NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的特點及方法

劉學(xué)武

（中國聯(lián)通泰安市分公司，山東 泰安 271000）

0 引 言

目前，物聯(lián)網(wǎng)終端大部分通過無線方式接入，根據(jù)具體業(yè)務(wù)要求和覆蓋距離不同，在室內(nèi)場景一般可以采用藍牙、WiFi等；在應(yīng)用最廣的長距離（幾百米到幾公里）場景，一般采用移動通信網(wǎng)絡(luò)接入，稱為“蜂窩物聯(lián)網(wǎng)”。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）作為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù)，在覆蓋范圍、連接數(shù)、功耗、成本等方面有相當大的進步，在低速物聯(lián)網(wǎng)場景得到廣泛應(yīng)用[1]。

1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化特點與其關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都有直接關(guān)系。

1.1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)包括以下四種：

（1）廣覆蓋關(guān)鍵技術(shù)：通過上行功率譜密度提升和重復(fù)編碼技術(shù)，使得NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋允許的下行損耗可達164 dB[2]。

（2）大連接關(guān)鍵技術(shù)：采用物理層簡化的窄帶技術(shù)提升信道容量、簡化交互信令流程，以減少空口信令開銷并提升頻譜效率[3]，同時采用基站側(cè)、核心網(wǎng)側(cè)的數(shù)據(jù)緩存優(yōu)化等技術(shù)，最終實現(xiàn)每個小區(qū)5萬以上的終端容量。

（3）低功耗關(guān)鍵技術(shù)：通過節(jié)能模式PSM技術(shù)，使得NB-IoT終端電能消耗大幅降低。其他還包括擴展周期不連續(xù)接收的EDRX、只支持小區(qū)重選的移動性管理等降功耗技術(shù)[4]。

（4）低成本關(guān)鍵技術(shù)：包括低復(fù)雜度的窄帶系統(tǒng)基帶、半雙工、單天線等。

1.2 NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和頻率部署模式

NB-IoT主要基于LTE網(wǎng)絡(luò)，在整體無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上與LTE相同。從投資效益考慮，實際建設(shè)方式一般不是新建網(wǎng)絡(luò)，主要采用LTE/NB-IoT多模共建方式，直接利用多模LTE設(shè)備、天饋線系統(tǒng)，在小區(qū)開通NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。當然這樣會由于NB-IoT、LTE網(wǎng)絡(luò)共天線，增加多網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化難度。

從頻率部署方式看，NB-IoT的工作頻帶涵蓋了LTE支持的各頻段，部署模式可以分為獨立部署、保護帶內(nèi)部署、帶內(nèi)部署三種[5]，如圖1所示。隨著GSM網(wǎng)絡(luò)逐步退網(wǎng)，可以在GSM頻率重耕基礎(chǔ)上獨立部署NB-IoT以滿足性能需求。

圖1 NB-IoT頻率部署模式

2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化特點及方法

由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)采用了一系列新技術(shù)，涉及新的應(yīng)用場景、新型的終端，因此在其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化上有自身的特點。

2.1 覆蓋優(yōu)化

無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化最基礎(chǔ)的就是覆蓋優(yōu)化。NB-IoT在覆蓋優(yōu)化上與LTE網(wǎng)絡(luò)類似，主要是對RSRP/SINR等電平、信噪比指標的優(yōu)化。通過空閑態(tài)DT測試和定點測試可以測出覆蓋位置信號強弱及質(zhì)量，以及小區(qū)重選是否正常。測試時需連接專用的NB-IoT模組。

雖然NB-IoT有多種覆蓋增強技術(shù)，但是考慮到物聯(lián)網(wǎng)終端的靜止性以及安裝位置的特殊性（如埋在地下），一旦有覆蓋盲區(qū)，將使業(yè)務(wù)一直不可用；有的應(yīng)用場景（例如車位監(jiān)測在有車和無車時）信號強度差異很大；另外，不同的業(yè)務(wù)有不同的邊緣速率要求，對應(yīng)不同的覆蓋需求；同時物聯(lián)網(wǎng)終端差異性大，導(dǎo)致接收靈敏度也有很大不同。因此需要針對覆蓋測試的結(jié)果通過功率和天饋系統(tǒng)調(diào)整、站點結(jié)構(gòu)優(yōu)化或結(jié)合宏站、微站協(xié)同規(guī)劃補充站點來滿足覆蓋需求。在進行天線優(yōu)化時需特別關(guān)注NB-IoT、LTE網(wǎng)絡(luò)共天線可能導(dǎo)致的對LTE網(wǎng)絡(luò)的影響，盡量在保證LTE網(wǎng)絡(luò)感知的前提下進行均衡調(diào)整。

2.2 干擾優(yōu)化

NB-IoT使用頻率來源于LTE或GSM網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中同樣存在系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外的無線信號干擾。系統(tǒng)內(nèi)干擾主要是NB-IoT站點因覆蓋距離較遠導(dǎo)致其同頻自干擾更為明顯；另外NB-IoT與LTE共頻段部署會導(dǎo)致底噪抬升等干擾問題，以及其他無線系統(tǒng)導(dǎo)致的阻塞、雜散干擾等。外部干擾比較復(fù)雜，現(xiàn)網(wǎng)中比較多的干擾源包括私裝的信號放大器、公安電子圍欄設(shè)備等。

無線干擾優(yōu)化與其他無線系統(tǒng)干擾排查類似，通過指標統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)干擾大的小區(qū)，對因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致的重疊覆蓋干擾可以進行PCI優(yōu)化或異頻組網(wǎng)；對其他系統(tǒng)的干擾，可以考慮進行天線隔離度的整治、增加濾波器；對外部干擾就要現(xiàn)場用頻譜分析儀并結(jié)合有指向性的天線進行“掃頻”，發(fā)現(xiàn)干擾源的位置并協(xié)調(diào)處理。外部干擾難以排查時也可以通過異頻組網(wǎng)規(guī)避。

2.3 接入及容量優(yōu)化

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)無線接入性能優(yōu)化首先要關(guān)注attach附著成功率、attach附著時延指標以及RRC接入成功率、RRC建立時延等[6]。這些相關(guān)指標可以通過現(xiàn)場測試的信令過程或后臺統(tǒng)計。圖2是一個實際的NB-IoT終端信令流程截圖。

圖2 NB-IoT終端信令流程

物聯(lián)網(wǎng)小區(qū)容量包含用戶數(shù)和并發(fā)兩方面。相比LTE網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT在業(yè)務(wù)停止時可以啟動掛起省電流程，也就是NB網(wǎng)絡(luò)中大量終端處于休眠狀態(tài)，一旦有業(yè)務(wù)要求，終端立即進入激活狀態(tài)，快速恢復(fù)無線承載。這種掛起/恢復(fù)流程是NB-IoT特有的，需要采取針對性優(yōu)化措施。而NB-IoT容量估算和優(yōu)化最重要的是確定終端的業(yè)務(wù)模型，根據(jù)單次接入發(fā)包過程的空口信令交互和掛起恢復(fù)的間隔、占用各信道的時間、各信道的容量等進行計算。不同業(yè)務(wù)模型的容量差距巨大。根據(jù)3GPP TR45.820 的附錄Annex E，對于Traffic Models容量模型評估抄表類業(yè)務(wù)，每小區(qū)能夠支持約5萬個連接[7]；而對于共享單車類業(yè)務(wù)十幾秒就需要傳輸數(shù)據(jù)，則每小區(qū)只能支持2 000個左右的終端（非并發(fā)）。

優(yōu)化流程大致包含以下步驟：（1）根據(jù)業(yè)務(wù)模型計算每天單用戶發(fā)起業(yè)務(wù)的次數(shù)即發(fā)包頻率，以及發(fā)包數(shù)據(jù)大?。唬?）從用戶分布模型計算不同覆蓋等級的比例；（3）根據(jù)不同覆蓋等級的重發(fā)次數(shù)，分別分析上下行開銷；（4）分別計算上行和下行業(yè)務(wù)信道容量、尋呼容量、隨機接入容量；（5）最后綜合考慮不同容量的受限結(jié)果作為極限容量，按需擴容[8]。

2.4 鄰區(qū)優(yōu)化

NB-IoT系統(tǒng)現(xiàn)階段只支持空閑態(tài)同頻/異頻小區(qū)重選，不支持連接態(tài)的切換[9]。因此傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)一般需要多加鄰區(qū)以保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性（比如加三層鄰區(qū)），而NB小區(qū)只需要添加一層鄰區(qū)即可。

2.5 速率及時延優(yōu)化

現(xiàn)階段NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)對于速率要求較低，因此速率優(yōu)化以業(yè)務(wù)基本滿足為主，測試時主要關(guān)注ping包的成功率、時延、上下行速率是否正常。目前大部分小流量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對時延的容忍度比較高，在滿足時延基本需求的基礎(chǔ)上，時延對物聯(lián)網(wǎng)感知影響不大。表1是常見的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型的特性對應(yīng)流量和時延，可根據(jù)業(yè)務(wù)類型進行適應(yīng)性優(yōu)化。

表1 常見物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特性

3 NB-IoT終端與網(wǎng)絡(luò)適配優(yōu)化

終端與網(wǎng)絡(luò)的適配在傳統(tǒng)3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)中問題較小，因為手機的標準化程度高，應(yīng)用場景也比較一致。但在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中終端芯片、模組與網(wǎng)絡(luò)的匹配則需要特別關(guān)注，因為物聯(lián)網(wǎng)終端涉及模組、芯片、集成廠家等，終端成熟度不足，產(chǎn)品的規(guī)范性不好，市售終端質(zhì)量良莠不齊，而應(yīng)用場景的交互動作又千差萬別。

根據(jù)實際優(yōu)化經(jīng)驗，主要考慮以下四個方面：（1）終端及協(xié)議優(yōu)化：例如有的終端產(chǎn)品沒有功率控制機制，始終保持最大功率發(fā)射導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)底噪抬升，甚至不可用；（2）模組機制優(yōu)化：模組的重連機制可能需要根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用進行適應(yīng)性優(yōu)化，如重新嘗試附著的時間間隔、終端并發(fā)業(yè)務(wù)的錯峰上報機制等；（3）芯片功能性能匹配優(yōu)化：例如為降低成本，協(xié)議定義的NB芯片類型簡化了功放頻帶，可以只支持一個頻段，比如900 MHz也是符合規(guī)范的，如果運營商現(xiàn)網(wǎng)開通的是1 800 MHz NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，則相應(yīng)NB-IoT終端至少應(yīng)支持900 MHz/1 800 MHz雙頻且能夠自適應(yīng)；（4）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化：要適配終端和業(yè)務(wù)需求設(shè)置重選門限、在線計時器等。

為了保障網(wǎng)內(nèi)終端的產(chǎn)品質(zhì)量，有必要在NB-IoT終端批量入網(wǎng)前進行相關(guān)性能檢測，包括兼容性測試、終端射頻性能測試（如接收靈敏度）、功耗性能測試等。

4 NB-IoT端到端優(yōu)化方法和工具

從上述分析可以看出，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類、應(yīng)用場景繁多，不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)要求的側(cè)重點完全不同，因此NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化重在個性化，這與傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)明顯不同。例如，共享單車和水電燃氣抄表對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的需求就有很大差異[10]，如果引入車聯(lián)網(wǎng)等就又是另外的優(yōu)化要求。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)端到端產(chǎn)業(yè)鏈條長，涉及產(chǎn)品多，整個業(yè)務(wù)過程與模組終端、無線網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)、IoT平臺、應(yīng)用服務(wù)器等多網(wǎng)元相關(guān)，且物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量多、普遍上報周期長，問題發(fā)生后不會像傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)一樣有用戶及時反饋?；趥鹘y(tǒng)的問題分析方法和優(yōu)化模式很難快速定位NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)問題。NB-IoT的端到端系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足物聯(lián)網(wǎng)個性化優(yōu)化需求，需要有針對性更強的NB-IoT端到端優(yōu)化方法和工具：（1）優(yōu)化分析要通過多平臺采集多維度數(shù)據(jù)，經(jīng)過傳輸、空口通道以及核心、基站、終端等端到端網(wǎng)元聚類分析，完成問題定位和解決方案制定；（2）鑒于物聯(lián)網(wǎng)端到端分析的復(fù)雜性，因此有必要將物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺、物聯(lián)網(wǎng)終端（或芯片）抓包工具都納入優(yōu)化必備工具平臺范圍，以利于優(yōu)化工作順利開展。

5 結(jié) 語

隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)的普及應(yīng)用，NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化也越發(fā)重要，需要針對其特點采取相應(yīng)的優(yōu)化方法，無線方面包括覆蓋、干擾、容量、接入、鄰區(qū)優(yōu)化、速率及時延等的優(yōu)化；還要特別注意終端差異、環(huán)境差異、終端與網(wǎng)絡(luò)的適配等；同時需要關(guān)注端到端的優(yōu)化方法和工具。