物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)異頻組網(wǎng)規(guī)劃研究及現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用

【摘 ?要】為解決中國電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)單頻組網(wǎng)存在較為嚴(yán)重同頻干擾的問題，提出全網(wǎng)基站小區(qū)異頻插花組網(wǎng)規(guī)劃思路，研究確定了一套“2505/2507/2509”三頻組網(wǎng)規(guī)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(wǎng)帶來的干擾問題，大大提升了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)整體性能。

【關(guān)鍵詞】NB-IoT;同頻干擾;異頻組網(wǎng);三頻組網(wǎng);頻率規(guī)劃

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

文獻(xiàn)標(biāo)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(lián)網(wǎng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)異頻組網(wǎng)規(guī)劃研究及現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)開網(wǎng)階段采用2506頻點單頻組網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署，在單頻組網(wǎng)的現(xiàn)狀下，NB-IoT基站網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有功率配置及窄帶特點導(dǎo)致NB-IoT功率譜密度比GSM或LTE網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)約20 dB。這會使現(xiàn)有NB-IoT網(wǎng)絡(luò)整體RS-SINR較差，小區(qū)間同頻干擾非常嚴(yán)重，這將嚴(yán)重影響NB-IoT業(yè)務(wù)的有序發(fā)展?？紤]到NB-IoT網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前僅采用室外基站規(guī)劃建設(shè)來降低運營投資成本，若采用降低基站發(fā)射功率或增加站間距來降低小區(qū)間同頻干擾，就會導(dǎo)致室內(nèi)覆蓋質(zhì)量明顯下降，這就需要尋求一種可行的降低小區(qū)間同頻干擾的解決方案，即本文所提出的“異頻小區(qū)插花組網(wǎng)”方案。

1 ? NB-IoT單頻組網(wǎng)規(guī)劃現(xiàn)狀及特性

1.1 ?單頻組網(wǎng)規(guī)劃現(xiàn)狀

考慮到NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)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(wǎng)絡(luò)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(jìn)行NB-IoT全網(wǎng)部署。

由于物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT業(yè)務(wù)要支持更多深度覆蓋業(yè)務(wù)（如地下智能抄表、地下智能停車等室內(nèi)深度覆蓋業(yè)務(wù)），目前L800M與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)采用1：1方式規(guī)劃建設(shè)。考慮到NB-IoT與CDMA283頻點僅相差395 kHz保護(hù)間隔，絕大部分CDMA與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)采用共站址規(guī)劃建設(shè)。

1.2 ?單頻組網(wǎng)規(guī)劃特性

在當(dāng)前NB-IoT單頻組網(wǎng)的現(xiàn)狀下，NB-IoT基站網(wǎng)絡(luò)單天線發(fā)射功率配置為5 W（即29.2 dBm），和現(xiàn)網(wǎng)L800M基站相比，發(fā)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(dǎo)致NB-IoT功率譜密度遠(yuǎn)大于L800M[1]。理論上，這就會引起嚴(yán)重的小區(qū)間信號重疊覆蓋，從而下行NB-IoT網(wǎng)絡(luò)RS-SINR遠(yuǎn)低于L800M，即NB-IoT在該功率配置情況下小區(qū)間同頻干擾較為嚴(yán)重。

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

圖1 ? ?某省NB-IoT室外測試RS-SINR分布區(qū)間

2 ? NB-IoT異頻組網(wǎng)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(qū)信號重疊導(dǎo)致，PCI模3值不相同的小區(qū)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(wǎng)絡(luò)存在一定開銷信息時，不同模3值的小區(qū)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(qū)插花組網(wǎng)”方式解決，其它可行解決方法存在如下問題：

（1）傳統(tǒng)RF方式。RS-SINR質(zhì)差問題屬于全局性問題，無法通過RF優(yōu)化（方向角、下傾角、功率等調(diào)整）得到較大改善。

（2）L800M與NB-IoT非1：1組網(wǎng)方式。存在較多NB-IoT覆蓋弱且C網(wǎng)覆蓋強(qiáng)區(qū)域，將會導(dǎo)致C網(wǎng)對NB-IoT下行的干擾。針對關(guān)閉NB-IoT功能的L800M站點，其周邊樓宇室內(nèi)將會更容易出現(xiàn)弱覆蓋問題[2]。

（3）降低NB-IoT發(fā)射功率。下行鏈路最小耦合損耗（MCL）會降低，將會出現(xiàn)較多室內(nèi)區(qū)域出現(xiàn)弱覆蓋問題。

目前，中國電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)采用L800M網(wǎng)絡(luò)共站建設(shè)，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)網(wǎng)靠近870 MHz空閑頻段大部分被EVDO網(wǎng)1019占用，因此，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)可用頻率資源只能從靠近880 MHz上端空閑的895 kHz選?。?79.105MHz—880 MHz）。由于NB-IoT下行中心頻點協(xié)議規(guī)定必須是100 kHz的整數(shù)倍，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行前期試點驗證，下行中心頻率為879.3 MHz頻點與CDMA網(wǎng)絡(luò)283頻點存在較為嚴(yán)重的互干擾情況，建議NB-IoT網(wǎng)絡(luò)不采用此頻點資源。考慮到頻點帶寬不重疊，“異頻小區(qū)插花組網(wǎng)”方式僅有“雙頻”和“三頻”兩種實現(xiàn)方式。

對某個大范圍區(qū)域（約200個基站）進(jìn)行測試驗證，“雙頻小區(qū)插花組網(wǎng)”相比于現(xiàn)網(wǎng)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(wǎng)RS-SINR，不建議采用“雙頻小區(qū)插花組網(wǎng)”方式。因此，為了改善單頻組網(wǎng)下RS-SINR較差的現(xiàn)狀，建議采用“三頻小區(qū)插花組網(wǎng)”方式。由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)頻點帶寬為200 kHz，考慮到使用的三個頻點不重疊，“三頻小區(qū)插花組網(wǎng)”方式僅存在以下兩種方式[3]：

（1）“三頻小區(qū)插花組網(wǎng)”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(xié)議對頻點號公式計算，即對應(yīng)頻點號分別為2504、2506和2508。

（2）“三頻小區(qū)插花組網(wǎng)”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(xié)議對頻點號公式計算，即對應(yīng)頻點號分別為2505、2507和2509。圖2為兩種“三頻小區(qū)插花組網(wǎng)”方式：

圖2 ? ?兩種“三頻小區(qū)插花組網(wǎng)”方式

3 ? NB-IoT三頻組網(wǎng)規(guī)劃方案及應(yīng)用

從上面的分析來看，中國電信現(xiàn)有NB-IoT網(wǎng)絡(luò)僅存在“2504/2506/2508”和“2505/2507/2509”兩種三頻小區(qū)插花組網(wǎng)方案來改善全網(wǎng)RS-SINR，而在實際商用網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)環(huán)境下，深入分析研究并實現(xiàn)了三頻規(guī)劃、方案分析及應(yīng)用評估。

3.1 ?三頻組網(wǎng)頻點規(guī)劃

根據(jù)理論分析，RS-SINR惡化主要是由于PCI模3值相同小區(qū)存在信號重疊覆蓋導(dǎo)致，全網(wǎng)小區(qū)三頻規(guī)劃最核心的原則是“確保鄰近基站PCI模3相同小區(qū)盡量配置異頻”?；谶@個核心原則，通過分析研究及試點驗證，提出了一種全網(wǎng)小區(qū)三頻頻點規(guī)劃思路及方式，即基于PCI規(guī)劃的頻點分配方法。因現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)PCI規(guī)劃基本滿足以下規(guī)律，即小區(qū)標(biāo)識0扇區(qū)模3值相同，小區(qū)標(biāo)識1扇區(qū)模3值相同，小區(qū)標(biāo)識2扇區(qū)模3值相同，這就需要確保鄰近基站相同小區(qū)標(biāo)識扇區(qū)盡可能采用異頻，以此達(dá)到全網(wǎng)任何一個基站下不同小區(qū)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(guī)劃步驟如下。

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

步驟2：通過PCI規(guī)劃工具（有條件的可以采用基于仿真軟件PCI規(guī)劃，其優(yōu)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(wǎng)模3干擾，進(jìn)行全網(wǎng)室分小區(qū)PCI規(guī)劃。

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

圖3 ? ?三頻頻點規(guī)劃思路及方式

以某個區(qū)域規(guī)劃結(jié)果來看，該區(qū)域全網(wǎng)小區(qū)標(biāo)識0扇區(qū)（2扇區(qū)/3扇區(qū)）規(guī)劃各頻點占比分別約1/3，實現(xiàn)了頻率分配最優(yōu)，且從地理化分析基本實現(xiàn)了鄰近小區(qū)盡量配置異頻。表1為某區(qū)域全網(wǎng)小區(qū)三頻規(guī)劃結(jié)果。

3.2 ?三頻組網(wǎng)方案分析

針對“2504/2506/2508”和“2505/2507/2509”這兩種三頻小區(qū)插花組網(wǎng)方案，通過分析研究及試點驗證，從現(xiàn)有2506頻點單頻組網(wǎng)改為以上這兩種組網(wǎng)方案，將會出現(xiàn)不同的NB-IoT業(yè)務(wù)運營風(fēng)險。

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

風(fēng)險1：模組無法使用非2506頻點，導(dǎo)致終端可能無法使用最優(yōu)頻點。分析后可知主要有3種情況可以導(dǎo)致終端無法使用2506頻點，即模組廠家在設(shè)計時進(jìn)行鎖頻2506;終端公司在MCU設(shè)計時控制終端在上電或PSM模式喚醒后下發(fā)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(shè)計了定時器，定時器時長低于搜索時間，本次業(yè)務(wù)發(fā)送失敗。

風(fēng)險2：主流模組芯片flash中已保存2506頻點，導(dǎo)致終端可能存在無法使用最優(yōu)頻點。

風(fēng)險3：主流模組內(nèi)置老版本芯片不支持重選，且主流模組內(nèi)置部分新版本芯片支持重選但默認(rèn)關(guān)閉重選開關(guān)，導(dǎo)致終端可能無法使用最優(yōu)頻點。

風(fēng)險4：主流模組內(nèi)置部分新版本芯片支持重選且開啟重選開關(guān)，但NB-UIM卡VPN默認(rèn)ctnb配置參數(shù)“PSM激活定時器為2秒”影響終端在短時間內(nèi)無法進(jìn)行小區(qū)重選，導(dǎo)致終端可能無法使用最優(yōu)頻點。

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

因此，從盡可能降低業(yè)務(wù)風(fēng)險的角度考慮，提出最終采用“2505/2507/2509”三頻小區(qū)插花組網(wǎng)方案。

3.3 ?三頻組網(wǎng)應(yīng)用評估

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

本次采用“2505/2507/2509”三頻小區(qū)插花組網(wǎng)方已于2019年4月27日凌晨在廣東電信NB-IoT現(xiàn)網(wǎng)開展大規(guī)模實施應(yīng)用，實施后效果評估情況滿足以上理論分析結(jié)果。

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

圖4 ? ?實施前后某區(qū)域測試SINR平均值對比

（2）全網(wǎng)覆蓋等級0平均用戶占比。通過對無線網(wǎng)管提取全省NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋等級0（RSRP大于-107 dBm且SINR大于3.6 dB）平均用戶數(shù)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(dá)20%。圖5為實施前后全網(wǎng)覆蓋等級0用戶數(shù)占比走勢：

圖5 ? ?實施前后全網(wǎng)覆蓋等級0用戶數(shù)占比走勢

（3）全網(wǎng)RRC連接成功率。對無線網(wǎng)管提取全省NB-IoT網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)RRC連接成功率走勢：

圖6 ? ?實施前后全網(wǎng)RRC連接成功率走勢

4 ? NB-IoT三頻組網(wǎng)風(fēng)險及建議

通過以上對三頻組網(wǎng)方案及應(yīng)用情況的分析，要降低NB-IoT網(wǎng)絡(luò)2506單頻組網(wǎng)環(huán)境下小區(qū)間同頻干擾，目前可行手段是通過“2505/2507/2509”三頻小區(qū)插花組網(wǎng)方案進(jìn)行解決，但是，該解決方案實施后也可能會存在一定的業(yè)務(wù)風(fēng)險。

可能風(fēng)險1：僅使用2506頻點。模組一旦僅使用2506頻點，會使業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報不成功。

可能風(fēng)險2：終端位置發(fā)生變化。當(dāng)終端在三頻組網(wǎng)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(dāng)終端位置發(fā)生變化后（如客戶演示、新入網(wǎng)部署），每次開機(jī)僅搜索周邊已保存的頻點，無法使用其它頻點。

可能風(fēng)險3：2509頻點存在干擾。2509位于880 MHz邊緣，無保護(hù)帶，存在干擾風(fēng)險。

可能風(fēng)險4：網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常突發(fā)變動。當(dāng)終端經(jīng)常使用的小區(qū)出現(xiàn)新建站、站點逼遷等網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(fēng)險預(yù)防措施，提出了可行的解決方法加以規(guī)避。

針對風(fēng)險1：針對存量NB-IoT終端，若無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程升級可臨時采用2506頻點進(jìn)行覆蓋，若可遠(yuǎn)程升級應(yīng)及時采用遠(yuǎn)程升級終端（含模組及MCU），確保適配異頻組網(wǎng)。針對增量NB-IoT終端，協(xié)調(diào)客戶對終端進(jìn)行升級（含模組及MCU），通過終端入網(wǎng)測試進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，通過測試方可入網(wǎng)部署。

針對風(fēng)險2：針對無需關(guān)注耗電類業(yè)務(wù)（如白色家電）、移動類業(yè)務(wù)（如共享單車），可采用確保MCU設(shè)計流程中增加下發(fā)“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(shè)計流程中增加“出現(xiàn)與上一次使用PCI不一致情況則下發(fā)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(guān)注耗電類業(yè)務(wù)（如智能抄表），確?？臻e態(tài)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(fēng)險3：針對短期內(nèi)存在干擾區(qū)域，針對存在干擾小區(qū)修改2509頻點。針對遠(yuǎn)期未來可能存在的干擾區(qū)域，若出現(xiàn)干擾范圍較小修改2509頻點，若干擾范圍較大，后續(xù)全網(wǎng)由“2505/2507/2509”改為“2504/2506/2508”。

針對風(fēng)險4：針對業(yè)務(wù)異常區(qū)域，開展關(guān)聯(lián)基站RF優(yōu)化或修改關(guān)聯(lián)小區(qū)頻點。

5 ? 結(jié)束語

本文提出的“2505/2507/2509”三頻組網(wǎng)規(guī)劃方案，在大規(guī)模實施應(yīng)用后能大大降低小區(qū)間同頻干擾，并針對未來可能存在的風(fēng)險給出了應(yīng)對措施和建議，后續(xù)需要協(xié)調(diào)NB-IoT終端產(chǎn)業(yè)鏈推進(jìn)解決這些風(fēng)險，同時需要中國電信在全國范圍內(nèi)實施三頻組網(wǎng)方案，以此來真正改善中國電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，為未來NB-IoT業(yè)務(wù)正常運營提供可靠的網(wǎng)絡(luò)保障。

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