NB-IoT无线网络优化的特点及方法

刘学武

（中国联通泰安市分公司，山东 泰安 271000）

0 引 言

目前，物联网终端大部分通过无线方式接入，根据具体业务要求和覆盖距离不同，在室内场景一般可以采用蓝牙、WiFi等；在应用最广的长距离（几百米到几公里）场景，一般采用移动通信网络接入，称为“蜂窝物联网”。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）作为蜂窝物联网领域的新兴技术，在覆盖范围、连接数、功耗、成本等方面有相当大的进步，在低速物联网场景得到广泛应用[1]。

1 NB-IoT网络关键技术及网络架构

NB-IoT无线网络优化特点与其关键技术和网络架构都有直接关系。

1.1 NB-IoT网络的关键技术

NB-IoT的关键技术包括以下四种：

（1）广覆盖关键技术：通过上行功率谱密度提升和重复编码技术，使得NB-IoT网络覆盖允许的下行损耗可达164 dB[2]。

（2）大连接关键技术：采用物理层简化的窄带技术提升信道容量、简化交互信令流程，以减少空口信令开销并提升频谱效率[3]，同时采用基站侧、核心网侧的数据缓存优化等技术，最终实现每个小区5万以上的终端容量。

（3）低功耗关键技术：通过节能模式PSM技术，使得NB-IoT终端电能消耗大幅降低。其他还包括扩展周期不连续接收的EDRX、只支持小区重选的移动性管理等降功耗技术[4]。

（4）低成本关键技术：包括低复杂度的窄带系统基带、半双工、单天线等。

1.2 NB-IoT的网络架构和频率部署模式

NB-IoT主要基于LTE网络，在整体无线接入网络架构上与LTE相同。从投资效益考虑，实际建设方式一般不是新建网络，主要采用LTE/NB-IoT多模共建方式，直接利用多模LTE设备、天馈线系统，在小区开通NB-IoT网络。当然这样会由于NB-IoT、LTE网络共天线，增加多网协同优化难度。

从频率部署方式看，NB-IoT的工作频带涵盖了LTE支持的各频段，部署模式可以分为独立部署、保护带内部署、带内部署三种[5]，如图1所示。随着GSM网络逐步退网，可以在GSM频率重耕基础上独立部署NB-IoT以满足性能需求。

图1 NB-IoT频率部署模式

2 NB-IoT网络优化特点及方法

由于NB-IoT网络采用了一系列新技术，涉及新的应用场景、新型的终端，因此在其网络优化上有自身的特点。

2.1 覆盖优化

无线网络优化最基础的就是覆盖优化。NB-IoT在覆盖优化上与LTE网络类似，主要是对RSRP/SINR等电平、信噪比指标的优化。通过空闲态DT测试和定点测试可以测出覆盖位置信号强弱及质量，以及小区重选是否正常。测试时需连接专用的NB-IoT模组。

虽然NB-IoT有多种覆盖增强技术，但是考虑到物联网终端的静止性以及安装位置的特殊性（如埋在地下），一旦有覆盖盲区，将使业务一直不可用；有的应用场景（例如车位监测在有车和无车时）信号强度差异很大；另外，不同的业务有不同的边缘速率要求，对应不同的覆盖需求；同时物联网终端差异性大，导致接收灵敏度也有很大不同。因此需要针对覆盖测试的结果通过功率和天馈系统调整、站点结构优化或结合宏站、微站协同规划补充站点来满足覆盖需求。在进行天线优化时需特别关注NB-IoT、LTE网络共天线可能导致的对LTE网络的影响，尽量在保证LTE网络感知的前提下进行均衡调整。

2.2 干扰优化

NB-IoT使用频率来源于LTE或GSM网络，网络中同样存在系统内和系统外的无线信号干扰。系统内干扰主要是NB-IoT站点因覆盖距离较远导致其同频自干扰更为明显；另外NB-IoT与LTE共频段部署会导致底噪抬升等干扰问题，以及其他无线系统导致的阻塞、杂散干扰等。外部干扰比较复杂，现网中比较多的干扰源包括私装的信号放大器、公安电子围栏设备等。

无线干扰优化与其他无线系统干扰排查类似，通过指标统计发现干扰大的小区，对因网络结构不合理导致的重叠覆盖干扰可以进行PCI优化或异频组网；对其他系统的干扰，可以考虑进行天线隔离度的整治、增加滤波器；对外部干扰就要现场用频谱分析仪并结合有指向性的天线进行“扫频”，发现干扰源的位置并协调处理。外部干扰难以排查时也可以通过异频组网规避。

2.3 接入及容量优化

NB-IoT物联网无线接入性能优化首先要关注attach附着成功率、attach附着时延指标以及RRC接入成功率、RRC建立时延等[6]。这些相关指标可以通过现场测试的信令过程或后台统计。图2是一个实际的NB-IoT终端信令流程截图。

图2 NB-IoT终端信令流程

物联网小区容量包含用户数和并发两方面。相比LTE网络，NB-IoT在业务停止时可以启动挂起省电流程，也就是NB网络中大量终端处于休眠状态，一旦有业务要求，终端立即进入激活状态，快速恢复无线承载。这种挂起/恢复流程是NB-IoT特有的，需要采取针对性优化措施。而NB-IoT容量估算和优化最重要的是确定终端的业务模型，根据单次接入发包过程的空口信令交互和挂起恢复的间隔、占用各信道的时间、各信道的容量等进行计算。不同业务模型的容量差距巨大。根据3GPP TR45.820 的附录Annex E，对于Traffic Models容量模型评估抄表类业务，每小区能够支持约5万个连接[7]；而对于共享单车类业务十几秒就需要传输数据，则每小区只能支持2 000个左右的终端（非并发）。

优化流程大致包含以下步骤：（1）根据业务模型计算每天单用户发起业务的次数即发包频率，以及发包数据大小；（2）从用户分布模型计算不同覆盖等级的比例；（3）根据不同覆盖等级的重发次数，分别分析上下行开销；（4）分别计算上行和下行业务信道容量、寻呼容量、随机接入容量；（5）最后综合考虑不同容量的受限结果作为极限容量，按需扩容[8]。

2.4 邻区优化

NB-IoT系统现阶段只支持空闲态同频/异频小区重选，不支持连接态的切换[9]。因此传统的LTE网络一般需要多加邻区以保证业务的连续性（比如加三层邻区），而NB小区只需要添加一层邻区即可。

2.5 速率及时延优化

现阶段NB-IoT物联网对于速率要求较低，因此速率优化以业务基本满足为主，测试时主要关注ping包的成功率、时延、上下行速率是否正常。目前大部分小流量物联网业务对时延的容忍度比较高，在满足时延基本需求的基础上，时延对物联网感知影响不大。表1是常见的物联网业务类型的特性对应流量和时延，可根据业务类型进行适应性优化。

表1 常见物联网业务特性

3 NB-IoT终端与网络适配优化

终端与网络的适配在传统3G/4G移动网络中问题较小，因为手机的标准化程度高，应用场景也比较一致。但在NB-IoT网络中终端芯片、模组与网络的匹配则需要特别关注，因为物联网终端涉及模组、芯片、集成厂家等，终端成熟度不足，产品的规范性不好，市售终端质量良莠不齐，而应用场景的交互动作又千差万别。

根据实际优化经验，主要考虑以下四个方面：（1）终端及协议优化：例如有的终端产品没有功率控制机制，始终保持最大功率发射导致网络底噪抬升，甚至不可用；（2）模组机制优化：模组的重连机制可能需要根据业务应用进行适应性优化，如重新尝试附着的时间间隔、终端并发业务的错峰上报机制等；（3）芯片功能性能匹配优化：例如为降低成本，协议定义的NB芯片类型简化了功放频带，可以只支持一个频段，比如900 MHz也是符合规范的，如果运营商现网开通的是1 800 MHz NB-IoT网络，则相应NB-IoT终端至少应支持900 MHz/1 800 MHz双频且能够自适应；（4）网络参数优化：要适配终端和业务需求设置重选门限、在线计时器等。

为了保障网内终端的产品质量，有必要在NB-IoT终端批量入网前进行相关性能检测，包括兼容性测试、终端射频性能测试（如接收灵敏度）、功耗性能测试等。

4 NB-IoT端到端优化方法和工具

从上述分析可以看出，物联网业务种类、应用场景繁多，不同的物联网业务对网络要求的侧重点完全不同，因此NB-IoT的网络优化重在个性化，这与传统移动通信网络明显不同。例如，共享单车和水电燃气抄表对网络优化的需求就有很大差异[10]，如果引入车联网等就又是另外的优化要求。

NB-IoT网络端到端产业链条长，涉及产品多，整个业务过程与模组终端、无线网络、核心网、IoT平台、应用服务器等多网元相关，且物联网终端数量多、普遍上报周期长，问题发生后不会像传统的网络一样有用户及时反馈。基于传统的问题分析方法和优化模式很难快速定位NB-IoT的网络问题。NB-IoT的端到端系统架构如图3所示。

图3 NB-IoT网络系统架构

为满足物联网个性化优化需求，需要有针对性更强的NB-IoT端到端优化方法和工具：（1）优化分析要通过多平台采集多维度数据，经过传输、空口通道以及核心、基站、终端等端到端网元聚类分析，完成问题定位和解决方案制定；（2）鉴于物联网端到端分析的复杂性，因此有必要将物联网IoT平台、物联网终端（或芯片）抓包工具都纳入优化必备工具平台范围，以利于优化工作顺利开展。

5 结 语

随着窄带物联网的普及应用，NB-IoT无线网络的优化也越发重要，需要针对其特点采取相应的优化方法，无线方面包括覆盖、干扰、容量、接入、邻区优化、速率及时延等的优化；还要特别注意终端差异、环境差异、终端与网络的适配等；同时需要关注端到端的优化方法和工具。