NB-IoT独立部署下的容量性能分析

黄韬，刘昱，张诺亚

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

NB-IoT独立部署下的容量性能分析

黄韬，刘昱，张诺亚

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

NB-IoT作为新兴的物联网技术，已经临近商用阶段，但暂无可行的方案用于NB-IoT小区容量的测试，因此将介绍一种容量评估方法，根据3GPP标准定义的业务模型、用户分布模型和外场试验的配置参数，通过NB-IoT一次业务的资源消耗分析NB-IoT下行业务信道容量、随机接入容量和上行业务信道容量，得出NB-IoT小区的综合容量。

NB-IoT 容量评估方法 资源消耗

1 引言

近年来，移动物联网发展迅猛，移动通信正在从人和人的连接，向人与物及物与物的连接迈进。其中，窄带物联网技术NB-IoT具备广覆盖、大容量、低功耗、低成本四大特点[1]，发展更为迅猛。大容量是NB-IoT的技术特点，但受限于整体产业链进度，暂无可用的测试工具和可行的测试方法用于NB-IoT的容量测试，因此，现阶段只能采取其他方法对NB-IoT的容量进行评估。本文将根据3GPP标准定义的NB-IoT业务模型和用户分布模型，并基于链路预算和外场测试的参数配置，从下行业务信道容量、随机接入容量和上行业务信道容量三个方面对NB-IoT的容量性能进行分析，得到NB-IoT的总体容量性能。

2 NB-IoT容量评估方法介绍

2.1 NB-IoT容量评估方法

首先从业务模型出发，计算单用户每天发起业务的次数；再基于用户分布模型计算不同MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合损耗）覆盖等级下用户的比例；接着根据不同CEL（Coverage Enhancement Level，覆盖增强等级）下的重复次数和MCS（Modulation and Coding Scheme，调制编码方式）等级，分别计算单次接入的上下行资源消耗；最后分别计算下行业务信道容量、随机接入容量、上行业务信道容量，由此得到NB-IoT综合容量（容量取决于瓶颈部分）。

2.2 NB-IoT业务模型和用户分布模型

3GPP TR45.820定义了四种业务模型[2]：MAR（Mobile Autonomous Reporting，移动端自主报告）-例外报告、MAR-周期报告、网络命令和软件升级/重配模型。在现阶段实际应用中，业务量需求最大且最为典型的业务模型为“MAR-周期报告”业务类型，故本文在进行容量分析时，以“MAR-周期报告”类型进行分析。

根据3GPP定义的业务模型分析单用户每天发起业务的次数[2]，如表1所示：

表1 用户每天发起的业务次数

根据用户分布模型分析不同覆盖等级的比例，如表2所示：

表2 用户不同覆盖等级的比例

3 NB-IoT容量计算

3.1 容量分析假设

本文所进行的容量计算基于以下前提假设：首先，NB-IoT的部署模式为stand-alone（独立部署）模式，且终端工作在CP（Control Plane，控制面优化）模式下；其次，分析的是基于NB-IoT终端主动发起的业务，典型应用场景为电表、气表、水表数据的主动上报，代表了NB-IoT业务的主要类型；网络下发命令进行数据查询，以及终端软件升级进行数据下载，属于NB-IoT网络的非主流业务类型，本文不做分析。终端发起一次上行业务的数据包大小为200字节，使用15 kHz single tone（单子载波）发送[3]。终端在上行数据发送完成之后，服务器端应用层会向终端发送一个20字节的确认包。上下行MCS等级的选择依据外场测试的经验配置，如表3所示：

覆盖等级 MCS等级

表3 不同覆盖等级下MCS等级

下行各信道重复次数的选择也依据外场测试的经验配置，如表4所示：

表4 不同覆盖等级下各信道重复次数

总体分析思路：分析一次200字节数据上报业务全流程产生的资源消耗，再根据可用资源情况以及单终端发起数据上报业务频率，计算得到各种信道的容量。一次200字节上行业务全流程如图1所示。

一次200字节上行业务全流程包括：1）终端发送MSG 1（NPRACH）；2）基站回复MSG 2（NPDCCH-NPDSCH）；3）终端发送MSG 3（NPUSCH）；4）基站回复MSG 4（NPDCCHNPDSCH-ACK）；5）终端发送MSG 5（NPDCCHNPUSCH）；6）上行200Byte数据的第1次发送（NPDCCH-NPUSCH）；7）上行200 Byte数据的第2至n次发送（NPDCCH-NPUSCH），分两种情况：当MCS等级为10，上行最大TBS（Transmit Block Size，传输块大小）为1 000 bit[4]，上行200 Byte数据需2次NPDCCH调度；当MCS等级为0，上行最大TBS为256 bit[4]，上行200 Byte数据需要8（即n=8）次NPDCCH调度；8）服务器端返回确认（NPDCCHNPDSCH）；最后，RRC连接释放（NPDCCHNPDSCH-ACK）。

图1 一次200字节上行业务全流程

3.2 NB-IoT寻呼开销分析

寻呼能容纳的用户量与终端被寻呼频次相关，而网络查询终端数据不是NB-IoT网络的主流业务类型，因此本文仅根据网络的经验配置预留寻呼开销，对寻呼容量不做进一步分析：

其中，nB为DRX（Discontinuous Reception，非连续接收）周期内PO（Paging Occasion，寻呼机会）的个数。寻呼所占资源消耗如表5所示。

3.3 NB-IoT下行容量

NB-IoT下行信道的主要开销包括由NPSS/NSSS、MIB、SIB1和SI系统消息组成的公共开销，寻呼开销，NPDCCH信道开销，NPDSCH MSG2/MSG4/RRC释放开销和NPDSCH业务数据开销[5]。本节首先分析公共开销，并根据3.2节的寻呼开销分析得到可用下行资源，然后根据每次业务发起需消耗的NPDCCH开销和NPDSCH开销计算下行容量。

（1）NB-IoT下行开销分析

公共开销的计算公式见公式(2)：

NB-IoT的NPSS（Narrowband Primary Synchronization Signal，窄带主同步信号）占用每个无线帧的子帧5发送[6]，NPSS开销=1/10=10%。NSSS（Narrowband Secondary Synchronization Signal，窄带辅同步信号）占用每个偶数无线帧的子帧9发送[6]，NSSS开销=1/20=5%。MIB消息周期为640 ms，分为8个块传输，每个块长8个无线帧，MIB信息在每个块中每个无线帧的子帧0上传输[7]，MIB开销=8×8/640=10%。SIB1消息周期为2 560 ms，分为16个块，每个块16个无线帧，SIB1信息在每个块中基数或者偶数无线帧的子帧4传输，重复次数可为4、8、16[6]，这里取重复次数为8，则SIB1开销=8×8/2 560=2.5%。SI1/SI2/SI3/SI4消息的开销和SI窗口大小、SI周期和重复次数相关，这里取SI1窗口长度为320 ms、周期为2 560 ms，每8个无线帧重复，则SI1开销=(8×4/320)×(320/2 560)=1.25%；取SI2、SI3窗口长度为320 ms，周期为5 120 ms，每16个无线帧重复，则SI2/SI3开销=(8×2/320)×(320/5 120)=0.31%；取SI4窗口长度为320 ms、SI4周期为2 560 ms、每16个无线帧重复，则SI4开销= (8×2/320)×(320/2 560)=0.63%。

表5 寻呼所占资源消耗

由表6可知，NB-IoT公共开销占总下行信道的30%。

表6 公共信息所占资源消耗

根据3.1节的前提假设，UE处在CEL=0时，一次上行业务全流程一共有7次NPDCCH过程，占用7 ms时长；UE处在CEL=1或CEL=2时，一共13次NPDCCH过程，占用13 ms时长。根据不同覆盖等级的重复次数以及对应的用户比例，可以得出NPDCCH的加权资源消耗，如表7所示。

表7 NPDCCH所占资源消耗

NB-IoT的MSG2 Random Access Response消息长为160 bit，MSG4 RRC连接建立消息长152 bit，RRC释放消息长为64 bit[8]。根据不同覆盖等级下MCS对应的最大TBS，可以计算得到对应的资源开销。各覆盖等级下MSG2/MSG4/RRC释放资源消耗如表8所示。

根据不同覆盖等级得到的重复次数以及对应的用户比例，可以得出MSG2/MSG4/RRC释放开销的加权资源消耗，如表9所示：

表8 各覆盖等级下MSG2/MSG4/RRC释放资源消耗

表9 MSG2/MSG4/RRC释放消息所占资源消耗

（2）NB-IoT下行容量计算

NB-IoT小区下行业务容量计算公式为：

则单用户24小时发起的业务数为11.2，资源利用率为70%。NB-IoT下行容量如表10所示：

表10 NB-IoT下行容量

3.4 NB-IoT随机接入容量

在本文的计算中，子载波数配置和随机接入周期的选择依据外场测试的经验配置，如表11所示。

表11 NPRACH信道配置

NPRACH前导冲突概率的计算公式如下[9]：

其中，L为每秒随机接入UE数，r为随机接入密度，T为资源周期。

由此可以得出随机接入容量的计算公式：

在计算NPRACH容量时，冲突概率P取值0.05。

不同资源和周期配置的每秒随机接入UE数如表12所示：不同资源和周期配置的随机接入容量如表13所示。依据本文的配置，随机接入容量如表14所示：

表12 不同资源和周期配置下每秒随机接入的终端数量

表14 NB-IoT随机接入容量

3.5 NB-IoT上行容量

NB-IoT上行信道的主要开销为NPRACH开销、NPUSCH ACK/NACK开销、NPUSCH MSG3/MSG5开销和NPUSCH业务数据开销，剩余资源可用于上行数据传输。

（1）NB-IoT上行开销分析

根据表11所示NPRACH的信道配置，再通过公式(14)可计算出各覆盖等级的NPRACH：

由此可以得出加权开销：

随机接入所占资源消耗如表15所示：

表15 随机接入所占资源消耗

根据3.1节的前提假设，一次200字节的上行业务全流程一共2次ACK/NACK，在各覆盖等级下，都占用2个RU（Resource Unit，资源单元）资源。ACK/NACK所使用的NPUSCH格式2在15 k ST子载波格式下，一个RU为2 ms[6]。ACK/NACK所占资源消耗如表16所示。

表13 不同资源和周期配置的随机接入容量

根据3.1节设定的MCS等级，在CEL=0时，MSG3/MSG5消息一共使用2个RU；在CEL=1时，MSG3/MSG5消息一共使用8个RU；在CEL=2时，MSG3/MSG5消息一共使用8个RU。MSG3/MSG5消息所使用的NPUSCH格式1在15 k ST子载波格式下，一个RU为8 ms[6]。MSG3/MSG5消息所占资源消耗如表17所示。

（2）NB-IoT上行容量计算

NB-IoT小区上行业务容量计算公式为：

则单用户24小时发起的业务数为11.2，资源利用率为70%。NB-IoT上行容量如表18所示。

表17 MSG3/MSG5消息所占资源消耗

表18 NB-IoT上行容量

4 NB-IoT容量计算结果

通过一次业务全流程消耗、单用户24小时发起的业务数和单小区可用的总资源，分别计算得到下行容量、随机接入容量和上行容量，三者之间的最小值为NB-IoT小区容量的瓶颈，即NB-IoT小区的综合容量，如表19所示：

表19 NB-IoT综合容量

NB-IoT总体容量受限于NPRACH的容量性能，如果增大NPRACH资源配置，则上行业务信道容量会下降，因此，对于3.1节假定容量分析条件，NB-IoT单小区可容纳用户数为3.7万左右。

表16 ACK/NACK所占资源消耗

更改容量分析条件会对容量分析结果产生影响，比如：

◆下行业务信道容量：用户的业务模型、用户的分布模型、重复次数、MCS等级、寻呼所占资源、系统消息所占资源、服务器端是否返回确认和返回确认的大小均会影响下行业务信道容量的计算结果。

◆随机接入容量：NPRACH资源配置、UE间随机接入的冲突概率和用户的业务模型均会影响随机接入容量的计算结果。

◆上行业务信道容量：用户的业务模型、用户的分布模型、数据包大小、重复次数、MCS等级、随机接入所占资源均会影响上行业务信道容量的计算结果。

5 结束语

本文基于一种容量评估方法和保守的假设计算得到了NB-IoT容量性能，从3GPP定义的业务模型、用户分布模型出发，根据外场试验参数来配置容量评估方法中NB-IoT各信道参数，通过各信道不同覆盖等级的MCS和重复次数分析一次NB-IoT业务全流程的各信道资源消耗，得出NB-IoT的综合容量，最后对影响容量结果的参数进行了分析，望有助于NB-IoT网络建设和优化。需特别提出的是，如果真实网络的业务模型和用户分布模型与参考文献[2]中假设的业务模型和用户分布模型有明显的差别，那么需要根据具体业务情况做进一步分析。

[1] 戴国华,余骏华. NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J]. 移动通信, 2016,40(7)：31-36.

[2] 3GPP TR45.820. Cellular system support for ultralow complexity and low throughput Internet of Things (CIoT) V13.1.0[S]. 2015.

[3] 王计艳,王晓周,吴倩,等. 面向NB-IoT的核心网业务模型和组网方案[J]. 电信科学, 2017,33(4)： 148-154.

[4] 3GPP TS36.213. Physical layer procedures V14.2.0[S]. 2016.

[5] 刘玮,董江波,刘娜,等. NB-IoT关键技术与规划仿真方法[J]. 电信科学, 2016,32(S1)： 144-148.

[6] 3GPP TS36.211. Physical channels and modulation V14.1.0[S]. 2016.

[7] 3GPP TS36.331. Radio Resource Control（RRC）protocol specification V14.1.0[S]. 2016.

[8] 3GPP TS36.321. Medium Access Control（MAC）protocol specification V14.2.1[S]. 2017.

[9] 邢剑卿,黄陈横. 3GPP NB-IoT空口容量浅析[C]//2016广东蜂窝物联网发展论坛专刊. 广州： 移动通信编辑部, 2016： 17-22. ★

Analysis on Capacity Performance in the Mode of NB-IoT Stand-alone Deployment

HUANG Tao, LIU Yu, ZHANG Nuoya
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

As the newly burgeoning IoT technology, NB-IoT is facing commercial phase. However, there is no applicable scheme to test the capacity of NB-IoT cells. A capacity evaluation method is introduced. According to the traffic model, user distribution model and outfield experiment configuration parameters defined by 3GPP specifications,the NB-IoT downlink traffic channel capacity, random access channel capacity and uplink traffic channel capacity were analyzed based on the resource consumption of one NB-IoT traffic to derive the overall capacity of NB-IoT cells.

NB-IoT capacity evaluation method resource consumption

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.015

TN929.5

A

1006-1010(2017)17-0078-07

黄韬,刘昱,张诺亚. NB-IoT独立部署下的容量性能分析[J]. 移动通信, 2017,41(17)： 78-84.

2017-05-11

责任编辑：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

黄韬：硕士毕业于伯明翰大学，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院，主要从事物联网和无线接入新技术研究等工作。

刘昱：博士毕业于华南理工大学，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院移动通信研究所，主要从事无线网络架构及新技术研究工作。

张诺亚：硕士毕业于北京邮电大学通信与信息系统专业，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院，主要从事物联网、可穿戴终端、移动终端研究等工作。