窄带物联网的无线网络优化方法研究

赵清 陈祥 张顺 陈欢

摘 要 据统计，2020年物联网连接将达到300亿，市场空间将达1.7万亿美元，窄带物联网（NB-IOT）应运而生。NB-IOT具备支持海量连接、广覆盖、低功耗、低成本等特点，能满足多样化的业务需求，是运营商未来业务驱动的巨大增长点。对此，当前针对窄带物联网的优化手段及策略的研究显得十分重要。

关键词 窄带物联网；多样性；无线网络优化

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）213-0138-02

在传统无线网络优化中，需要从覆盖和容量两个方面进行考虑。NB-IOT网络具备低功耗、广覆盖、低成本、低速率等特点，而窄带物联网对于容量方面的需求不高，那么在进行NB网络规划时就需要重点考虑如何提升覆盖等方面的问题了。因此，覆盖优化可以按照阶段的不同分为规划优化、工程优化和运维优化3个方面。

1 窄带物联网的优化方法

1.1 技术原理

窄带物联网的覆盖优化可以从规划优化、工程优化和运维优化3个方面进行。规划优化主要考虑前期需求分析、规模估算、站点选择和规划仿真，同时还需考虑清频测试；工程优化主要考虑单点建设完成后，通过DT/CQT等方式，结合天馈调整，RF优化和参数优化来提升网络覆盖；运维优化是指在工程优化结束后，商用的情况下，对网络覆盖进行RF优化和参数优化来提升网络覆盖。三种优化针对的阶段不同，侧重点也不同，采用的优化手段也有区别。

1.2 技术方案

1.2.1 规划优化

窄带物联网基于物联网业务需求，确定规划的目标，制定频率规划、覆盖规划、参数和传输需求规划等方面内容，建立工程建设方案等。大部分的规划内容可以参考现有GSM或者LTE网络进行。窄带物联网带宽180kHz，因此在同样的频段下，比现有GSM900或者LTE网络覆盖更强，增益最大可达20dBm，覆盖提升100倍；另外窄带物联网基于现有网络进行承载，减少投入成本，部署方式主要有以下3种。

1）带内：部署在现有网络带宽内，在现有设备上功率增强，需要占用现有网络资源。

2）带外有间隔：部署在现有网络带宽外，并且和现有网络有频率间隔，功率独立配置，可以不依赖现有网络。

3）带外无间隔：部署在现有网络带宽外，和现有网络无频率间隔，在现有设备上功率增强，不需要占用现有网络资源。规划好频率、参数以及建设方案后，就可以开始按照建设方案执行，然后进行工程优化。

1.2.2 工程优化

工程优化在建设完成后，主设备建设的问题可考虑在现有设备上升级或者新建主设备，在整个系统中，天馈系统会显得非常重要，在天线选择时要坚持性能优先原则，同時考虑施工难易程度。按照NB-IOT业务能力，射频能力和覆盖能力进行验证测试，包括单站场景下，业务能力、性能验证和覆盖范围验证；多站场景下，业务能力，覆盖范围和干扰性能验证等。从测试的结果，对比规划的参数设置，做个性化的修改，满足业务需求，覆盖要求等，即完成工程优化。工程优化完成后交付使用，NBIOT基站入网使用，接入商用用户，即开始运维优化。

1.2.3 运维优化

一旦接入商业用户，就进入运维优化阶段，网络优化调整从覆盖优化，干扰邻区等优化转移到侧重保证用户服务质量等方面。NB-IOT网络并不需要时时保持连接，需求量也较小，故采集NB终端上报的MR数据，做类似234G MR覆盖评估难以实现。对此，本文重点研究了一套窄带物联网的运维优化方法及策略。

1.3 优化策略

在2G、3G、4G时代，衡量网络覆盖好坏的手段除了遍历测试外还有MR覆盖率评估体系，MR分析功能通过分析和汇总移动台上报的测试小区的上下行电平、上下行质量、Tadv （Timing Advance）分布和链路平衡信息，根据这些信息直观地了解载频及小区的覆盖、质量等情况。通过系统处理和直观展现无线链路信息能够协助解决网络中大量的隐性故障问题。NB-IOT网络不具备这个功能，但可通过借鉴MR模式来分析NB-IOT的网络覆盖情况。

协议规定，目前仅FDD-LTE系统支持NB-IOT技术。高层协议设计沿用LTE协议，针对其小数据包、低功耗和大连接特性进行功能增强。核心网部分基于S1接口连接，支持独立部署和升级两种方式。因此NB-IOT技术可理解为一种简化版的FDDLTE技术。

针对物联网的部署特点，现有接入技术不满足深度覆盖需求，需比同等条件部署的GSM/LTE网络场强增强20dB的要求。通过上下行物理信道格式，调制规范的重新定义，使得上下行控制信息和业务信息可以在更窄的带宽中发送，从而在相同发射功率下的PSD（power spectrum density）获得的增益更大。

因此，通过建立类比模型，在现有网络升级基础上的NB-IOT网络的覆盖情况可以用现有网络覆盖抬升20dB来反馈NB网络的覆盖效果。

MR由从UE/NodeB/RNC的上报的周期测量报告或者是触发切换的事件报告中提取的信息组成，这些测量报告携带了上下行无线链路的相关信息，包括RSCP、ISCP、BLER和发射功率等，这些信息为网络问题定位、网络覆盖分析和邻区优化等提供无线依据。

目前主要包括23种测量，分为专用测量和公共测量，从测量主体可以分为：UE测量、NodeB测量和RNC测量。其中，UE测量的有12项，NodeB测量的有9项，RNC测量的有2项。在这些测量中，重点关注：RSRP、RSRQ和TaDv（Timing advance）等三类，可用于评估LTE小区的覆盖情况。根据不同场强区间分布比例，可判断该小区的大致覆盖范围；用于检查小区覆盖盲点/弱覆盖区域；通过源小区和邻区RSRP可进行导频污染分析。

1）参考信号接收质量 （RSRQ）。E-UTRA 载波接收信号场强指示（E-UTRA Carrier RSSI），为UE从所有资源块源上观察到的总接收功率（W）的线性平均，包括公共信道服务和非服务小区信号，相邻信道干扰，热噪声等。RSRQ是信号强度和干扰相结合的效果呈现，该数据可用于判断基站下行参考信号接收质量，用于小区间切换和重选的判断和分析。

2）时间提前量（Tadv）。Timing advance，UE用于调整其主小区PUCCH/PUSCH/SRS上行发送的时间。该测量数据可用于确定UE距离基站的远近，实现小区的覆盖分析，考察基站的覆盖区域是否合理，是否存在过覆盖和覆盖阴影区等问题。

（1）在随机接入过程，eNodeB通过测量接收到导频信号来确定时间提前值，时间提前量取值范围为（0， 1， 2， ...， 1282）×16Ts；

（2）在RRC连接状态下，eNodeB基于测量对应UE的上行传输来确定每个UE的TA调整值，范围为（0， 1， 2，...， 63）×16Ts。本次得到时间提前量即为上次记录的时间提前量与本次eNodeB测量得到的调整值之和。

假设，现有网络MR统计中，某个点位的RSRP强度为AdBm。那么，该点的NB-IOT网络RSRP强度B可以记为：B=AdBm+20Db（公式1）。

通常，以MR统计大于某个特定值来衡量覆盖的好坏。例如，某个基站小区MR覆盖率（RSRP≥-100）为90%。那么基于公式1，可以简单认为NB小区的覆盖率（RSRP≥-80）为90%。因此，通过公式1作为媒介，可以推算出所有NB小区的MR覆盖率。

对于覆盖距离，在现网Tadv基础上，通过链路预算计算最大路损MAPL。

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

簡化后：L=42.6+26lgd+20lgf（公式2）

基于以上，在频率一定，路损增加20dB，覆盖距离可扩大100倍。因此，窄带物联网的覆盖能力要远高于现有GSM/LTE网络。

综上，在评估NB-IOT网络覆盖率时，可以借助现有网络的覆盖率来进行表征。比如，统计NBIoT网络RSRP≥-100dBm覆盖率，完全可参照现网LTE_RSRP≥-120dBm的覆盖率来呈现。此方法不失为目前反映窄带物联网（NB-IOT）覆盖指标最为行之有效的方法之一。

2 结论

窄带物联网（NB-IOT）作为一种新兴的蜂窝物联网技术是目前国内运营商非常关注的一个业务增长驱动点。在物联网市场，谁能更快建网，提供更好的网络服务，谁必将分得物联网庞大市场中最大的一块“蛋糕”。那么，从建设到优化阶段，借鉴现网优化经验，将助力于NB_IoT的快速建网运营。

参考文献

[1]戴博，袁弋非，余媛芳.窄带物联网（NB-IoT）标准与关键技术[M].北京：人民邮电出版社，2016.

[2]吴细刚.NB-IoT从原理到实践[M].北京：电子工业出版社，2017.

[3]塞西亚，陶菲克，贝克.国际先进通信技术译丛·LTE/LTEAdvanced：UMTS长期演进理论与实践[M].马霓，夏斌，译.北京：人民邮电出版社，2012.