基于NB-IoT網絡的電動車物聯網研究

朱 燕，趙文濤，李 靜（中國聯通鄭州分公司，鄭州450000）

0 前言

為全面落實國務院部署，進一步提升城市管理水平，2018年市政府在全市開展電動自行車安全綜合治理工作。市公安局作為項目需求單位，確定了NBIoT+GPS/北斗的項目技術方案。運營商提供NB-IoT網絡環境和物聯網卡，廠家提供芯片、模組和業務平臺，共同搭建測試環境，積極成立建維優一體化網絡保障工作組，通過與需求單位深入交流業務應用需求，制定詳細的NB網絡升級、網絡參數優化、外部干擾排查、模組與網絡的參數匹配、模組問題的定位與排除等各環節實施方案，對項目測試區域的網絡覆蓋和業務應用進行了有效保障，順利協助公安局完成了試點區域用戶入網、電動車防盜、綜合交通治理等工作。

本次選取登封市做放號試點，運營商提供NB-IoT網絡環境和物聯網卡，搭建測試環境。NB-IoT作為新型網絡，電動車終端每10 s上傳一次當前位置數據信息，掉線后重新搜索接入，對網絡容量和接入成功率要求較高；在容量滿足業務需求的同時，需做好網絡優化工作，以滿足業務對接入成功率的要求。因此，對于本次電動車保障項目，網絡容量、網絡性能、終端與網絡兼容性是本次試點成功的前提。

1 容量預評估

1.1 數據采集模式

電動車有普通模式和追蹤模式2種狀態，不同模式數據采集的周期、數據包大小等均不同。

a）普通模式。包含路口模式和非路口模式。非路口模式指電動車內的終端設備在非路口的路段中采集上報數據包的模式；路口模式指電動車內的終端設備在通過路口的路段中采集上報數據包的模式。設置300萬輛中99.8%的車輛處于普通模式中，普通模式下，用戶騎行電動車的時間為4 h。騎行周期內包含路口模式與非路口模式的頻繁切換，非路口模式設置采樣周期為10 s，路口模式設置采樣周期為1 s，本地儲存后，每5 min將多次采樣的數據打包上傳一次，打包的數據包長度為280 B，數據包傳輸時間為10 000 ms，傳完數據后，立即釋放連接。

b）追蹤模式。追蹤模式主要針對布控車輛。設置300萬輛中2‰的車輛處于追蹤模式，數據為打包上傳。設置采樣周期為2 s，本地儲存后，每30 s將多次采樣的數據打包上傳一次，數據包長度為418 B，數據包傳輸時間為7 000 ms，傳完數據后，立即釋放連接。

1.2 容量評估

前提：模組和平臺需要實現錯峰和智能排隊功能。

根據用戶單次接入發包過程的空口信令交互、占用各信道的時間，分別計算各信道的容量公式如下：

各信道容量=各信道總的時頻資源/

覆蓋等級i單用戶占用信道時間)×調度效率

根據小區容量［1］計算，試點區域有183個小區，在普通模式下可以承載：2 323×183=425 109個用戶，在追蹤模式下可以承載：1 463×183=267 729個用戶。滿足試點區域投放用戶的需求。

2 網絡性能提升

2.1 網絡性能問題攻堅

隨著登封區域NB終端投放數量增加，發現NBIoT網絡RRC建立成功率［2］嚴重惡化（見圖1），項目組緊急成立專項優化小組，針對電動車接入問題進行分析處理。

2.2 分析及優化動作

隨著NB終端數量的快速增加，RRC連接建立成功率由91%下降到37%，通過KPI監控、TOP小區分析，發現RRC失敗原因主要為UE無應答，占比99.997%；主要集中在覆蓋等級2下，占比87.4%。專項優化小組制定4類參數優化、TOP小區優化和RF優化等措施，提升RRC建立成功率。

2.2.1 基線參數一致性核查

通過參數核查，核查出與基線不一致的參數如表1所示。

2.2.2 上下行調度算法參數和部分定時器優化

圖1 NB-IoT網絡用戶數與RRC建立成功率趨勢圖

表1 參數核查表

2.2.2.1 上、下行調度算法參數優化

參數調整原因：覆蓋等級1與2的用戶比例太高資源受限；覆蓋等級1與2重復次數高導致資源受限。

參數優化措施：降低覆蓋等級2的重復次數，減少資源開銷［4］。

a）覆蓋等級2的PDCCH重復次數優化。

b）覆蓋等級2的下行重復次數優化。

c）覆蓋等級2的MSG UCI重復次數、上行重復次數優化，并配置邏輯信道定時器。

2.2.2.2 相關定時器優化

相關定時器優化包括3個覆蓋等級沖突解決定時器優化和T300參數優化。

2.2.3 上下行調度算法上行接入用戶調度優化開關

開關打開時，可以通過提升UE接入信令的調度優先級來提升整網接入（RRC建立成功率、RRC建立平均時延等）性能。

2.2.4 擴展型接入禁止算法開關

EABAlgoSwitch開關為開，基站會根據小區當前負載動態下發或取消下發系統消息SIB14，SIB14攜帶擴展型接入禁止參數，控制EAB使用UE相應接入類型接入。

2.2.5 TOP小區參數優化

2.2.5.1 覆蓋等級調整

TOP小區選取：針對覆蓋等級1或2的RRC連接建立請求次數多且子載波資源利用率高的小區。

參數調整：關閉覆蓋等級2或1，讓用戶在覆蓋等級1或0中接入。

2.2.5.2 上行功控參數優化

TOP小區選取：針對隨著RRC連接次數或用戶數增多，RACH接入成功率差，上行底噪惡化嚴重的小區。

參數調整：

a）前導初始接收目標功率值（PreambInitRcvTargetPwr），適當提高該值，UE發送一次前導接入成功的概率就提高，但對鄰區的干擾變大。

b）PUSCH標稱P0值（P0NominalPUSCH），適當增加P0值，增加終端發射功率，基站接收到的信號就會更好，基站基帶解調能力會更好。

2.2.6 外部干擾排查及清頻

900 MHz作為2G時代的黃金頻譜在全球大量部署，各類直放站、干擾器比較多。NB站點開通后很多站點上行受到了外部干擾［3］，易導致上行失步和丟包，對網絡性能影響較大。項目組成立多個干擾排查小組，對受干擾小區集中進行攻關排查。

掃頻排查發現干擾源（主要為私裝信號放大器、電網機房信號放大器和異系統基站干擾3類），并制定了詳細的清除方案，協調各部門全力清除干擾源。

2.3 性能提升效果

專項優化組對登封市NB-IoT網絡的RRC建立相關參數進行了深度優化，減少了RRC重發次數，降低了空口資源占用，RRC連接建立成功率由35.93%提升至96.46%，效果明顯，測試電動車接入正常，用戶體驗良好（見圖2）。

3 終端與網絡兼容性優化

結合前期NB實驗，針對模組、芯片、網絡策略的適配問題，制定相關優化方案。

3.1 網絡參數優化

網絡側要根據業務應用需求，通過對基站重選啟動門限、模組在線計時器等策略進行調整，以達到模組掉線后及時重選和增加可用模組數量等目的。

3.2 終端及協議優化

對于上傳頻次較多的物聯網應用，優化模組終端協議，使用UDP避免傳輸層協議，避免使用HTTP/TCP協議，防止因握手與確認信息較多導致重傳及資源長時間占用等阻塞問題。

通過終端版本升級解決終端無法功控而始終使用最大功率發射，導致網絡底噪抬升大，從而影響接入成功率的問題。

圖2 RRC建立成功率指標變化趨勢

3.3 模組機制優化

根據業務應用優化模組的重連機制。目前模組檢測到脫網后，以5 s、30 s、1 min、2 min、5 min的間隔嘗試重新附著，如果仍搜不到網，2 h后再搜網。這種設計是考慮到大部分NB場景的低功耗要求。對于電動車業務，不擔心功耗，更擔心時效性，考慮在芯片級修改，縮短重連間隔。

對于并發量較大的物聯網業務，終端錯峰上報機制的實現非常重要，否則網絡容量難以滿足業務需求。NB終端駐網流程的錯峰機制將在3GPP R14協議實現。

3.4 芯片性能優化

針對目前NB1800M與NB900M混合組網的現狀，通過對物聯網芯片性能優化，使其支持雙頻且支持異頻自適應，解決異頻段小區的終端重選及數據傳輸問題。

4 總結

NB-IoT網絡因其“兩高兩低”（高連接、高覆蓋、低成本、低功耗）及時延不敏感特性，尤其適用于無線抄表、傳感跟蹤等領域。市電動車綜合治理項目是河南乃至全國首例大型物聯網創新應用項目，通過成立建維優一體化網絡保障工作組，經前期保障預估、方案輸出、問題推動，發現并解決終端與網絡不兼容、外部干擾、參數設置等問題，保障效果良好。順利協助公安局完成試點區域用戶入網、電動車防盜、綜合交通治理等工作，為中國聯通在物聯網市場贏得良好的口碑。