基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的電動車物聯(lián)網(wǎng)研究

朱 燕，趙文濤，李 靜（中國聯(lián)通鄭州分公司，鄭州450000）

0 前言

為全面落實(shí)國務(wù)院部署，進(jìn)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(shù)方案。運(yùn)營商提供NB-IoT網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和物聯(lián)網(wǎng)卡，廠家提供芯片、模組和業(yè)務(wù)平臺，共同搭建測試環(huán)境，積極成立建維優(yōu)一體化網(wǎng)絡(luò)保障工作組，通過與需求單位深入交流業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，制定詳細(xì)的NB網(wǎng)絡(luò)升級、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化、外部干擾排查、模組與網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)匹配、模組問題的定位與排除等各環(huán)節(jié)實(shí)施方案，對項目測試區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行了有效保障，順利協(xié)助公安局完成了試點(diǎn)區(qū)域用戶入網(wǎng)、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(diǎn)，運(yùn)營商提供NB-IoT網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和物聯(lián)網(wǎng)卡，搭建測試環(huán)境。NB-IoT作為新型網(wǎng)絡(luò)，電動車終端每10 s上傳一次當(dāng)前位置數(shù)據(jù)信息，掉線后重新搜索接入，對網(wǎng)絡(luò)容量和接入成功率要求較高；在容量滿足業(yè)務(wù)需求的同時，需做好網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作，以滿足業(yè)務(wù)對接入成功率的要求。因此，對于本次電動車保障項目，網(wǎng)絡(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)性能、終端與網(wǎng)絡(luò)兼容性是本次試點(diǎn)成功的前提。

1 容量預(yù)評估

1.1 數(shù)據(jù)采集模式

電動車有普通模式和追蹤模式2種狀態(tài)，不同模式數(shù)據(jù)采集的周期、數(shù)據(jù)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(nèi)的終端設(shè)備在非路口的路段中采集上報數(shù)據(jù)包的模式；路口模式指電動車內(nèi)的終端設(shè)備在通過路口的路段中采集上報數(shù)據(jù)包的模式。設(shè)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(nèi)包含路口模式與非路口模式的頻繁切換，非路口模式設(shè)置采樣周期為10 s，路口模式設(shè)置采樣周期為1 s，本地儲存后，每5 min將多次采樣的數(shù)據(jù)打包上傳一次，打包的數(shù)據(jù)包長度為280 B，數(shù)據(jù)包傳輸時間為10 000 ms，傳完數(shù)據(jù)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(shè)置300萬輛中2‰的車輛處于追蹤模式，數(shù)據(jù)為打包上傳。設(shè)置采樣周期為2 s，本地儲存后，每30 s將多次采樣的數(shù)據(jù)打包上傳一次，數(shù)據(jù)包長度為418 B，數(shù)據(jù)包傳輸時間為7 000 ms，傳完數(shù)據(jù)后，立即釋放連接。

1.2 容量評估

前提：模組和平臺需要實(shí)現(xiàn)錯峰和智能排隊功能。

根據(jù)用戶單次接入發(fā)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(diào)度效率

根據(jù)小區(qū)容量［1］計算，試點(diǎn)區(qū)域有183個小區(qū)，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(diǎn)區(qū)域投放用戶的需求。

2 網(wǎng)絡(luò)性能提升

2.1 網(wǎng)絡(luò)性能問題攻堅

隨著登封區(qū)域NB終端投放數(shù)量增加，發(fā)現(xiàn)NBIoT網(wǎng)絡(luò)RRC建立成功率［2］嚴(yán)重惡化（見圖1），項目組緊急成立專項優(yōu)化小組，針對電動車接入問題進(jìn)行分析處理。

2.2 分析及優(yōu)化動作

隨著NB終端數(shù)量的快速增加，RRC連接建立成功率由91%下降到37%，通過KPI監(jiān)控、TOP小區(qū)分析，發(fā)現(xiàn)RRC失敗原因主要為UE無應(yīng)答，占比99.997%；主要集中在覆蓋等級2下，占比87.4%。專項優(yōu)化小組制定4類參數(shù)優(yōu)化、TOP小區(qū)優(yōu)化和RF優(yōu)化等措施，提升RRC建立成功率。

2.2.1 基線參數(shù)一致性核查

通過參數(shù)核查，核查出與基線不一致的參數(shù)如表1所示。

2.2.2 上下行調(diào)度算法參數(shù)和部分定時器優(yōu)化

圖1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)與RRC建立成功率趨勢圖

表1 參數(shù)核查表

2.2.2.1 上、下行調(diào)度算法參數(shù)優(yōu)化

參數(shù)調(diào)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(fù)次數(shù)高導(dǎo)致資源受限。

參數(shù)優(yōu)化措施：降低覆蓋等級2的重復(fù)次數(shù)，減少資源開銷［4］。

a）覆蓋等級2的PDCCH重復(fù)次數(shù)優(yōu)化。

b）覆蓋等級2的下行重復(fù)次數(shù)優(yōu)化。

c）覆蓋等級2的MSG UCI重復(fù)次數(shù)、上行重復(fù)次數(shù)優(yōu)化，并配置邏輯信道定時器。

2.2.2.2 相關(guān)定時器優(yōu)化

相關(guān)定時器優(yōu)化包括3個覆蓋等級沖突解決定時器優(yōu)化和T300參數(shù)優(yōu)化。

2.2.3 上下行調(diào)度算法上行接入用戶調(diào)度優(yōu)化開關(guān)

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

2.2.4 擴(kuò)展型接入禁止算法開關(guān)

EABAlgoSwitch開關(guān)為開，基站會根據(jù)小區(qū)當(dāng)前負(fù)載動態(tài)下發(fā)或取消下發(fā)系統(tǒng)消息SIB14，SIB14攜帶擴(kuò)展型接入禁止參數(shù)，控制EAB使用UE相應(yīng)接入類型接入。

2.2.5 TOP小區(qū)參數(shù)優(yōu)化

2.2.5.1 覆蓋等級調(diào)整

TOP小區(qū)選?。横槍Ω采w等級1或2的RRC連接建立請求次數(shù)多且子載波資源利用率高的小區(qū)。

參數(shù)調(diào)整：關(guān)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(shù)優(yōu)化

TOP小區(qū)選?。横槍﹄S著RRC連接次數(shù)或用戶數(shù)增多，RACH接入成功率差，上行底噪惡化嚴(yán)重的小區(qū)。

參數(shù)調(diào)整：

a）前導(dǎo)初始接收目標(biāo)功率值（PreambInitRcvTargetPwr），適當(dāng)提高該值，UE發(fā)送一次前導(dǎo)接入成功的概率就提高，但對鄰區(qū)的干擾變大。

b）PUSCH標(biāo)稱P0值（P0NominalPUSCH），適當(dāng)增加P0值，增加終端發(fā)射功率，基站接收到的信號就會更好，基站基帶解調(diào)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(diǎn)開通后很多站點(diǎn)上行受到了外部干擾［3］，易導(dǎo)致上行失步和丟包，對網(wǎng)絡(luò)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(qū)集中進(jìn)行攻關(guān)排查。

掃頻排查發(fā)現(xiàn)干擾源（主要為私裝信號放大器、電網(wǎng)機(jī)房信號放大器和異系統(tǒng)基站干擾3類），并制定了詳細(xì)的清除方案，協(xié)調(diào)各部門全力清除干擾源。

2.3 性能提升效果

專項優(yōu)化組對登封市NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的RRC建立相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了深度優(yōu)化，減少了RRC重發(fā)次數(shù)，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(yàn)良好（見圖2）。

3 終端與網(wǎng)絡(luò)兼容性優(yōu)化

結(jié)合前期NB實(shí)驗(yàn)，針對模組、芯片、網(wǎng)絡(luò)策略的適配問題，制定相關(guān)優(yōu)化方案。

3.1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)側(cè)要根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)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(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到模組掉線后及時重選和增加可用模組數(shù)量等目的。

3.2 終端及協(xié)議優(yōu)化

對于上傳頻次較多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，優(yōu)化模組終端協(xié)議，使用UDP避免傳輸層協(xié)議，避免使用HTTP/TCP協(xié)議，防止因握手與確認(rèn)信息較多導(dǎo)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(fā)射，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(biāo)變化趨勢

3.3 模組機(jī)制優(yōu)化

根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用優(yōu)化模組的重連機(jī)制。目前模組檢測到脫網(wǎng)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(wǎng)，2 h后再搜網(wǎng)。這種設(shè)計是考慮到大部分NB場景的低功耗要求。對于電動車業(yè)務(wù)，不擔(dān)心功耗，更擔(dān)心時效性，考慮在芯片級修改，縮短重連間隔。

對于并發(fā)量較大的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，終端錯峰上報機(jī)制的實(shí)現(xiàn)非常重要，否則網(wǎng)絡(luò)容量難以滿足業(yè)務(wù)需求。NB終端駐網(wǎng)流程的錯峰機(jī)制將在3GPP R14協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

3.4 芯片性能優(yōu)化

針對目前NB1800M與NB900M混合組網(wǎng)的現(xiàn)狀，通過對物聯(lián)網(wǎng)芯片性能優(yōu)化，使其支持雙頻且支持異頻自適應(yīng)，解決異頻段小區(qū)的終端重選及數(shù)據(jù)傳輸問題。

4 總結(jié)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域。市電動車綜合治理項目是河南乃至全國首例大型物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用項目，通過成立建維優(yōu)一體化網(wǎng)絡(luò)保障工作組，經(jīng)前期保障預(yù)估、方案輸出、問題推動，發(fā)現(xiàn)并解決終端與網(wǎng)絡(luò)不兼容、外部干擾、參數(shù)設(shè)置等問題，保障效果良好。順利協(xié)助公安局完成試點(diǎn)區(qū)域用戶入網(wǎng)、電動車防盜、綜合交通治理等工作，為中國聯(lián)通在物聯(lián)網(wǎng)市場贏得良好的口碑。