窄帶物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法研究

趙清 陳祥 張順 陳歡

摘 要 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年物聯(lián)網(wǎng)連接將達(dá)到300億，市場(chǎng)空間將達(dá)1.7萬(wàn)億美元，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）應(yīng)運(yùn)而生。NB-IOT具備支持海量連接、廣覆蓋、低功耗、低成本等特點(diǎn)，能滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求，是運(yùn)營(yíng)商未來(lái)業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的巨大增長(zhǎng)點(diǎn)。對(duì)此，當(dāng)前針對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化手段及策略的研究顯得十分重要。

關(guān)鍵詞 窄帶物聯(lián)網(wǎng)；多樣性；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）213-0138-02

在傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，需要從覆蓋和容量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行考慮。NB-IOT網(wǎng)絡(luò)具備低功耗、廣覆蓋、低成本、低速率等特點(diǎn)，而窄帶物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于容量方面的需求不高，那么在進(jìn)行NB網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)就需要重點(diǎn)考慮如何提升覆蓋等方面的問(wèn)題了。因此，覆蓋優(yōu)化可以按照階段的不同分為規(guī)劃優(yōu)化、工程優(yōu)化和運(yùn)維優(yōu)化3個(gè)方面。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化方法

1.1 技術(shù)原理

窄帶物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋優(yōu)化可以從規(guī)劃優(yōu)化、工程優(yōu)化和運(yùn)維優(yōu)化3個(gè)方面進(jìn)行。規(guī)劃優(yōu)化主要考慮前期需求分析、規(guī)模估算、站點(diǎn)選擇和規(guī)劃仿真，同時(shí)還需考慮清頻測(cè)試；工程優(yōu)化主要考慮單點(diǎn)建設(shè)完成后，通過(guò)DT/CQT等方式，結(jié)合天饋調(diào)整，RF優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋；運(yùn)維優(yōu)化是指在工程優(yōu)化結(jié)束后，商用的情況下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行RF優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋。三種優(yōu)化針對(duì)的階段不同，側(cè)重點(diǎn)也不同，采用的優(yōu)化手段也有區(qū)別。

1.2 技術(shù)方案

1.2.1 規(guī)劃優(yōu)化

窄帶物聯(lián)網(wǎng)基于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，確定規(guī)劃的目標(biāo)，制定頻率規(guī)劃、覆蓋規(guī)劃、參數(shù)和傳輸需求規(guī)劃等方面內(nèi)容，建立工程建設(shè)方案等。大部分的規(guī)劃內(nèi)容可以參考現(xiàn)有GSM或者LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。窄帶物聯(lián)網(wǎng)帶寬180kHz，因此在同樣的頻段下，比現(xiàn)有GSM900或者LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋更強(qiáng)，增益最大可達(dá)20dBm，覆蓋提升100倍；另外窄帶物聯(lián)網(wǎng)基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行承載，減少投入成本，部署方式主要有以下3種。

1）帶內(nèi)：部署在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬內(nèi)，在現(xiàn)有設(shè)備上功率增強(qiáng)，需要占用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源。

2）帶外有間隔：部署在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬外，并且和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)有頻率間隔，功率獨(dú)立配置，可以不依賴現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。

3）帶外無(wú)間隔：部署在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬外，和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無(wú)頻率間隔，在現(xiàn)有設(shè)備上功率增強(qiáng)，不需要占用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源。規(guī)劃好頻率、參數(shù)以及建設(shè)方案后，就可以開(kāi)始按照建設(shè)方案執(zhí)行，然后進(jìn)行工程優(yōu)化。

1.2.2 工程優(yōu)化

工程優(yōu)化在建設(shè)完成后，主設(shè)備建設(shè)的問(wèn)題可考慮在現(xiàn)有設(shè)備上升級(jí)或者新建主設(shè)備，在整個(gè)系統(tǒng)中，天饋系統(tǒng)會(huì)顯得非常重要，在天線選擇時(shí)要堅(jiān)持性能優(yōu)先原則，同時(shí)考慮施工難易程度。按照NB-IOT業(yè)務(wù)能力，射頻能力和覆蓋能力進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，包括單站場(chǎng)景下，業(yè)務(wù)能力、性能驗(yàn)證和覆蓋范圍驗(yàn)證；多站場(chǎng)景下，業(yè)務(wù)能力，覆蓋范圍和干擾性能驗(yàn)證等。從測(cè)試的結(jié)果，對(duì)比規(guī)劃的參數(shù)設(shè)置，做個(gè)性化的修改，滿足業(yè)務(wù)需求，覆蓋要求等，即完成工程優(yōu)化。工程優(yōu)化完成后交付使用，NBIOT基站入網(wǎng)使用，接入商用用戶，即開(kāi)始運(yùn)維優(yōu)化。

1.2.3 運(yùn)維優(yōu)化

一旦接入商業(yè)用戶，就進(jìn)入運(yùn)維優(yōu)化階段，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整從覆蓋優(yōu)化，干擾鄰區(qū)等優(yōu)化轉(zhuǎn)移到側(cè)重保證用戶服務(wù)質(zhì)量等方面。NB-IOT網(wǎng)絡(luò)并不需要時(shí)時(shí)保持連接，需求量也較小，故采集NB終端上報(bào)的MR數(shù)據(jù)，做類似234G MR覆蓋評(píng)估難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)此，本文重點(diǎn)研究了一套窄帶物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)維優(yōu)化方法及策略。

1.3 優(yōu)化策略

在2G、3G、4G時(shí)代，衡量網(wǎng)絡(luò)覆蓋好壞的手段除了遍歷測(cè)試外還有MR覆蓋率評(píng)估體系，MR分析功能通過(guò)分析和匯總移動(dòng)臺(tái)上報(bào)的測(cè)試小區(qū)的上下行電平、上下行質(zhì)量、Tadv （Timing Advance）分布和鏈路平衡信息，根據(jù)這些信息直觀地了解載頻及小區(qū)的覆蓋、質(zhì)量等情況。通過(guò)系統(tǒng)處理和直觀展現(xiàn)無(wú)線鏈路信息能夠協(xié)助解決網(wǎng)絡(luò)中大量的隱性故障問(wèn)題。NB-IOT網(wǎng)絡(luò)不具備這個(gè)功能，但可通過(guò)借鑒MR模式來(lái)分析NB-IOT的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況。

協(xié)議規(guī)定，目前僅FDD-LTE系統(tǒng)支持NB-IOT技術(shù)。高層協(xié)議設(shè)計(jì)沿用LTE協(xié)議，針對(duì)其小數(shù)據(jù)包、低功耗和大連接特性進(jìn)行功能增強(qiáng)。核心網(wǎng)部分基于S1接口連接，支持獨(dú)立部署和升級(jí)兩種方式。因此NB-IOT技術(shù)可理解為一種簡(jiǎn)化版的FDDLTE技術(shù)。

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的部署特點(diǎn)，現(xiàn)有接入技術(shù)不滿足深度覆蓋需求，需比同等條件部署的GSM/LTE網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)20dB的要求。通過(guò)上下行物理信道格式，調(diào)制規(guī)范的重新定義，使得上下行控制信息和業(yè)務(wù)信息可以在更窄的帶寬中發(fā)送，從而在相同發(fā)射功率下的PSD（power spectrum density）獲得的增益更大。

因此，通過(guò)建立類比模型，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)升級(jí)基礎(chǔ)上的NB-IOT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況可以用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋抬升20dB來(lái)反饋NB網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果。

MR由從UE/NodeB/RNC的上報(bào)的周期測(cè)量報(bào)告或者是觸發(fā)切換的事件報(bào)告中提取的信息組成，這些測(cè)量報(bào)告攜帶了上下行無(wú)線鏈路的相關(guān)信息，包括RSCP、ISCP、BLER和發(fā)射功率等，這些信息為網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題定位、網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析和鄰區(qū)優(yōu)化等提供無(wú)線依據(jù)。

目前主要包括23種測(cè)量，分為專用測(cè)量和公共測(cè)量，從測(cè)量主體可以分為：UE測(cè)量、NodeB測(cè)量和RNC測(cè)量。其中，UE測(cè)量的有12項(xiàng)，NodeB測(cè)量的有9項(xiàng)，RNC測(cè)量的有2項(xiàng)。在這些測(cè)量中，重點(diǎn)關(guān)注：RSRP、RSRQ和TaDv（Timing advance）等三類，可用于評(píng)估LTE小區(qū)的覆蓋情況。根據(jù)不同場(chǎng)強(qiáng)區(qū)間分布比例，可判斷該小區(qū)的大致覆蓋范圍；用于檢查小區(qū)覆蓋盲點(diǎn)/弱覆蓋區(qū)域；通過(guò)源小區(qū)和鄰區(qū)RSRP可進(jìn)行導(dǎo)頻污染分析。

1）參考信號(hào)接收質(zhì)量 （RSRQ）。E-UTRA 載波接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)指示（E-UTRA Carrier RSSI），為UE從所有資源塊源上觀察到的總接收功率（W）的線性平均，包括公共信道服務(wù)和非服務(wù)小區(qū)信號(hào)，相鄰信道干擾，熱噪聲等。RSRQ是信號(hào)強(qiáng)度和干擾相結(jié)合的效果呈現(xiàn)，該數(shù)據(jù)可用于判斷基站下行參考信號(hào)接收質(zhì)量，用于小區(qū)間切換和重選的判斷和分析。

2）時(shí)間提前量（Tadv）。Timing advance，UE用于調(diào)整其主小區(qū)PUCCH/PUSCH/SRS上行發(fā)送的時(shí)間。該測(cè)量數(shù)據(jù)可用于確定UE距離基站的遠(yuǎn)近，實(shí)現(xiàn)小區(qū)的覆蓋分析，考察基站的覆蓋區(qū)域是否合理，是否存在過(guò)覆蓋和覆蓋陰影區(qū)等問(wèn)題。

（1）在隨機(jī)接入過(guò)程，eNodeB通過(guò)測(cè)量接收到導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)確定時(shí)間提前值，時(shí)間提前量取值范圍為（0， 1， 2， ...， 1282）×16Ts；

（2）在RRC連接狀態(tài)下，eNodeB基于測(cè)量對(duì)應(yīng)UE的上行傳輸來(lái)確定每個(gè)UE的TA調(diào)整值，范圍為（0， 1， 2，...， 63）×16Ts。本次得到時(shí)間提前量即為上次記錄的時(shí)間提前量與本次eNodeB測(cè)量得到的調(diào)整值之和。

假設(shè)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)MR統(tǒng)計(jì)中，某個(gè)點(diǎn)位的RSRP強(qiáng)度為AdBm。那么，該點(diǎn)的NB-IOT網(wǎng)絡(luò)RSRP強(qiáng)度B可以記為：B=AdBm+20Db（公式1）。

通常，以MR統(tǒng)計(jì)大于某個(gè)特定值來(lái)衡量覆蓋的好壞。例如，某個(gè)基站小區(qū)MR覆蓋率（RSRP≥-100）為90%。那么基于公式1，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為NB小區(qū)的覆蓋率（RSRP≥-80）為90%。因此，通過(guò)公式1作為媒介，可以推算出所有NB小區(qū)的MR覆蓋率。

對(duì)于覆蓋距離，在現(xiàn)網(wǎng)Tadv基礎(chǔ)上，通過(guò)鏈路預(yù)算計(jì)算最大路損MAPL。

MAPL = （Tx power gain – Tx loss） + （Rx gain – Rx loss – Sensitivity） – Other Loss

簡(jiǎn)化后：L=42.6+26lgd+20lgf（公式2）

基于以上，在頻率一定，路損增加20dB，覆蓋距離可擴(kuò)大100倍。因此，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋能力要遠(yuǎn)高于現(xiàn)有GSM/LTE網(wǎng)絡(luò)。

綜上，在評(píng)估NB-IOT網(wǎng)絡(luò)覆蓋率時(shí)，可以借助現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率來(lái)進(jìn)行表征。比如，統(tǒng)計(jì)NBIoT網(wǎng)絡(luò)RSRP≥-100dBm覆蓋率，完全可參照現(xiàn)網(wǎng)LTE_RSRP≥-120dBm的覆蓋率來(lái)呈現(xiàn)。此方法不失為目前反映窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）覆蓋指標(biāo)最為行之有效的方法之一。

2 結(jié)論

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）作為一種新興的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商非常關(guān)注的一個(gè)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，誰(shuí)能更快建網(wǎng)，提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，誰(shuí)必將分得物聯(lián)網(wǎng)龐大市場(chǎng)中最大的一塊“蛋糕”。那么，從建設(shè)到優(yōu)化階段，借鑒現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，將助力于NB_IoT的快速建網(wǎng)運(yùn)營(yíng)。

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