NB-IoT網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)體系研究與應(yīng)用

劉 哲，曾 偉，蔡 凱（中國(guó)聯(lián)通北京分公司，北京 100038）

0 引言

在信息化大時(shí)代背景下，移動(dòng)通信趨向于萬(wàn)物互聯(lián)方向發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為萬(wàn)物互聯(lián)體系中重要組成部分，在眾多垂直行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。工信部持續(xù)推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，提出“到2020 年，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全國(guó)普遍覆蓋，面向室內(nèi)、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)深度覆蓋，基站規(guī)模達(dá)到150 萬(wàn)個(gè)”，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商積極把握窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）發(fā)展機(jī)遇，隨著業(yè)務(wù)快速發(fā)展，未來(lái)連接數(shù)將會(huì)迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，如何構(gòu)建客觀有效的評(píng)估體系成了值得探討的話題，進(jìn)一步地，各種典型NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類(lèi)型需要滿(mǎn)足什么樣的覆蓋水平也是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中必須明確的問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)有著巨大差別，具有定制性、不可移動(dòng)性、點(diǎn)位數(shù)量多等特點(diǎn)。同時(shí)，NB-IoT 主要面向低速率、低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，涉及垂直行業(yè)眾多，包括遠(yuǎn)程抄表、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)追蹤、智能停車(chē)、氣象環(huán)保監(jiān)測(cè)等。面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)、新終端、新協(xié)議、新網(wǎng)絡(luò)，本文將結(jié)合北京聯(lián)通NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，建立合理的指標(biāo)評(píng)估優(yōu)化體系，并對(duì)典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的覆蓋水平進(jìn)行研究。

1 NB-IoT系統(tǒng)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)信息傳感器，按照事先約定的協(xié)議將萬(wàn)物連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤、識(shí)別和監(jiān)控等功能?；诜涓C的NB-IoT 只消耗大約180 kHz 的帶寬，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)，大大降低了部署成本。NB-IoT基本特點(diǎn)如下。

a）廣覆蓋。NB-IoT 基于運(yùn)營(yíng)商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在同樣頻段下，NB-IoT 相比現(xiàn)有GSM 網(wǎng)絡(luò)有20 dB 的增益，覆蓋面積擴(kuò)大10倍，期望能覆蓋到地下車(chē)庫(kù)、地下室、地下管道等信號(hào)難以到達(dá)的地方。

b）大連接。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，直接利用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)容易造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過(guò)高，NB-IoT 在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行優(yōu)化，使200 kHz 的頻率可以提供10 萬(wàn)個(gè)連接，具有海量設(shè)備連接能力。

c）低功耗。NB-IoT 引入了eDRX 省電技術(shù)和PSM 省電模式，進(jìn)一步降低了功耗，延長(zhǎng)了電池使用時(shí)間，借助這2種技術(shù)，在典型應(yīng)用場(chǎng)景下，使用AA電池（5號(hào)電池）便可以工作10年，無(wú)需充電。

d）低成本。企業(yè)預(yù)期的單個(gè)連接模塊不超過(guò)5美元，芯片價(jià)格為1～2 美元，隨著網(wǎng)絡(luò)部署成本的降低，每個(gè)模組的批量成本價(jià)格預(yù)計(jì)可以降到2 美元左右，為海量終端設(shè)備接入提供了可能。

2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

對(duì)于采用NB-IoT接入技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，其端到端架構(gòu)是由NB-IoT 終端/模塊、NB-IoT 基站、NB-IoT核心網(wǎng)、NB-IoT平臺(tái)及第三方應(yīng)用服務(wù)器組成，如圖1所示。

NB-IoT 終端/模塊：承擔(dān)信息采集、通信和控制的功能，常見(jiàn)形態(tài)為：水表、車(chē)載、表計(jì)等。

NB-IoT基站：支持NB-IoT終端的接入。

NB-IoT 核心網(wǎng)：集成MME、S-GW、P-GW、HSS 的功能為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供移動(dòng)性管理、網(wǎng)關(guān)功能、用戶(hù)簽約信息管理和用戶(hù)位置管理。

NB-IoT 平臺(tái)及第三方應(yīng)用服務(wù)器：對(duì)于不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，統(tǒng)一采用NB-IoT 平臺(tái)來(lái)支撐。NBIoT平臺(tái)不感知具體的業(yè)務(wù)形態(tài)，由第三方服務(wù)器向平臺(tái)注冊(cè)對(duì)指定的NB-IoT 終端的查詢(xún)或控制，比如水廠/電廠注冊(cè)對(duì)水表/電表的查詢(xún)或控制。平臺(tái)只負(fù)責(zé)將NB-IoT 終端與第三方服務(wù)器關(guān)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或功能控制，而不關(guān)注終端與服務(wù)器之間交換的具體數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3 NB-IoT指標(biāo)評(píng)估體系

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)評(píng)估體系是NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)優(yōu)化的重要基礎(chǔ)，想要優(yōu)質(zhì)高效地完成NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的部署，需要客觀合理的網(wǎng)絡(luò)評(píng)估體系的支撐。與4G/3G/2G 相比，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、調(diào)度算法和業(yè)務(wù)需求都有了變化，這些變化決定了其指標(biāo)評(píng)估體系也與以往的不同，尤其是指標(biāo)側(cè)重方面。

優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)做到覆蓋合理、干擾抑制、容量?jī)?yōu)化和業(yè)務(wù)感知優(yōu)良。針對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特性，結(jié)合目前掌握的指標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響的理論分析和北京聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐，得出涵蓋覆蓋、干擾、接入、業(yè)務(wù)量、容量和保持等6 個(gè)維度的物聯(lián)網(wǎng)指標(biāo)評(píng)估體系（見(jiàn)圖2）。

在六維評(píng)估方法的基礎(chǔ)上，細(xì)化每個(gè)維度具體評(píng)判指標(biāo)，更加準(zhǔn)確地評(píng)估NB 網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量，綜合評(píng)估網(wǎng)管數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度及相關(guān)性，將各類(lèi)指標(biāo)按照對(duì)NB-IoT業(yè)務(wù)的重要程度分為3個(gè)等級(jí)，形成了物聯(lián)網(wǎng)六維三級(jí)指標(biāo)評(píng)估體系，如圖3所示。

指標(biāo)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下。

圖1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 物聯(lián)網(wǎng)指標(biāo)評(píng)估體系

圖3 物聯(lián)網(wǎng)六維三級(jí)指標(biāo)評(píng)估體系

一級(jí)指標(biāo)：篩選出能夠直觀反映出網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量的指標(biāo)，作為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基礎(chǔ)指標(biāo)，優(yōu)化權(quán)重占比較高。

二級(jí)指標(biāo)：作為NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)評(píng)估的細(xì)分指標(biāo)，能從其他角度間接反映出網(wǎng)絡(luò)的性能和質(zhì)量，為一級(jí)指標(biāo)的重要補(bǔ)充手段。

三級(jí)指標(biāo)：對(duì)一、二級(jí)指標(biāo)進(jìn)一步細(xì)分，能夠體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量的細(xì)微差異，使評(píng)估方法更加細(xì)致客觀。

依據(jù)六維三級(jí)指標(biāo)評(píng)估體系，綜合分析評(píng)估北京聯(lián)通實(shí)際指標(biāo)情況，確定了各類(lèi)指標(biāo)的高中低3 檔門(mén)限，如表1所示。

4 典型業(yè)務(wù)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)研究

4.1 典型業(yè)務(wù)的關(guān)鍵指標(biāo)

NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用，在智慧城市、公共事業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、大眾消費(fèi)領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展空間。從移動(dòng)狀態(tài)上分為移動(dòng)類(lèi)應(yīng)用和固定類(lèi)應(yīng)用；從數(shù)據(jù)交互方式上分為定周期數(shù)據(jù)交互（監(jiān)測(cè)）和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互（控制）。所以從這2個(gè)維度出發(fā)可以把所有的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分為4個(gè)大類(lèi)：固定監(jiān)測(cè)、固定控制、移動(dòng)監(jiān)測(cè)和移動(dòng)控制，如圖4所示。

4 類(lèi)典型業(yè)務(wù)各有獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)各個(gè)維度的指標(biāo)的敏感程度各不相同，需要對(duì)它們逐類(lèi)分析以確定其關(guān)鍵指標(biāo)。

表1 各類(lèi)指標(biāo)的高中低3檔門(mén)限

圖4 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分類(lèi)

a）固定監(jiān)測(cè)類(lèi)。此類(lèi)業(yè)務(wù)主要包含抄表、井蓋、水文監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)，NB-IoT 模組及相應(yīng)傳感器的位置不會(huì)改變，且主要的功能是將傳感器的信息周期上傳至業(yè)務(wù)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有終端的統(tǒng)一管理。對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、業(yè)務(wù)連接性以及功耗指標(biāo)較敏感，關(guān)鍵指標(biāo)包括Attach成功率、RRC連接成功率以及上行速率。

b）固定控制類(lèi)。此類(lèi)業(yè)務(wù)主要包括智能燈桿、智能安防、智能家居等業(yè)務(wù)，NB-IoT 模組及相應(yīng)傳感器的位置通常不會(huì)改變，業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)需要實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)控制中心對(duì)終端模組下發(fā)指令完成數(shù)據(jù)采集和上報(bào)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋及數(shù)據(jù)相關(guān)指標(biāo)較敏感，關(guān)鍵指標(biāo)包括Attach 成功率、RRC 連接建立時(shí)長(zhǎng)、上行速率以及下行速率。

c）移動(dòng)監(jiān)測(cè)類(lèi)。此類(lèi)業(yè)務(wù)主要包含人員、物品定位追蹤等業(yè)務(wù)，NB-IoT 模組及相應(yīng)傳感器的位置會(huì)隨時(shí)改變，但是業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)不需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接性、功耗及移動(dòng)性指標(biāo)較敏感，關(guān)鍵指標(biāo)包括Attach成功率、RRC連接成功率、上行速率以及下行速率。

d）移動(dòng)控制類(lèi)。此類(lèi)業(yè)務(wù)主要包含共享單車(chē)、智能穿戴、移動(dòng)支付等業(yè)務(wù)，NB-IoT 模組及相應(yīng)傳感器的位置會(huì)隨時(shí)改變，同時(shí)業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接性、業(yè)務(wù)連接、功耗及移動(dòng)性指標(biāo)較敏感，關(guān)鍵指標(biāo)包括Attach成功率、RRC連接成功率、RRC連接建立時(shí)長(zhǎng)以及上行速率和下行速率。

表2 給出了典型NB-IoT 業(yè)務(wù)的關(guān)鍵指標(biāo)，在此進(jìn)一步分析典型業(yè)務(wù)對(duì)不同關(guān)鍵指標(biāo)的敏感程度，進(jìn)行各業(yè)務(wù)的關(guān)鍵指標(biāo)權(quán)重設(shè)定。關(guān)鍵指標(biāo)權(quán)重設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)如圖5所示。

4.2 典型業(yè)務(wù)覆蓋水平分析

表2 典型NB-IoT業(yè)務(wù)的關(guān)鍵指標(biāo)

圖5 關(guān)鍵指標(biāo)權(quán)重設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)

運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的目標(biāo)是以最優(yōu)性?xún)r(jià)比提供滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)，所以研究滿(mǎn)足業(yè)務(wù)正常使用、網(wǎng)絡(luò)需要達(dá)到什么樣的覆蓋水平十分重要。本文從NBIoT指標(biāo)評(píng)估體系中提取出指標(biāo)基準(zhǔn)值，指標(biāo)基準(zhǔn)值是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求必須達(dá)到的指標(biāo)門(mén)限值。

通過(guò)大量測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出了NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵業(yè)務(wù)指標(biāo)的基準(zhǔn)值，同時(shí)得到了對(duì)應(yīng)的表征覆蓋水平的指標(biāo)RSRP標(biāo)準(zhǔn)值與SINR標(biāo)準(zhǔn)值，如表3所示。

表3 表征覆蓋水平的指標(biāo)RSRP標(biāo)準(zhǔn)值與SINR標(biāo)準(zhǔn)值

4.3 典型業(yè)務(wù)覆蓋評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

在北京聯(lián)通NB-IoT 建設(shè)優(yōu)化實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)及LTE 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)，本文確定了典型業(yè)務(wù)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)確定了滿(mǎn)足典型業(yè)務(wù)需求的最低覆蓋標(biāo)準(zhǔn)，為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)優(yōu)化工作提供支撐依據(jù)。業(yè)務(wù)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)可由式（1）確定：

以固定監(jiān)測(cè)類(lèi)業(yè)務(wù)為例說(shuō)明典型業(yè)務(wù)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法。

第1 步，確定關(guān)鍵指標(biāo)，查詢(xún)表2 得到該類(lèi)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵指標(biāo)為RRC 連接成功率、Attach 成功率和上行速率。

第2 步，確定指標(biāo)權(quán)重，從圖5 可知該類(lèi)業(yè)務(wù)關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)分別是0.3、0.3和0.4。

第3 步，確定測(cè)試值，查詢(xún)表3 可知，RRC 連接成功率、Attach 成功率、上行速率基準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的RSRP 測(cè)試值分別為-115 dBm、-120 dBm 和-106 dBm，最高測(cè)試值為-106 dBm。

第4 步，計(jì)算業(yè)務(wù)覆蓋RSRP 標(biāo)準(zhǔn)值，將數(shù)據(jù)帶入式（1）得到：固定監(jiān)測(cè)類(lèi)業(yè)務(wù)RSRP 覆蓋標(biāo)準(zhǔn)為-106-［-106+（0.3×115+0.3×120+0.4×106）］/2=-109.5 dBm。

同樣地，通過(guò)上述方法可以計(jì)算出固定監(jiān)測(cè)類(lèi)業(yè)務(wù)的SINR標(biāo)準(zhǔn)值為-1.2 dB。

綜上可以得到如果需要滿(mǎn)足固定監(jiān)測(cè)類(lèi)業(yè)務(wù)需求，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)RSRP值最低應(yīng)大于-109.5 dBm，SINR值大于-1.2 dB。

通過(guò)本文構(gòu)建的典型業(yè)務(wù)覆蓋評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算出4種典型NB-IoT 業(yè)務(wù)需要滿(mǎn)足的最低覆蓋水平，如表4所示。

表4 4種典型NB-IoT業(yè)務(wù)需要滿(mǎn)足的最低覆蓋水平

5 結(jié)束語(yǔ)

萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)獲得更多的垂直應(yīng)用，走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)潛力巨大的藍(lán)海，各大運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商、服務(wù)商都摩拳擦掌，越來(lái)越多的業(yè)務(wù)帶來(lái)更多利潤(rùn)的同時(shí)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。

本文首先構(gòu)建了六維三級(jí)指標(biāo)評(píng)估體系，隨后從業(yè)務(wù)的角度出發(fā)，研究不同特點(diǎn)的典型業(yè)務(wù)需要網(wǎng)絡(luò)滿(mǎn)足什么樣的覆蓋水平，提供了分析思路與評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，為NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)與優(yōu)化評(píng)估提供指導(dǎo)，為萬(wàn)物互聯(lián)的愿景提供推力。