基于TD-LTE MR數(shù)據(jù)的NB-IoT覆蓋規(guī)劃策略研究

馮延釗，李國(guó)強(qiáng)

(1中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，濟(jì)南 250101；2中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司，濟(jì)南 250001)

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代來(lái)臨和智能城市建設(shè)的加速，目前移動(dòng)通信正在從人與人的連接，向人與物、物與物的連接大步邁進(jìn)，將來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)是必然趨勢(shì)。當(dāng)前的物與物連接大多基于藍(lán)牙、Wi-Fi等短距離通信技術(shù)，在連接能力上嚴(yán)重不足。相比藍(lán)牙、Wi-Fi等短距離通信技術(shù)，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋廣、移動(dòng)性強(qiáng)和連接數(shù)多等優(yōu)勢(shì)，具備更加廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，因此移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)具備成為物聯(lián)網(wǎng)主要連接的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。4.5G作為4G的演進(jìn)技術(shù)，具有更高的峰值速率，同時(shí)意味著具有更多的連接數(shù)和更低的時(shí)延，有利于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速普及?；诜涓C的NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）成為將來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中重要的組成部分。2017年6月初，工業(yè)和信息化部辦公廳正式下發(fā)《關(guān)于全面推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)建設(shè)發(fā)展的通知》。通知要求，到2017年末，我國(guó)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT基站規(guī)模要達(dá)到40萬(wàn)個(gè)，NB-IoT的連接總數(shù)要超過(guò)2000萬(wàn)，實(shí)現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)對(duì)直轄市、省會(huì)城市等主要城市的覆蓋。到2020年，我國(guó)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT基站規(guī)模要達(dá)到150萬(wàn)個(gè)，NB-IoT的連接總數(shù)要超過(guò)6億，實(shí)現(xiàn)對(duì)于全國(guó)的普遍覆蓋以及深度覆蓋。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署正式展開(kāi)，研究如何快速精準(zhǔn)高效進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃具有重要意義。

2 NB-IoT技術(shù)分析

NB-IoT是 LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)中一種新的窄帶蜂窩通信技術(shù)，融合了NB-CIoT和NB-LTE兩種標(biāo)準(zhǔn)。LPWAN包含了多種技術(shù)，除NB-IoT外還有Sigfox、LoRa、Cat-1及eMTC，主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

NB-IoT包含了頻段內(nèi)(In-Band)、保護(hù)頻段(Guard-Band)和獨(dú)立(Stand-alone) 3種部署場(chǎng)景。In-Band和Guard-Band都是使用LTE的載波來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中In-Band是使用LTE載波內(nèi)的PRB傳輸，Guard-Band是使用LTE載波內(nèi)的保護(hù)頻段進(jìn)行傳輸。這兩種部署場(chǎng)景適合利用現(xiàn)網(wǎng)LTE網(wǎng)絡(luò)頻段進(jìn)行部署，可以最大化頻譜資源利用率，但是存在與LTE網(wǎng)絡(luò)的共存問(wèn)題比如與LTE網(wǎng)絡(luò)干擾規(guī)避，射頻指標(biāo)等。因此需著重考慮對(duì)LTE系統(tǒng)的兼容性問(wèn)題。Stand-alone不使用LTE頻段傳輸，獨(dú)占頻譜資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此不存在與現(xiàn)有LTE系統(tǒng)共存問(wèn)題，適合運(yùn)營(yíng)商對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速部署。

表1 LPWAN主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

在物理層上，NB-IoT的多址接入結(jié)束和LTE系統(tǒng)相同，即在下行使用OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access， 正交頻分多址接入)，在上行使用SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access， 單載波頻分多址)，且載波間隔和幀結(jié)構(gòu)都與LTE系統(tǒng)相同?？紤]到降低峰值平均功率比PAPR，NB-IoT中下行調(diào)制方式使用QPSK，上行若為多頻傳輸則使用QPSK，若為單頻傳輸則使用BPSK或QPSK。在信道編碼方面，為了減少終端譯碼復(fù)雜度，下行數(shù)據(jù)傳輸使用咬尾卷積碼TBCC，上行數(shù)據(jù)傳輸使用Trubo碼。

在協(xié)議層上，NB-IoT規(guī)劃了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，分別是控制面解決方案和用戶面解決方案。其中控制面解決方案是必須支持，用戶面解決方案作為額外支持的選項(xiàng)?？刂泼姘褰鉀Q方案時(shí)，NB-IoT的終端并不與基站建立無(wú)線數(shù)據(jù)承載，而是通過(guò)建立信令無(wú)線承載來(lái)傳遞少量數(shù)據(jù)。在用戶面解決方案時(shí)，NB-IoT的終端與基站之間新增了暫停恢復(fù)的程序，以此來(lái)降低NB-IoT終端在RRC連接態(tài)和空閑態(tài)之間切換時(shí)所需交換的數(shù)據(jù)量，因此節(jié)省了NB-IoT終端的電量消耗。

NB-IoT主要有4個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。一是覆蓋范圍廣，信道帶寬窄使得功率分配在更窄的信道上，提高了功率譜密度，同時(shí)使用重復(fù)發(fā)送和編碼技術(shù)，提高了傳輸?shù)挠行?，尤其是邊緣用戶性能得到改善，因此NB-IoT的覆蓋范圍更廣。二是連接數(shù)量多，NB-IoT具有更小的資源粒度，因此能夠支持的并發(fā)連接更多。三是終端能耗小，NB-IoT使用增強(qiáng)型的非連續(xù)接收機(jī)制，且在協(xié)議層減少了切換帶來(lái)的信令交互，降低了終端的能耗，延長(zhǎng)了終端的工作時(shí)間。四是芯片成本低，因?yàn)镹BIoT的工作頻段窄，速率要求也低，因此不需要多天線，芯片的射頻部分和協(xié)議棧得到大大簡(jiǎn)化，降低了終端芯片的成本。

NB-IoT的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得它擁有廣闊的應(yīng)用前景，決定了它必然會(huì)成為物聯(lián)網(wǎng)的主要連接方式。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用即將到來(lái)，如何針對(duì)NB-IoT的技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行快速部署和精確覆蓋是接下來(lái)研究的主要內(nèi)容。

3 基于MR數(shù)據(jù)的NB-IoT規(guī)劃策略

各運(yùn)營(yíng)商目前正加大NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署力度，為了給用戶提供良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)前期進(jìn)行系統(tǒng)性規(guī)劃必不可缺。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)初期主要在主要城市的城區(qū)進(jìn)行部署，相對(duì)投資較少，如何充分高效利用有限的投資，精確完成網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。為增強(qiáng)確定覆蓋目標(biāo)的準(zhǔn)確性，精確定位覆蓋需求，減少規(guī)劃工作量，降低站址明細(xì)輸出復(fù)雜度，本文研究了一種基于MR數(shù)據(jù)的NB-IoT規(guī)劃策略。步驟如下。

第一步基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集。收集2G和4G現(xiàn)網(wǎng)站址工參，以便在此基礎(chǔ)上進(jìn)行站點(diǎn)明細(xì)輸出。收集現(xiàn)網(wǎng)4G的MR數(shù)據(jù)，以便根據(jù)MR數(shù)據(jù)進(jìn)行分析確定站點(diǎn)優(yōu)先級(jí)。

第二步數(shù)據(jù)處理并確定需求優(yōu)先級(jí)。流程圖如圖1所示。根據(jù)小區(qū)MR數(shù)據(jù)，計(jì)算所有小區(qū)的平均采樣點(diǎn)數(shù)量N，采樣點(diǎn)的數(shù)量多少反應(yīng)了區(qū)域內(nèi)用戶的數(shù)量多少，對(duì)于用戶數(shù)量多的小區(qū)進(jìn)行優(yōu)先覆蓋。因此根據(jù)每個(gè)小區(qū)的采樣點(diǎn)數(shù)量n判斷小區(qū)的優(yōu)先級(jí)，對(duì)n≥2 N的小區(qū)為高優(yōu)先級(jí)小區(qū)，0.5 N≤n＜2 N為中優(yōu)先級(jí)小區(qū)，n＜0.5 N為低優(yōu)先級(jí)小區(qū)。考慮采樣點(diǎn)數(shù)量多少的同時(shí)考慮小區(qū)內(nèi)的現(xiàn)網(wǎng)覆蓋情況，參考小區(qū)平均RSRP指標(biāo)，對(duì)于小于-110 dBm的小區(qū)定義為弱覆蓋小區(qū)，弱覆蓋嚴(yán)重的小區(qū)需要優(yōu)先進(jìn)行覆蓋。

除了考慮采樣點(diǎn)數(shù)量和弱覆蓋情況之外，同時(shí)考慮競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手情況，根據(jù)MR數(shù)據(jù)中的本運(yùn)營(yíng)商覆蓋比例和異運(yùn)營(yíng)商覆蓋比例，篩選弱于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的小區(qū)優(yōu)先進(jìn)行NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋。其中弱于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：本運(yùn)營(yíng)商MR覆蓋率低于80%，異運(yùn)營(yíng)商MR覆蓋率高于80%；或本運(yùn)營(yíng)商MR覆蓋率高于80%，異運(yùn)營(yíng)商MR覆蓋率高出本運(yùn)營(yíng)商MR覆蓋率超過(guò)5%。

綜合考慮TD-LTE弱覆蓋情況、采樣點(diǎn)數(shù)量和弱于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手情況，將覆蓋需求分為三批。第一批覆蓋需求為采樣點(diǎn)數(shù)量多或采樣點(diǎn)數(shù)量較多且覆蓋弱于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的弱覆蓋小區(qū)，第二批覆蓋需求為采樣點(diǎn)數(shù)量較多或弱于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的弱覆蓋小區(qū)，第三批需求為剩余的弱覆蓋小區(qū)及覆蓋弱于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的小區(qū)。

第三步核實(shí)確定NB-IoT站址。覆蓋優(yōu)先級(jí)確定完成后，再核實(shí)確定解決覆蓋的站址。為了保證快速部署，NB-IoT站址采用共址建設(shè)，對(duì)于存在覆蓋需求的小區(qū)，需根據(jù)小區(qū)工參核實(shí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否合理，如果存在超近站需要對(duì)站址進(jìn)行刪減，優(yōu)先去除優(yōu)先級(jí)低的小區(qū)，保留優(yōu)先級(jí)高的小區(qū)，避免出現(xiàn)重疊覆蓋造成站址浪費(fèi)。多次計(jì)算核實(shí)后保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理并能夠滿足規(guī)劃仿真指標(biāo)。若指標(biāo)不滿足需再次核實(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否合理，站址選擇是否合理，最終滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真指標(biāo)后的站址即為輸出的最終NB-IoT站址明細(xì)。站址確定流程圖如圖2所示。

圖1 覆蓋需求優(yōu)先級(jí)確定流程圖

圖2 NB-IoT站址確定流程圖

經(jīng)過(guò)以上3個(gè)步驟后，可根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)4G的MR數(shù)據(jù)，精確定位到弱覆蓋的位置，并根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)量間接反映出業(yè)務(wù)需求情況，同時(shí)參考競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的覆蓋情況針對(duì)性的解決業(yè)務(wù)發(fā)展的弱區(qū)，依此進(jìn)行NB-IoT站點(diǎn)的規(guī)劃并輸出最終站址明細(xì)。

基于MR數(shù)據(jù)的覆蓋策略雖然前期數(shù)據(jù)處理工作量較大，主要通過(guò)MR數(shù)據(jù)分析弱覆蓋采樣點(diǎn)情況、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手情況，但是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高，站址針對(duì)性更強(qiáng)，覆蓋目標(biāo)更明確。弱覆蓋采樣點(diǎn)的多少直接反應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)量的多少和網(wǎng)絡(luò)覆蓋的強(qiáng)弱，因此用戶數(shù)量多的網(wǎng)絡(luò)覆蓋差的區(qū)域都會(huì)優(yōu)先進(jìn)行NB-IoT部署。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手覆蓋率可以有效反映業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，因此對(duì)于覆蓋弱于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的區(qū)域，也會(huì)有針對(duì)性的部署NB-IoT，有利于運(yùn)營(yíng)商增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

綜上所述，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在部署時(shí)需綜合考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，基于MR數(shù)據(jù)的部署策略綜合考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的弱覆蓋情況，采樣點(diǎn)分布以及對(duì)比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手覆蓋情況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)部署進(jìn)行優(yōu)先級(jí)區(qū)分，能夠作為運(yùn)營(yíng)商快速精準(zhǔn)低成本建設(shè)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的參考。

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