基于NB-IoT多業(yè)務復雜網(wǎng)絡覆蓋的評估和優(yōu)化

衛(wèi)鴻婧，郭 寶，桑勝波

(1.中國移動通信集團山西有限公司，太原 030032；2.太原理工大學 信息工程學院，太原 030024)

NB-IoT是3GPP 針對低功耗廣覆蓋(low power wide area，LPWA)類業(yè)務而定義的新一代蜂窩物聯(lián)網(wǎng)接入技術，主要面向低速率、超低成本、低功耗、廣深覆蓋、大連接需求的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，適用于智能抄表、資產(chǎn)跟蹤、穿戴類設備等低速率、大連接的應用。

NB-IoT網(wǎng)絡建設是要打造高質(zhì)量、高品質(zhì)、城區(qū)范圍連續(xù)覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)承載網(wǎng)絡，支撐國家大連接戰(zhàn)略。現(xiàn)階段NB-IoT行業(yè)應用成熟度低，行業(yè)應用屬于起步階段，網(wǎng)絡整體處于工程優(yōu)化階段。從現(xiàn)階段優(yōu)化情況來看，NB-IoT網(wǎng)絡存在的主要問題有：室外重疊覆蓋嚴重；整體覆蓋較好，但局部覆蓋空洞較多；室內(nèi)疑難場景深度覆蓋不足；NB協(xié)議棧簡化，缺少MR數(shù)據(jù)，評估和支撐手段缺少。此外，基于NB-IoT技術的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務具有業(yè)務模型差異大、服務等級差異大、深度覆蓋要求高、終端靜默長等特征。現(xiàn)階段各業(yè)務商用終端尚未規(guī)模普及，業(yè)務量較少、優(yōu)化經(jīng)驗缺乏、優(yōu)化標準不明，亟需開展針對性的網(wǎng)絡與業(yè)務協(xié)同優(yōu)化研究[1]。

1 基于NB-IoT多業(yè)務復雜網(wǎng)絡覆蓋標準研究

1.1 業(yè)務類型研究

NB-IoT不同垂直應用領域均涉及4類業(yè)務類型中的一種或者幾種，建立分應用、分場景的網(wǎng)絡覆蓋指標標準，首先對4類業(yè)務類型的特征進行研究[2]。3GPP TR45.820協(xié)議中定義了自主異常報告、自主周期報告、網(wǎng)絡指令和軟件更新4類業(yè)務。共同點為傳輸數(shù)據(jù)量小，邊緣速率要求不高，適合靜態(tài)場景。差異體現(xiàn)在傳送數(shù)據(jù)包的大小和業(yè)務周期。細分四類業(yè)務的差異，制定4類業(yè)務對應的5項接入網(wǎng)絡和分配資源過程中涉及的KPI最低標準，如表1所示。

表1 各類業(yè)務最低指標要求Table 1 Minimum requirements for all types of business

1.2 覆蓋增強技術對KPI影響

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)典型業(yè)務對網(wǎng)絡覆蓋提出相對GSM/LTE網(wǎng)絡的最小耦合損耗值MCL增強20 dB的要求。其中，下行覆蓋的增強通過加大數(shù)據(jù)的重復發(fā)送實現(xiàn)；上行覆蓋的增強通過提高功率譜密度和增加數(shù)據(jù)重復發(fā)送次數(shù)實現(xiàn)[3]。

1) 覆蓋等級的設置。與傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡相比，NB-IoT網(wǎng)絡的覆蓋能力除RSRP參數(shù)外，還可通過MCL值與覆蓋級別(coverage level)反映。3種覆蓋等級即常規(guī)覆蓋(normal coverage)、增強覆蓋(extended coverage)和極遠覆蓋(extreme coverage)，分別對應鏈路損耗(minimum coupling loss，MCL)144 dB、154 dB和164 dB.NB-IoT基站支持配置1個RSRP列表，包含兩個RSRP門限值RSRP1，RSRP2，用于區(qū)分不同覆蓋等級。不同覆蓋等級下對應不同的接入資源配置和不同的重復次數(shù)。因此在分析RSRP同KPI關系之前，首先要考慮覆蓋等級的設置。以所處位置RSRP=-110 dBm為例，當RSRP1<-110 dBm，終端按照CE0進行接入；當RSRP1>-110 dBm，終端按照CE1進行接入。

2) 重復次數(shù)。重復技術的本質(zhì)是在時域上將待發(fā)送數(shù)據(jù)在時域上連續(xù)多次重傳，降低了單位時間內(nèi)平均的有效信息量，本質(zhì)上是降低了碼率，相當于以更低的MCS進行數(shù)據(jù)發(fā)送，對于覆蓋提升存在編碼增益，降低接收端的解調(diào)門限要求。以一個長度80 ms的256 bit的碼塊傳輸為例，不重復發(fā)送時，通過BPSK調(diào)制的解調(diào)門限約為-1 dB，含CRC的編碼速率為3.2 bit/s；重復4次發(fā)送時，可以通過將編碼速率降低為0.8 bit/s而使解調(diào)門限降低為-7 dB，此時重復4次的增益為6 dB.隨著重復次數(shù)的增加，獲得的收益趨緩，但會增大終端功耗，頻譜效率下降越嚴重，速率下降程度與重復次數(shù)呈反比。重復次數(shù)與覆蓋等級有關，不同覆蓋等級下設置不同的重復參數(shù)，因此分析RSRP同上傳、下載速率時，首先要考慮覆蓋等級的設置以及不同重復次數(shù)的設置。不同覆蓋等級下，相同重復次數(shù)隨著覆蓋等級差異，速率下降；在同一覆蓋等級下，隨著重復次數(shù)的增加，下載速率逐漸下降。

3) 覆蓋等級設置同KPI的關聯(lián)。以現(xiàn)網(wǎng)參數(shù)設置為例，現(xiàn)網(wǎng) NB為CP模式，只部署錨點載波。當前RSRP1=-110，RSRP2=-120，對應3個覆蓋等級下，NPDSCH、NPUSCH(15K ST)重復次數(shù)分別為1，4，32.其他相關接入?yún)?shù)設置如表2所示。

表2 NB-IoT接入?yún)?shù)Table 2 NB-IoT access parameters

2 不同業(yè)務的覆蓋標準

2.1 不同業(yè)務覆蓋性能對應指標

覆蓋等級、重復次數(shù)配置如下：RSRP1=-110，RSRP2=-120；對應3個覆蓋等級下，NPDSCH，NPUSCH(15K ST)重復次數(shù)分別為1，4，32.通過大量測試得到RSRP、SINR、KPI三個變量的測試數(shù)據(jù)。對測試數(shù)據(jù)進行回歸分析，考慮到RSRP對KPI影響跟覆蓋等級設置直接關聯(lián)，可通過偏相關分析，得到KPI對RSRP，SINR的最低要求[4]。

1) RRC建立成功率。利用測試數(shù)據(jù)計算RSRP、SINR的偏相關系數(shù)，分析發(fā)現(xiàn) RSRP>-120 dBm 后，SINR為主要相關變量。分析SINR對RRC建立成功率的影響程度，如圖1所示，得到：當SINR<-2.51 dB時，RRC建立成功率降低至99%以下；SINR<-3.06時RRC成功率降低至90%以下。

圖1 NB-IoT覆蓋性能與RRC建立成功率Fig.1 NB-IoT coverage performance and RRC establishment success rate

2) RRC建立時延。利用測試數(shù)據(jù)計算RSRP、SINR的偏相關系數(shù)，發(fā)現(xiàn)RSRP和SINR與RRC建立時延均明顯相關，得到SINR為(-2.495，-3.217)是分別對應500 ms，2 000 ms，此時RSRP為-110.7 dBm.

3) Attach成功率。同樣RRC建立成功率類似，分析發(fā)現(xiàn)RSRP>-120 dBm后，SINR為主要相關變量。分析SINR對Attach建立成功率的影響程度，得到當SINR<-2.44 dB時，RRC建立成功率降低至99%以下；SINR<-3.07時，Attach成功率降低至90%以下。

2.2 NB-IoT不同應用類型對應的覆蓋標準

現(xiàn)階段NB-IoT主要應用有水表、路燈、單車和智能停車等。按照窄帶物聯(lián)網(wǎng)適合的數(shù)據(jù)上報方式(數(shù)據(jù)上報為主、數(shù)據(jù)實時交互)與移動方式(固定類、移動類)，參考《中國移動NB-IoT端到端商用驗收測試規(guī)范》，將NB-IoT應用分為固定監(jiān)測類、固定控制類、移動監(jiān)測類和移動控制類4種。將業(yè)務進一步細分，可得到19類典型應用的業(yè)務類型及部署場景，如表3所示。

表3 分應用、分場景覆蓋標準Table 3 Sub-application and sub-scenario coverage standard

本節(jié)從NB四類業(yè)務特征差異出發(fā)，在探究覆蓋等級、重復次數(shù)原理和作用的基礎上，通過大量測試和對業(yè)務、KPI、覆蓋標準三者的深入研究，得到了細分至19類業(yè)務的NB-IoT網(wǎng)絡覆蓋標準，使接下來的NB網(wǎng)絡建設優(yōu)化中更有目的性、更貼合業(yè)務、更聚焦用戶感知、更加精準。

3 基于NB-IoT多業(yè)務復雜網(wǎng)絡覆蓋的優(yōu)化

3.1 道路覆蓋提升

關于現(xiàn)網(wǎng)NB-IoT與GSM共天饋規(guī)劃，中國移動集團優(yōu)化指導中明確說明，以GSM網(wǎng)絡覆蓋優(yōu)先，盡量不調(diào)整NB-IoT天饋。但在具體NB-IoT網(wǎng)絡業(yè)務保障和優(yōu)化中，難免出現(xiàn)GSM優(yōu)化方案和NB優(yōu)化方案互斥，導致優(yōu)化無法正常開展的問題。基于上述優(yōu)化困難，研究多系統(tǒng)的小區(qū)理想覆蓋范圍，來輔助現(xiàn)場輸出G/N天饋調(diào)整方案。對于完全無法調(diào)整的小區(qū)，通過采用天饋分裂的方式來解決道路覆蓋問題。

1) 基于多系統(tǒng)理想覆蓋范圍的共天饋優(yōu)化方案。NB-IoT重疊覆蓋優(yōu)化可通過異頻配置規(guī)避，但NB-IoT網(wǎng)絡并發(fā)容量有限，異頻組網(wǎng)并未實質(zhì)性解決網(wǎng)絡結構問題，且資源利用率偏低，未來將帶來容量壓力。基于多系統(tǒng)理想小區(qū)覆蓋范圍的共天饋優(yōu)化通過建立柵格路損矩陣、擬算覆蓋范圍，來輸出天饋調(diào)整最優(yōu)。

數(shù)據(jù)采集：采集GSM，NB兩個網(wǎng)絡的工參、掃頻測試、電子地圖、天線文件、功率配置等關鍵數(shù)據(jù)。

建立柵格路損矩陣：利用掃頻、路測數(shù)據(jù)的精準位置、電平信息，對優(yōu)化區(qū)域的2G、NB重疊覆蓋、弱覆蓋信息柵格化；基于天線方位角、下傾角調(diào)整后空間路損不變原則，實現(xiàn)小區(qū)天線調(diào)整后柵格覆蓋電平預測。

確認天饋調(diào)整最優(yōu)解：通過多系統(tǒng)小區(qū)理想覆蓋范圍算法對天饋參數(shù)、功率參數(shù)高效尋優(yōu)，最終找到最優(yōu)的調(diào)整方案。

2) 低成本NG分裂方案。由于NB與GSM不同的覆蓋特性，NG覆蓋存在一定差異，通過NG分裂可實現(xiàn)兩網(wǎng)的獨立優(yōu)化。本章介紹兩種N/G分裂的低成本解決方案，其中方案1可解決特定場景下的站間距較大，局部覆蓋空洞問題；方案2可解決NB重疊覆蓋問題。N/G分裂傳統(tǒng)改造方案為新增1個GNF共模RRU，實現(xiàn)NB和GSM的分裂，改造方案如圖2所示；相當于新增一套2G主設備，施工周期長、建設成本高，且不符合網(wǎng)絡演進趨勢。

圖2 NB-IoT獨立天饋改造方案Fig.2 NB-IoT independent antenna feeder transformation plan

對天線原理及電氣性能進行研究。900 M4通道天線，1，2端口部分和3，4端口部分電氣性能完全一致，由于天線性能區(qū)別于頻段而非制式，因此可通過新增一副普通GSM天線，通過下列天饋系統(tǒng)改造后，實現(xiàn)NB和GSM的分裂。兩種方案天饋系統(tǒng)連線方式一致，均為RRU1，2端口連接原先4通道天線1，4端口；RRU3，4端口連接新增天線的GSM天線1，2端口。主要通過功率配置實現(xiàn)解決不同需求的兩種方案。

在現(xiàn)網(wǎng)實施驗證后，天饋調(diào)整以GSM方案為主，設置機械下傾角為12°.通過方案1改造實施后，4通道天線調(diào)整至6°，新增GSM天線保持12°.改造前后覆蓋改善明顯，覆蓋率從85.1%提升至97.3%.

3.2 高層場景覆蓋提升方案

NB-IoT網(wǎng)絡中高層場景主要存在導頻污染、弱覆蓋、無覆蓋問題。對于典型高層場景，這種場景一般存在多種應用種類，需對覆蓋類、重選類參數(shù)進行差異化配置，以滿足各類業(yè)務的覆蓋標準進行覆蓋提升。

根據(jù)上文此類場景基于業(yè)務的覆蓋標準為：RSRP>-110.6 dBm，SINR>-1.89 dB.對于此場景下的局部質(zhì)差區(qū)域，從天饋到參數(shù)的優(yōu)化方法如下：核查主服務小區(qū)功率是否已提升至32.2 dBm以及是否為2T4R方式開通，具備條件的情況下部署4T4R；考察終端所處位置，增大相應覆蓋等級上下重復發(fā)送次數(shù)和重傳次數(shù)、上下行初始MCS；滿足最低速率要求下，上行帶寬使用3.75 kHz或15 kHZ ST；增加重選判決定時器、小區(qū)重選遲滯值避免頻繁重選；對導頻污染嚴重區(qū)域，建議采用異頻方式規(guī)避。

以某高層為例，優(yōu)化前整體覆蓋良好，平均RSRP=-75.4 dBm，平均SINR=5.8 dB，局部區(qū)域存在弱覆蓋導頻污染。按照上述流程進行參數(shù)核查后，將主服務小區(qū)功率從29.2 dBm提升至32.2 dBm，同時將覆蓋等級1下上下行初始傳輸重復次數(shù)從2提升至4，同時提升重選判決定時器至2 s.優(yōu)化后NB-IoT覆蓋性能顯著提升，如圖3所示。

3.3 網(wǎng)絡及終端延伸

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務主要進行物與物的連接，業(yè)務經(jīng)常發(fā)生在人員較少或無人區(qū)域，以目前傳統(tǒng)通信站址部署會存在較多的弱覆蓋甚至覆蓋空洞。考慮到物聯(lián)網(wǎng)價格低廉，不建議對上述區(qū)域進行新建站覆蓋，建議結合目前的無線網(wǎng)資源和終端使用情況選擇延伸技術，低成本提升覆蓋性能。延伸覆蓋分為兩種：網(wǎng)絡延伸和終端延伸。

網(wǎng)絡延伸主要指利舊改造現(xiàn)網(wǎng)的直放站設備、手機伴侶等。直放站主要功能是通過對射頻信號的功率放大以達到信號延伸的目的，主要應用場景：城市周邊廠礦、大型地下活動場所等。直放站改造試點選取礦區(qū)矸山(城區(qū)周邊煤炭在加工廠區(qū))。改造前：道路平均電平值為-100 dbm左右，樓內(nèi)覆蓋低于-110 dbm；改造后：路測電平為-60 dbm左右，樓內(nèi)覆蓋-80 dbm.針對集客會議、辦公樓配電室等需求緊急小眾特殊場景，可利用GSM手機伴侶放大信號的辦法補充NB覆蓋。

終端延伸是指終端側增加外接天線，提升終端側接受/發(fā)射增益，實現(xiàn)對弱覆蓋區(qū)域的信號質(zhì)量提升。此類方式建設方式靈活，安裝方便，適用于終端分布零散區(qū)域，預估建設成本為30元/終端。建議集團加強引導終端廠商對于隱蔽場景的終端設備提供統(tǒng)一外接天線接口或直接提供外接小型天線，如圖4的水位監(jiān)測、井蓋監(jiān)測等。

圖4 水位監(jiān)測終端延伸Fig.4 Water level monitoring terminal extension

對于連片的業(yè)務覆蓋盲區(qū)，面積較大，終端較為集中(終端數(shù)超過20個)，利于集中投資，可采用網(wǎng)絡側的延伸覆蓋方案。典型場景：大型地下室、城市周圍工業(yè)園區(qū)等。對于覆蓋盲區(qū)，面積小，終端不集中，不適合集中投資，優(yōu)先采用終端側解決方案。

4 總結

當前，NB-IoT作為中國移動面向未來萬物互聯(lián)的一個重要網(wǎng)絡，良好的網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量是未來立足于競爭的基礎。本文從NB-IoT四類業(yè)務的特征差異出發(fā)，在探究業(yè)務覆蓋等級、執(zhí)行重復次性和冗余作用的基礎上，通過大量測試和業(yè)務模擬、KPI、覆蓋標準三者的深入研究，得到了細分至19類業(yè)務的NB-IoT網(wǎng)絡覆蓋標準。依據(jù)此細分優(yōu)化標準和創(chuàng)新的NB-IoT網(wǎng)絡覆蓋評估手段，全面分析評估出了NB-IoT網(wǎng)絡的重疊覆蓋嚴重、局部覆蓋空洞多、室內(nèi)深度覆蓋不足等問題，并針對不同場景、不同問題創(chuàng)新研究了高層參數(shù)到室內(nèi)升級的完整優(yōu)化方案，基于多系統(tǒng)理想小區(qū)覆蓋范圍的共天饋優(yōu)化方案，低成本NG分裂方案，分散場景網(wǎng)絡延伸、終端延伸方案等多項優(yōu)化解決方案，最終使得NB-IoT網(wǎng)絡質(zhì)量得以提升。