基于NB-IoT多業(yè)務(wù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)覆蓋的評(píng)估和優(yōu)化

衛(wèi)鴻婧，郭 寶，桑勝波

(1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山西有限公司，太原 030032；2.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，太原 030024)

NB-IoT是3GPP 針對(duì)低功耗廣覆蓋(low power wide area，LPWA)類(lèi)業(yè)務(wù)而定義的新一代蜂窩物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，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(wù)，適用于智能抄表、資產(chǎn)跟蹤、穿戴類(lèi)設(shè)備等低速率、大連接的應(yīng)用。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(luò)，支撐國(guó)家大連接戰(zhàn)略?，F(xiàn)階段NB-IoT行業(yè)應(yīng)用成熟度低，行業(yè)應(yīng)用屬于起步階段，網(wǎng)絡(luò)整體處于工程優(yōu)化階段。從現(xiàn)階段優(yōu)化情況來(lái)看，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)存在的主要問(wèn)題有：室外重疊覆蓋嚴(yán)重；整體覆蓋較好，但局部覆蓋空洞較多；室內(nèi)疑難場(chǎng)景深度覆蓋不足；NB協(xié)議棧簡(jiǎn)化，缺少M(fèi)R數(shù)據(jù)，評(píng)估和支撐手段缺少。此外，基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)具有業(yè)務(wù)模型差異大、服務(wù)等級(jí)差異大、深度覆蓋要求高、終端靜默長(zhǎng)等特征?，F(xiàn)階段各業(yè)務(wù)商用終端尚未規(guī)模普及，業(yè)務(wù)量較少、優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)缺乏、優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)不明，亟需開(kāi)展針對(duì)性的網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)協(xié)同優(yōu)化研究[1]。

1 基于NB-IoT多業(yè)務(wù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)研究

1.1 業(yè)務(wù)類(lèi)型研究

NB-IoT不同垂直應(yīng)用領(lǐng)域均涉及4類(lèi)業(yè)務(wù)類(lèi)型中的一種或者幾種，建立分應(yīng)用、分場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，首先對(duì)4類(lèi)業(yè)務(wù)類(lèi)型的特征進(jìn)行研究[2]。3GPP TR45.820協(xié)議中定義了自主異常報(bào)告、自主周期報(bào)告、網(wǎng)絡(luò)指令和軟件更新4類(lèi)業(yè)務(wù)。共同點(diǎn)為傳輸數(shù)據(jù)量小，邊緣速率要求不高，適合靜態(tài)場(chǎng)景。差異體現(xiàn)在傳送數(shù)據(jù)包的大小和業(yè)務(wù)周期。細(xì)分四類(lèi)業(yè)務(wù)的差異，制定4類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的5項(xiàng)接入網(wǎng)絡(luò)和分配資源過(guò)程中涉及的KPI最低標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 各類(lèi)業(yè)務(wù)最低指標(biāo)要求Table 1 Minimum requirements for all types of business

1.2 覆蓋增強(qiáng)技術(shù)對(duì)KPI影響

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)典型業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋提出相對(duì)GSM/LTE網(wǎng)絡(luò)的最小耦合損耗值MCL增強(qiáng)20 dB的要求。其中，下行覆蓋的增強(qiáng)通過(guò)加大數(shù)據(jù)的重復(fù)發(fā)送實(shí)現(xiàn)；上行覆蓋的增強(qiáng)通過(guò)提高功率譜密度和增加數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送次數(shù)實(shí)現(xiàn)[3]。

1) 覆蓋等級(jí)的設(shè)置。與傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)相比，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力除RSRP參數(shù)外，還可通過(guò)MCL值與覆蓋級(jí)別(coverage level)反映。3種覆蓋等級(jí)即常規(guī)覆蓋(normal coverage)、增強(qiáng)覆蓋(extended coverage)和極遠(yuǎn)覆蓋(extreme coverage)，分別對(duì)應(yīng)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(gè)RSRP列表，包含兩個(gè)RSRP門(mén)限值RSRP1，RSRP2，用于區(qū)分不同覆蓋等級(jí)。不同覆蓋等級(jí)下對(duì)應(yīng)不同的接入資源配置和不同的重復(fù)次數(shù)。因此在分析RSRP同KPI關(guān)系之前，首先要考慮覆蓋等級(jí)的設(shè)置。以所處位置RSRP=-110 dBm為例，當(dāng)RSRP1<-110 dBm，終端按照CE0進(jìn)行接入；當(dāng)RSRP1>-110 dBm，終端按照CE1進(jìn)行接入。

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

3) 覆蓋等級(jí)設(shè)置同KPI的關(guān)聯(lián)。以現(xiàn)網(wǎng)參數(shù)設(shè)置為例，現(xiàn)網(wǎng) NB為CP模式，只部署錨點(diǎn)載波。當(dāng)前RSRP1=-110，RSRP2=-120，對(duì)應(yīng)3個(gè)覆蓋等級(jí)下，NPDSCH、NPUSCH(15K ST)重復(fù)次數(shù)分別為1，4，32.其他相關(guān)接入?yún)?shù)設(shè)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(wù)的覆蓋標(biāo)準(zhǔn)

2.1 不同業(yè)務(wù)覆蓋性能對(duì)應(yīng)指標(biāo)

覆蓋等級(jí)、重復(fù)次數(shù)配置如下：RSRP1=-110，RSRP2=-120；對(duì)應(yīng)3個(gè)覆蓋等級(jí)下，NPDSCH，NPUSCH(15K ST)重復(fù)次數(shù)分別為1，4，32.通過(guò)大量測(cè)試得到RSRP、SINR、KPI三個(gè)變量的測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，考慮到RSRP對(duì)KPI影響跟覆蓋等級(jí)設(shè)置直接關(guān)聯(lián)，可通過(guò)偏相關(guān)分析，得到KPI對(duì)RSRP，SINR的最低要求[4]。

1) RRC建立成功率。利用測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算RSRP、SINR的偏相關(guān)系數(shù)，分析發(fā)現(xiàn) RSRP>-120 dBm 后，SINR為主要相關(guān)變量。分析SINR對(duì)RRC建立成功率的影響程度，如圖1所示，得到：當(dāng)SINR<-2.51 dB時(shí)，RRC建立成功率降低至99%以下；SINR<-3.06時(shí)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(shí)延。利用測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算RSRP、SINR的偏相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)RSRP和SINR與RRC建立時(shí)延均明顯相關(guān)，得到SINR為(-2.495，-3.217)是分別對(duì)應(yīng)500 ms，2 000 ms，此時(shí)RSRP為-110.7 dBm.

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

2.2 NB-IoT不同應(yīng)用類(lèi)型對(duì)應(yīng)的覆蓋標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)階段NB-IoT主要應(yīng)用有水表、路燈、單車(chē)和智能停車(chē)等。按照窄帶物聯(lián)網(wǎng)適合的數(shù)據(jù)上報(bào)方式(數(shù)據(jù)上報(bào)為主、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互)與移動(dòng)方式(固定類(lèi)、移動(dòng)類(lèi))，參考《中國(guó)移動(dòng)NB-IoT端到端商用驗(yàn)收測(cè)試規(guī)范》，將NB-IoT應(yīng)用分為固定監(jiān)測(cè)類(lèi)、固定控制類(lèi)、移動(dòng)監(jiān)測(cè)類(lèi)和移動(dòng)控制類(lèi)4種。將業(yè)務(wù)進(jìn)一步細(xì)分，可得到19類(lèi)典型應(yīng)用的業(yè)務(wù)類(lèi)型及部署場(chǎng)景，如表3所示。

表3 分應(yīng)用、分場(chǎng)景覆蓋標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Sub-application and sub-scenario coverage standard

本節(jié)從NB四類(lèi)業(yè)務(wù)特征差異出發(fā)，在探究覆蓋等級(jí)、重復(fù)次數(shù)原理和作用的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量測(cè)試和對(duì)業(yè)務(wù)、KPI、覆蓋標(biāo)準(zhǔn)三者的深入研究，得到了細(xì)分至19類(lèi)業(yè)務(wù)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)，使接下來(lái)的NB網(wǎng)絡(luò)建設(shè)優(yōu)化中更有目的性、更貼合業(yè)務(wù)、更聚焦用戶感知、更加精準(zhǔn)。

3 基于NB-IoT多業(yè)務(wù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化

3.1 道路覆蓋提升

關(guān)于現(xiàn)網(wǎng)NB-IoT與GSM共天饋規(guī)劃，中國(guó)移動(dòng)集團(tuán)優(yōu)化指導(dǎo)中明確說(shuō)明，以GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)先，盡量不調(diào)整NB-IoT天饋。但在具體NB-IoT網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)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(dǎo)致優(yōu)化無(wú)法正常開(kāi)展的問(wèn)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(lái)輔助現(xiàn)場(chǎng)輸出G/N天饋調(diào)整方案。對(duì)于完全無(wú)法調(diào)整的小區(qū)，通過(guò)采用天饋分裂的方式來(lái)解決道路覆蓋問(wèn)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(guò)異頻配置規(guī)避，但NB-IoT網(wǎng)絡(luò)并發(fā)容量有限，異頻組網(wǎng)并未實(shí)質(zhì)性解決網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，且資源利用率偏低，未來(lái)將帶來(lái)容量壓力?；诙嘞到y(tǒng)理想小區(qū)覆蓋范圍的共天饋優(yōu)化通過(guò)建立柵格路損矩陣、擬算覆蓋范圍，來(lái)輸出天饋調(diào)整最優(yōu)。

數(shù)據(jù)采集：采集GSM，NB兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工參、掃頻測(cè)試、電子地圖、天線文件、功率配置等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

建立柵格路損矩陣：利用掃頻、路測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)位置、電平信息，對(duì)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?cè)瓌t，實(shí)現(xiàn)小區(qū)天線調(diào)整后柵格覆蓋電平預(yù)測(cè)。

確認(rèn)天饋調(diào)整最優(yōu)解：通過(guò)多系統(tǒng)小區(qū)理想覆蓋范圍算法對(duì)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(guò)NG分裂可實(shí)現(xiàn)兩網(wǎng)的獨(dú)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(chǎng)景下的站間距較大，局部覆蓋空洞問(wèn)題；方案2可解決NB重疊覆蓋問(wèn)題。N/G分裂傳統(tǒng)改造方案為新增1個(gè)GNF共模RRU，實(shí)現(xiàn)NB和GSM的分裂，改造方案如圖2所示；相當(dāng)于新增一套2G主設(shè)備，施工周期長(zhǎng)、建設(shè)成本高，且不符合網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢(shì)。

圖2 NB-IoT獨(dú)立天饋改造方案Fig.2 NB-IoT independent antenna feeder transformation plan

對(duì)天線原理及電氣性能進(jìn)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(guò)新增一副普通GSM天線，通過(guò)下列天饋系統(tǒng)改造后，實(shí)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(guò)功率配置實(shí)現(xiàn)解決不同需求的兩種方案。

在現(xiàn)網(wǎng)實(shí)施驗(yàn)證后，天饋調(diào)整以GSM方案為主，設(shè)置機(jī)械下傾角為12°.通過(guò)方案1改造實(shí)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(chǎng)景覆蓋提升方案

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中高層場(chǎng)景主要存在導(dǎo)頻污染、弱覆蓋、無(wú)覆蓋問(wèn)題。對(duì)于典型高層場(chǎng)景，這種場(chǎng)景一般存在多種應(yīng)用種類(lèi)，需對(duì)覆蓋類(lèi)、重選類(lèi)參數(shù)進(jìn)行差異化配置，以滿足各類(lèi)業(yè)務(wù)的覆蓋標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行覆蓋提升。

根據(jù)上文此類(lèi)場(chǎng)景基于業(yè)務(wù)的覆蓋標(biāo)準(zhǔn)為：RSRP>-110.6 dBm，SINR>-1.89 dB.對(duì)于此場(chǎng)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(wù)小區(qū)功率是否已提升至32.2 dBm以及是否為2T4R方式開(kāi)通，具備條件的情況下部署4T4R；考察終端所處位置，增大相應(yīng)覆蓋等級(jí)上下重復(fù)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(shí)器、小區(qū)重選遲滯值避免頻繁重選；對(duì)導(dǎo)頻污染嚴(yán)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(dǎo)頻污染。按照上述流程進(jìn)行參數(shù)核查后，將主服務(wù)小區(qū)功率從29.2 dBm提升至32.2 dBm，同時(shí)將覆蓋等級(jí)1下上下行初始傳輸重復(fù)次數(shù)從2提升至4，同時(shí)提升重選判決定時(shí)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(luò)及終端延伸

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

網(wǎng)絡(luò)延伸主要指利舊改造現(xiàn)網(wǎng)的直放站設(shè)備、手機(jī)伴侶等。直放站主要功能是通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)的功率放大以達(dá)到信號(hào)延伸的目的，主要應(yīng)用場(chǎng)景：城市周邊廠礦、大型地下活動(dòng)場(chǎng)所等。直放站改造試點(diǎn)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(cè)電平為-60 dbm左右，樓內(nèi)覆蓋-80 dbm.針對(duì)集客會(huì)議、辦公樓配電室等需求緊急小眾特殊場(chǎng)景，可利用GSM手機(jī)伴侶放大信號(hào)的辦法補(bǔ)充N(xiāo)B覆蓋。

終端延伸是指終端側(cè)增加外接天線，提升終端側(cè)接受/發(fā)射增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)弱覆蓋區(qū)域的信號(hào)質(zhì)量提升。此類(lèi)方式建設(shè)方式靈活，安裝方便，適用于終端分布零散區(qū)域，預(yù)估建設(shè)成本為30元/終端。建議集團(tuán)加強(qiáng)引導(dǎo)終端廠商對(duì)于隱蔽場(chǎng)景的終端設(shè)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(cè)、井蓋監(jiān)測(cè)等。

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

對(duì)于連片的業(yè)務(wù)覆蓋盲區(qū)，面積較大，終端較為集中(終端數(shù)超過(guò)20個(gè))，利于集中投資，可采用網(wǎng)絡(luò)側(cè)的延伸覆蓋方案。典型場(chǎng)景：大型地下室、城市周?chē)I(yè)園區(qū)等。對(duì)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(cè)解決方案。

4 總結(jié)

當(dāng)前，NB-IoT作為中國(guó)移動(dòng)面向未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的一個(gè)重要網(wǎng)絡(luò)，良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量是未來(lái)立足于競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)。本文從NB-IoT四類(lèi)業(yè)務(wù)的特征差異出發(fā)，在探究業(yè)務(wù)覆蓋等級(jí)、執(zhí)行重復(fù)次性和冗余作用的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量測(cè)試和業(yè)務(wù)模擬、KPI、覆蓋標(biāo)準(zhǔn)三者的深入研究，得到了細(xì)分至19類(lèi)業(yè)務(wù)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)此細(xì)分優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)和創(chuàng)新的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋評(píng)估手段，全面分析評(píng)估出了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋嚴(yán)重、局部覆蓋空洞多、室內(nèi)深度覆蓋不足等問(wèn)題，并針對(duì)不同場(chǎng)景、不同問(wèn)題創(chuàng)新研究了高層參數(shù)到室內(nèi)升級(jí)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(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)延伸、終端延伸方案等多項(xiàng)優(yōu)化解決方案，最終使得NB-IoT網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量得以提升。