NB-IoT深度覆盖特性及网络性能评估体系研究

刘克清，王 粟，周 俊，魏 宏

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2.中国移动通信集团公司，北京 100032）

1 引言

现有互联网业务及语音业务连接数量处于饱和，物与物大连接的业务模式在未来几年将使终端设备连接数量暴增到90亿，智能抄表、智能停车、智慧农业、资产跟踪、物流等物联网业务将为运营商带来巨大商业价值。物联网典型应用场景提出网络深度覆盖20 dB的增益要求，原有LTE网络质量评估体系对现有NB-IoT网络的评估方法不能完全适用，需针对现有网络要求和业务特点设计可以反映物联网技术特性的质量评估体系。本文通过对网络覆盖增强相关技术进行研究，设计评估体系中指标的实现方法，并总结出NB-IoT网络质量评估体系及与现有LTE网络质量评估体系的差异。

2 NB-IoT网络覆盖增强技术研究

NB-IoT物联网典型业务对网络覆盖提出相对GSM/LTE网络的最小耦合损耗值MCL增强20 dB的要求。覆盖增强通过两种技术实现：一是重新定义上下行物理信道格式、调制规范，使得上下行控制信息与数据在窄带发送，提升功率谱密度，降低接收方的解调要求；二是通过数据的重复发送机制提升覆盖增益。

与传统LTE网络相比，NB-IoT网络的覆盖能力除RSRP参数外，还可通过MCL值与覆盖级别（Coverage Level）反映。下行MCL的计算方法为下行最大发射功率减去终端接收灵敏度，在计算实现时，将NRSPOWER等效为基站的下行最大发射功率，将RSRP等效为终端接收灵敏度。其中NSR-POWER可以从系统消息2（SIB2）的npdsch-ConfigCommon参数中获得，如图1所示。终端Coverage Level有0～2三个级别，三个级别对应的覆盖门限在SIB2中广播，目前该参数一般配置为RSRP-Range=36、RSRP-Range=26分别对应144 dB和154 dB，3GPP规范中定义NB-IoT网络最大的MCL为164 dB，因此终端的覆盖级别0为MCL≤144 dB，覆盖级别1为144 dB＜MCL≤154 dB，覆盖级别2为154 dB＜MCL≤164 dB。

图1 覆盖门限配置及信道资源配置

2.1 提升上行功率谱密度

当LTE终端设备与NB-IoT终端设备均使用23 dBm的最大上行发送功率时，LTE网络的最小上行资源分配是频带内的1个RB（带宽为180 kHz）。如图2所示，当NB-IoT终端选择上行3.75 kHz的子载波资源，则相对于R9版本，终端功率谱密度增强了17 dB（10×lg(180/3.75)=16.8）；当NB-IoT终端选择上行15 kHz的子载波资源，相对于R9版本，终端功率谱密度增强了11 dB（10×lg(180/15)=10.8），相对于GSM设备33 dBm的最大发射功率，NB-IoT终端的发射功率谱密度可能提高1 dB～7 dB。

图2 功率谱密度提升示意图

2.2 上下行物理信道重定义

上行物理信道频域必须支持3.75 kHz和15 kHz子载波间隔的SC-FDMA single-tone，可选地支持SCFDMA multi-tone的15 kHz子载波间隔。multi-tone模式可以选择3、6、12个子载波进行数据传送，虽然mutli-tone模式具有更高数据传输速率，但是功率谱密度相对single-tone方式有所降低，需要额外的峰均比（PAPR）抑制机制。NB-IoT上行只有NPRACH和NPUSCH两种信道，没有PUCCH信道，对下行数据的HARQ信息通过NPUSCH信道的Format 2格式发送，Format 1格式用于发送上行数据，并且NPRACH只使用3.75 kHz子载波。时域上NPUSCH使用Ru（Resource unit）作为最小的资源调度单位，子载波带宽和个数对应不同的时域时间，例如上行数据传输时15 kHz子载波的Ru可以是singletone×8 ms，3 tones×4 ms，6 tones×2 ms，12 tones×1 ms，3.75 kHz子载波的Ru资源块只有singletone×32 ms一种。图3是NPUSCH信道Format 1格式15 kHz子载波的Ru资源示意图。

为反映物联网资源调度情况，根据NB-IoT上行物理信道设计的技术特性，上行物理信道资源调度和质量的指标和参数主要包括：上行NPUSCH Format 1 3.75 kHz的比例、上行NPUSCH Format 1 15kHz ST的比例、上行NPUSCH Format 1 15kHz MT的比例，这三个指标反映终端发送数据时占用的频域子载波间隔情况，通过终端NPUSCH信息中的Num Tone（子载波个数）和Subcarrier Space（子载波间隔）参数联合实现，该信息是周期性上报，比例直接通过采样点占比代表；上行Ru个数、上行子载波带宽、上行子载波个数反映了终端发送上行数据所占用的时域和频域资源数量，这三个参数可以通过Num RU、Num Tone、Subcarrier Space计算；下行HARQ反馈、下行初始Bler反映NPDSCH物理信道的误码率，该信息通过NPUSCH信道的Format 2格式发送，这两个指标通过NPUSCH Format=Format 2、ACK和NACK个数联合计算；上行ACK/NACK、上行初始Bler反映NPUSCH信道的误码率情况，这两个参数通过NPUSCH Format=Format 1、NewTransmition和ReTransmition个数联合计算实现。这些参数的具体数值如图4所示。

上行数据传输时一个传输块（TB）可以映射到1、2、3、4、5、6、8、10个Ru上，最大的TBS为1 000 bit，无线环境越好MCS值越大，每个Ru承载的TBS数据量越大。对于NPUSCH Format 1使用multitone模式时，MCS索引与TBS索引一一对应使用QPSK调试，当使用single-tone模式时，MCS索引为0或1时使用BPSK调试，MCS索引为2～10时，使用QPSK调制。对于NUPSCH Format 2只使用BPSK调制方式。反映上行数据传输量的参数主要有上行TBS数和上行MCS，这两个参数分别从上行共享信道的ITBS字段和MCS（UL Grant Present=1时）参数组进行平均计算。当使用single-tone模式时，最大的MCS值为10。表1为指标结果：

图3 上行信道资源分配

图4 NPUSCH信道信息

表1 MCS与TBS结果

下行物理信道有NPBCH、NPDCCH、NPDSCH三种，NPBCH用于传输MIB消息，NPDCCH用于传输DCI信息，NPDSCH用于传输数据和SIBType1 NB和SIB NB消息。NPDSCH在时域上由连续的1、2、3、4、5、6、8、10个子帧组成，频域上为180 kHz（12×15 kHz），一个RB块的资源单位，只有QPSK一种调制方式，最大的TBS为680 bit，MCS索引与TBS索引一一对应，MCS最大值为12，但是只有独立部署或保护带部署模式时才可使用MCS11或12的数据传输块。反映下行数据传输量的参数主要有下行TBS数和下行MCS（DL Grant Present=1时），参数计算实现方法与上行类似。

由于上行最大TBS为1 000 bit，下行最大TBS为680 bit，且下行NPBCH/NPSS/NSSS对物理信道的开销大于上行NPRACH对物理信道的开销，因此在NBIoT网络中上行业务速率大于下行业务速率。

表2 信道重传次数

2.3 重传机制

网络侧对不同覆盖级别定义了对应的NPRACH时域频域资源配置和重复次数。终端在得到当前所处的网络Coverage Level后根据所处的覆盖级别按指定的重复次数随机接入，eNodeB收到Preamble后确定终端所处的覆盖级别，并针对该终端制定NPDCCH（最大2 048）、NPDSCH（最大2 048）、NPRACH（最大128）、NPUSCH（最大128）的重复次数，相对LTE网络增加了物理层控制信道的重复发送机制。但是过高的重复次数在提升覆盖增强的同时会降低数据传输速率、加大传输时延、增加终端功耗和网络信令开销。

NPDCCH中传输DCI信息有三种格式，格式N0用于NPUSCH调度，格式N1用于NPDSCH调度及PDCCH order触发的随机接入，格式N2用于Paging调度。因此在计算NPDCCH的重复次数时应区分DCI N0与DCI N1。在计算三种信息的重复次数时中通过UL/DL GRAND PRESENT、PDCCH Order Present来区分三种格式，并计算不同格式下的DCI Repetition Number。PRACH信道的随机接入重复次数通过MSG1的随机接入请求消息中计算得到。NPDSCH的重传次数在DCI信息里的Repetition Number中计算。NPUSCH的重传次数通过图4中NPUSCH Format=Format 1且Is MSG3=FALSE时，取Repetition Numbe数组中平均值计算。重传次数计算结果如表2所示。

3 网络性能评估体系差异分析

NB-IoT网络性能评估体系整体分类与LTE网络类似，均分为覆盖、干扰、调度、移动、接入五大类指标，但是指标的实现方法、门限的取值以及指标的重要性由于网络技术特性及应用场景不同有所变化。本文重点研究NB-IoT网络性能评估体系中特有指标的实现方法，对沿用LTE指标实现方法的部分不再赘述，主要说明两者的差异。

NB-IoT覆盖类指标包括：平均RSRP、边缘RSRP、覆盖率、测试里程（km）、测试总时长（s）、脱网里程（km）、脱网时长（s）、NB驻网时长（s）、RSRP连续弱覆盖里程占比（%）及RSRP连续无覆盖里程占比（%）。这些指标的计算方法大部分沿用了LTE网络相关指标的计算方法，但是由于NB-IoT网络覆盖增强的要求，覆盖率计算门限由LTE网络的“-110 dBm”提升到“-84 dBm”，即NB-IoT覆盖率=“RSRP值大于等于-84 dBm的采样点数/RSRP总采样点数”。同时由于NB-IoT终端芯片与LTE终端芯片存在版本差异，所以计算覆盖类参数的解析方法也不同。

干扰类指标主要包括：平均RS-SINR、边缘RSSINR、连续SINR质差里程占比、重叠覆盖率、重叠覆盖里程占比及mod 3冲突比例。与覆盖类指标类似，NB-IoT网络干扰指标的计算方法相比LTE网络变化不大，只是调整了计算门限。

调度类指标主要包括：上行物理层速率（含掉线）、上行物理层速率（不含掉线）、下行物理层速率（含掉线）、下行物理层速率（不含掉线）、下行NPDSCH平均重复次数、上行NPUSCH Format 1平均重复次数、上行MCS统计、下行MCS统计、上行NPUSCH Format 1平均调度的子载波个数、上行NPUSCH Format 1 3.75 kHz的比例、上行NPUSCH Format 1 15 kHz ST及上行NPUSCH Format 1 15 kHz MT的比例。由于NB-IoT的物理层信道设计采用窄带方式与LTE的宽带设计差异较大，因此调度类指标变化较大，具体指标计算方法已经在上文中论述。

移动类指标主要包括：NB-IoT网内异频重选成功率、NB-IoT网内异频重选时延、NB-IoT网内同频重选成功率、NB-IoT网内同频重选时延、TA区更新成功率及TA更新平均时延等。这些指标的实现方法仍然沿用了LTE网络相关指标的计算方法，但是相对于LTE网络在移动类指标中减少了LTE网内同异频切换、异系统重选及重定向类指标。

接入类指标主要包括：RRC连接建立成功率及时延、ATTACH成功率及时延、DETACH成功率及时延、SERVICE REQUEST成功率及时延。接入类指标的计算方法虽然没有变化，但是重要程度相对LTE网络有所提升。例如：ATTACH成功率及时延反映了NB-IoT业务的接入能力，在NB-IoT网络中为关键指标，在LTE网络中该指标为非关键指标。

4 结束语

物联网是未来运营商收入的主要增长点，网络性能的好坏直接影响到电表、水表等企业用户的使用感受。运营商一方面要加快网络建设速度争取客户，一方面要保证网络质量留住客户。目前网络运营保障手段很不完善，终端芯片不断升级、各种测试工具采用私有实现方法造成指标差异波动大，建立一套集中采集NB-IoT网络数据，标准化网络质量评估分析工具的需求强烈。因此本文研究分析了提高深度覆盖采用的功率谱密度提升、上下行物理信道重定义、重传机制等技术，针对这些技术特性设计网络性能评价指标实现方法，总结物联网与LTE网络性能评估体系差异。在完成理论研究、实现方法设计、工具开发后，需要利用工具进行NB-IoT网络建设质量分析，发现解决网络问题，提升网络质量。

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