向角、下傾角、建筑物阻擋等多方面因素避免模3干擾），基于降低全網模3干擾，進行全網室分小區PCI規劃。

步驟3：每個基站PCI模3值為0，該基站三個小區分配M0頻率組;同理，PCI模3值為1，該基站三個小區分配M1頻率組;PCI模3值為2，該基站三個小區分配M2頻率組。圖3為三頻頻點規劃思路及方式：

圖3 ? ?三頻頻點規劃思路及方式

以某個區域規劃結果來看，該區域全網小區標識0扇區（2扇區/3扇區）規劃各頻點占比分別約1/3，實現了頻率分配最優，且從地理化分析基本實現了鄰近小區盡量配置異頻。表1為某區域全網小區三頻規劃結果。

3.2 ?三頻組網方案分析

針對“2504/2506/2508”和“2505/2507/2509”這兩種三頻小區插花組網方案，通過分析研究及試點驗證，從現有2506頻點單頻組網改為以上這兩種組網方案，將會出現不同的NB-IoT業務運營風險。

針對“2506改為2504/2506/2508”主要存在的運營風險有以下4種情況[4-5]：

風險1：模組無法使用非2506頻點，導致終端可能無法使用最優頻點。分析后可知主要有3種情況可以導致終端無法使用2506頻點，即模組廠家在設計時進行鎖頻2506;終端公司在MCU設計時控制終端在上電或PSM模式喚醒后下發AT鎖頻2506操作;因模組本身搜索無2506頻點時間過長，且終端在MCU設計了定時器，定時器時長低于搜索時間，本次業務發送失敗。

風險2：主流模組芯片flash中已保存2506頻點，導致終端可能存在無法使用最優頻點。

風險3：主流模組內置老版本芯片不支持重選，且主流模組內置部分新版本芯片支持重選但默認關閉重選開關，導致終端可能無法使用最優頻點。

風險4：主流模組內置部分新版本芯片支持重選且開啟重選開關，但NB-UIM卡VPN默認ctnb配置參數“PSM激活定時器為2秒”影響終端在短時間內無法進行小區重選，導致終端可能無法使用最優頻點。

針對“2506改為2505/2507/2509”主要存在的運營風險僅有1種情況，即僅存提到的風險1。

因此，從盡可能降低業務風險的角度考慮，提出最終采用“2505/2507/2509”三頻小區插花組網方案。

3.3 ?三頻組網應用評估

從以上理論分析可知：三頻小區插花組網實施將會提升全網RS-SINR指標，從而導致更多的終端成功上報覆蓋等級0，這也會使無線側RRC連接成功率有所提升。

本次采用“2505/2507/2509”三頻小區插花組網方已于2019年4月27日凌晨在廣東電信NB-IoT現網開展大規模實施應用，實施后效果評估情況滿足以上理論分析結果。

（1）全網RS-SINR平均值。通過對某局部區域開展DT拉網測試獲取RS-SINR平均值，每個區域RS-SINR平均值提升約10 dB。圖4為實施前后某區域測試SINR平均值對比：

圖4 ? ?實施前后某區域測試SINR平均值對比

（2）全網覆蓋等級0平均用戶占比。通過對無線網管提取全省NB-IoT網絡覆蓋等級0（RSRP大于-107 dBm且SINR大于3.6 dB）平均用戶數占比，日均覆蓋等級0用戶占比由50%提升至70%左右，提升比例高達20%。圖5為實施前后全網覆蓋等級0用戶數占比走勢：

圖5 ? ?實施前后全網覆蓋等級0用戶數占比走勢

（3）全網RRC連接成功率。對無線網管提取全省NB-IoT網絡RRC連接建立成功率，日均RRC連接建立成功率由93%提升至97%左右，提升約4%。圖6為實施前后全網RRC連接成功率走勢：

圖6 ? ?實施前后全網RRC連接成功率走勢

4 ? NB-IoT三頻組網風險及建議

通過以上對三頻組網方案及應用情況的分析，要降低NB-IoT網絡2506單頻組網環境下小區間同頻干擾，目前可行手段是通過“2505/2507/2509”三頻小區插花組網方案進行解決，但是，該解決方案實施后也可能會存在一定的業務風險。

可能風險1：僅使用2506頻點。模組一旦僅使用2506頻點，會使業務數據上報不成功。

可能風險2：終端位置發生變化。當終端在三頻組網下使用一定時間，模組芯片flash中將會保存已使用頻點（2505或2507或2509），當終端位置發生變化后（如客戶演示、新入網部署），每次開機僅搜索周邊已保存的頻點，無法使用其它頻點。

可能風險3：2509頻點存在干擾。2509位于880 MHz邊緣，無保護帶，存在干擾風險。

可能風險4：網絡經常突發變動。當終端經常使用的小區出現新建站、站點逼遷等網絡變動，若模組芯片flash中保存已使用頻點（2505或2507或2509），每次開機僅搜索周邊已保存的頻點，無法使用其它頻點。

為及時做好風險預防措施，提出了可行的解決方法加以規避。

針對風險1：針對存量NB-IoT終端，若無法實現遠程升級可臨時采用2506頻點進行覆蓋，若可遠程升級應及時采用遠程升級終端（含模組及MCU），確保適配異頻組網。針對增量NB-IoT終端，協調客戶對終端進行升級（含模組及MCU），通過終端入網測試進行嚴格把關，通過測試方可入網部署。

針對風險2：針對無需關注耗電類業務（如白色家電）、移動類業務（如共享單車），可采用確保MCU設計流程中增加下發“AT消除頻點命令”以確保模組芯片不保存上次使用的頻點，或在MCU設計流程中增加“出現與上一次使用PCI不一致情況則下發AT消除頻點命令”來確保模組芯片不保存上次使用的頻點。針對需關注耗電類業務（如智能抄表），確保空閑態支持異頻重選，且選用的VPN策略能保證異頻重選時間。

針對風險3：針對短期內存在干擾區域，針對存在干擾小區修改2509頻點。針對遠期未來可能存在的干擾區域，若出現干擾范圍較小修改2509頻點，若干擾范圍較大，后續全網由“2505/2507/2509”改為“2504/2506/2508”。

針對風險4：針對業務異常區域，開展關聯基站RF優化或修改關聯小區頻點。

5 ? 結束語

本文提出的“2505/2507/2509”三頻組網規劃方案，在大規模實施應用后能大大降低小區間同頻干擾，并針對未來可能存在的風險給出了應對措施和建議，后續需要協調NB-IoT終端產業鏈推進解決這些風險，同時需要中國電信在全國范圍內實施三頻組網方案，以此來真正改善中國電信NB-IoT網絡質量，為未來NB-IoT業務正常運營提供可靠的網絡保障。

參考文獻：

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