關(guān)于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)并發(fā)沖突問題的探討

胡盛劍，葉凌華

（中國(guó)電信股份有限公司 麗水分公司，浙江 麗水 323000）

1 背景概述

物聯(lián)網(wǎng)是將物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理的新技術(shù)。其就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是物品與物品之間進(jìn)行信息交換，與傳統(tǒng)的人與人之間的信息交互存在較大的差別[1-4]。

NB-IoT是目前全球使用最廣的物聯(lián)網(wǎng)制式，憑借低功耗、低成本以及廣覆大容量等技術(shù)優(yōu)勢(shì)被各個(gè)國(guó)家主流運(yùn)營(yíng)商所采用。隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)終端被應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，智慧路燈就是其中的一項(xiàng)。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)一般具有小流量和大連接等特點(diǎn)，由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，在部分高話務(wù)區(qū)域，業(yè)務(wù)集中觸發(fā)的情況下，部分終端會(huì)存在接入沖突和無法及時(shí)上線的問題，這是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的一個(gè)難點(diǎn)[5]。

某市政府開展“亮化工程”項(xiàng)目，需要在主城區(qū)建設(shè)智慧路燈共3 725座，全部通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)每天晚上18點(diǎn)—19點(diǎn)之間亮燈的計(jì)劃，要求亮燈率在90%以上。經(jīng)過項(xiàng)目前期的多次調(diào)試，發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)存在接入沖突的問題，導(dǎo)致計(jì)劃時(shí)間內(nèi)的亮燈率僅為80%，與預(yù)期目標(biāo)存在較大的差距。

2 問題分析

2.1 業(yè)務(wù)側(cè)分析

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一般由運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)、傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)以及無線通信網(wǎng)系統(tǒng)等組成[6]。該市“亮化工程”項(xiàng)目采用的智慧路燈系統(tǒng)組網(wǎng)方式比較簡(jiǎn)單，業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方式是在智慧路燈上安裝有無線裝置，后臺(tái)管理平臺(tái)通過云平臺(tái)與基站網(wǎng)絡(luò)相連，并通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)對(duì)路燈下達(dá)指令，完成路燈的開關(guān)動(dòng)作[7]。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能開關(guān)、設(shè)備管理以及報(bào)表統(tǒng)計(jì)等一系列功能，系統(tǒng)組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 智慧路燈系統(tǒng)組網(wǎng)圖

經(jīng)過與市政業(yè)務(wù)部門對(duì)接，了解到該系統(tǒng)現(xiàn)有的亮燈策略如下。智慧路燈后臺(tái)管理平臺(tái)每天晚上18點(diǎn)開始下發(fā)亮燈指令，終端開始同時(shí)接入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，接入完成后發(fā)送報(bào)文釋放無線資源進(jìn)入休眠狀態(tài)，并在下一個(gè)周期再次觸發(fā)連接（每小時(shí)觸發(fā)一次），未連接上的路燈持續(xù)發(fā)起請(qǐng)求直到連上為止。

目前的亮燈策略為所有終端同一時(shí)刻集中接入，所以對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在容量上造成較大的壓力。通過市政后臺(tái)管理平臺(tái)查看，發(fā)現(xiàn)未亮路燈具有一定的區(qū)域性，主要集中在居民區(qū)密集的兩條主干道路沿線，如圖2所示。從無線網(wǎng)絡(luò)看，這兩個(gè)區(qū)域主要由后嶺路和酒廠兩個(gè)NB-IoT基站信號(hào)覆蓋，無線環(huán)境比較簡(jiǎn)單。

圖2 未亮燈區(qū)域分布情況

2.2 網(wǎng)絡(luò)側(cè)分析

了解智慧路燈系統(tǒng)的組成和亮燈策略后，為了查明兩個(gè)問題區(qū)域亮燈率低的原因，維護(hù)人員對(duì)后嶺路和酒廠兩個(gè)基站設(shè)備進(jìn)行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)基站設(shè)備運(yùn)行正常，硬件設(shè)備也沒有任何告警，因此可以排除基站設(shè)備故障導(dǎo)致亮燈率低的可能性。接著，優(yōu)化人員對(duì)這兩個(gè)基站的網(wǎng)管指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)基站存在不同程度話務(wù)負(fù)荷高的問題。其中，酒廠基站從晚上18點(diǎn)直到21點(diǎn)，基站終端連接數(shù)持續(xù)大于380個(gè)，基站峰值利用率大于95%，而后嶺路基站終端連接數(shù)持續(xù)大于250個(gè)，基站峰值利用率大于84%。此外發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)基站的RRC連接成功率指標(biāo)均低于90%，遠(yuǎn)低于正常網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。進(jìn)一步通過分析基站信令發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)基站下的終端存在大量的鏈路建立失敗信令，而智慧路燈無線控制器如果與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)鏈路建立失敗，那么就無法與基站建立連接，將直接導(dǎo)致亮燈失敗，進(jìn)入下一次嘗試等待。

至此，可以判定這兩個(gè)區(qū)域亮燈率低的問題，主要是由于同一時(shí)間接入同一基站的用戶過多，導(dǎo)致基站話務(wù)負(fù)荷過高，從而引起部分路燈無線鏈路建立失敗，最終導(dǎo)致亮燈失敗。

3 方法探討

找到問題的原因后，作者認(rèn)為解決問題的關(guān)鍵在于如何解決這兩個(gè)基站的并發(fā)接入問題，即減少同一時(shí)間接入同一基站的用戶數(shù)，于是從話務(wù)均衡優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化以及業(yè)務(wù)規(guī)則優(yōu)化3個(gè)方面來探討分析[8]。

3.1 話務(wù)均衡優(yōu)化

話務(wù)均衡優(yōu)化是指在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量滿足的條件下，通過調(diào)整天線方位角、下傾角以及基站功率等方式，控制基站扇區(qū)的覆蓋范圍，將高負(fù)荷基站扇區(qū)下的接入終端均衡到其他基站扇區(qū)，避免在一個(gè)扇區(qū)下接入的終端數(shù)量過多。由于酒廠基站位于山頂，地勢(shì)很高，導(dǎo)致基站信號(hào)覆蓋過遠(yuǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)無線環(huán)境，維護(hù)人員調(diào)整了該基站的下傾角，并減小了發(fā)射功率，盡量控制酒廠基站的信號(hào)覆蓋范圍，附近話務(wù)由周邊站點(diǎn)進(jìn)行分流[9]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 定時(shí)器參數(shù)調(diào)整

定時(shí)器參數(shù)調(diào)整是控制終端合理使用網(wǎng)絡(luò)資源的一種常見手段。為了使終端在完成RRC連接發(fā)送報(bào)文后能盡快釋放無線資源，提高基站無線資源利用率，并降低終端接入后的掉線率，可以嘗試減少SRB信令不激活定時(shí)器和CP不活動(dòng)定時(shí)器。本文將后嶺路和酒廠兩個(gè)站點(diǎn)的兩個(gè)定時(shí)器均從10 s優(yōu)化為5 s。

3.2.2 周期參數(shù)調(diào)整

導(dǎo)致大量終端同時(shí)接入失敗的重要原因是隨機(jī)接入重傳次數(shù)達(dá)到配置上限，而與接入相關(guān)的主要3個(gè)參數(shù)分別是窄帶物理隨機(jī)接入信道周期、隨機(jī)接入注冊(cè)響應(yīng)周期以及隨機(jī)接入信道可重傳次數(shù)。本文重點(diǎn)對(duì)隨機(jī)接入注冊(cè)超時(shí)周期參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從原先的640 ms減小到320 ms，在無線信號(hào)良好的情況下，通過減少隨機(jī)接入響應(yīng)周期，可以提升并發(fā)接入能力。

3.2.3 功率參數(shù)調(diào)整

智慧路燈均有外接天線，信號(hào)接收和發(fā)送損耗較少，在信號(hào)強(qiáng)度滿足的情況下，適當(dāng)降低基站窄帶物理上行共享信道標(biāo)稱功率和窄帶物理隨機(jī)接入信道前導(dǎo)初始功率，可以減少終端之間的相互干擾，提升上行信號(hào)質(zhì)量。本文將后嶺路和酒廠兩個(gè)基站的窄帶物理上行共享信道標(biāo)稱功率參數(shù)從-90 dBm調(diào)整到-100 dBm，窄帶物理隨機(jī)接入信道前導(dǎo)初始功率參數(shù)從-94 dBm調(diào)整到-104 dBm。

3.3 業(yè)務(wù)規(guī)則優(yōu)化

由于導(dǎo)致亮燈失敗的重要原因是同一時(shí)間接入同一基站的終端過多，因此市政部門也對(duì)問題區(qū)域的智慧路燈亮燈策略進(jìn)行了精細(xì)化調(diào)整。對(duì)于路燈密集的區(qū)域進(jìn)行錯(cuò)峰亮燈，即該區(qū)域內(nèi)的路燈分兩批亮燈，時(shí)間錯(cuò)開1 min，盡量減少同一時(shí)刻同一區(qū)域接入網(wǎng)絡(luò)的路燈數(shù)量。同時(shí)，將智慧路燈再次亮燈觸發(fā)時(shí)間縮短為半個(gè)小時(shí)，以提高二次觸發(fā)亮燈的及時(shí)性。

業(yè)務(wù)規(guī)則優(yōu)化是很重要一種辦法，在保證客戶需求的情況下，盡可能通過優(yōu)化業(yè)務(wù)規(guī)則，減少同一時(shí)間內(nèi)觸發(fā)的業(yè)務(wù)量，減輕NB-IoT網(wǎng)絡(luò)瞬時(shí)的接入負(fù)荷，是目前最行之有效的手段[10]。

4 效果展示

經(jīng)過上述3個(gè)方面的優(yōu)化，并進(jìn)行了一段時(shí)間的跟蹤統(tǒng)計(jì)，原后嶺路和酒廠兩個(gè)基站下智慧路燈亮燈率低的問題基本得到解決，以下分別從網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和業(yè)務(wù)指標(biāo)兩方面對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行對(duì)比展示。

4.1 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)對(duì)比

如圖3所示，基站RRC連接成功率指標(biāo)從優(yōu)化前的95.02%提升到96.33%，提升1.31%；UE異常釋放次數(shù)從優(yōu)化前的90 000次下降到優(yōu)化后的2 000次，下降了88 000次；基站無線掉線率從優(yōu)化前的19.6%下降到1.98%，下降了17.62%。從網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)上看，該項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的基站指標(biāo)提升非常大，優(yōu)化效果十分明顯。

圖3 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)對(duì)比

4.2 業(yè)務(wù)指標(biāo)對(duì)比

如圖4所示，對(duì)比業(yè)務(wù)指標(biāo)，智慧路燈系統(tǒng)總共有路燈3 725盞，根據(jù)后臺(tái)管理平臺(tái)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化后18點(diǎn)亮燈3 431盞，亮燈率由70.30%達(dá)到92.10%，提升了21.80%，18點(diǎn)30分亮燈3 658盞，亮燈率由76.5%達(dá)到98.20%，提升了21.70%，19點(diǎn)所有路燈全亮，亮燈率由79.80%達(dá)到100.00%，提升了20.2%，?？梢?，優(yōu)化后該“亮化工程”的整體業(yè)務(wù)指標(biāo)提升也是非常明顯的。

圖4 業(yè)務(wù)指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié) 論

受益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)的不斷積累和快速升級(jí)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善和成熟，中國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。智能終端的數(shù)量在近年來呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，智慧停車、智慧電表以及智能家居等業(yè)務(wù)應(yīng)用比比皆是，可以說物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)融入到了人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面。而隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，隨之而來的網(wǎng)絡(luò)容量問題和網(wǎng)絡(luò)干擾問題等也不容忽視。對(duì)于像智慧路燈這類并發(fā)接入終端較多的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，在保證網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度及質(zhì)量的前提下，減少并發(fā)接入終端數(shù)是保證業(yè)務(wù)指標(biāo)良好的關(guān)鍵。通過話務(wù)均衡、參數(shù)優(yōu)化以及業(yè)務(wù)規(guī)則優(yōu)化的方法，能有效解決由業(yè)務(wù)并發(fā)引起的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)指標(biāo)差和業(yè)務(wù)指標(biāo)不合格等問題。