依托GSM900 MR开展NB-IoT覆盖预测的方法
2018-07-03李言兵刘毅刘立洋
李言兵,刘毅,刘立洋
(中国移动通信集团山东有限公司,山东 济南 250001)
1 引言
随着物联网的快速发展,国内三大运营商均大规模开启NB-IoT网络建设。当前NB-IoT网络建设主要通过与现网2G/3G/4G站点共站方式部署,网络建设速度快,但同时给NB-IoT网络的覆盖规划带来了一定的挑战。NB-IoT作为一种全新的制式,其在组网方式、上下行覆盖能力、天线朝向等方面与现网GSM900存在较大差异,因此不能简单模拟现网GSM900的覆盖。
基于此,本文立足于NB-IoT的部署特点、覆盖场景以及仿真地图精度受限的实际情况,深入研究NBIoT与GSM900在覆盖方面的差异,探索出一种基于GSM900 MR数据开展NB-IoT覆盖预测的方法:通过路损、覆盖能力差异、穿透损耗、OTA损耗等维度建立NB-IoT与GSM900覆盖映射模型,再通过天线覆盖矢量能力进行不同方位角与下倾角的覆盖补偿,进而预测NB-IoT覆盖。
2 研究背景
2.1 NB-IoT覆盖规划面临的挑战
近来,工信部正式发布了关于推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知,要求加快推进移动物联网部署,构建NB-IoT网络基础设施。预计在2020年,IoT总连接数将达到300亿,市场空间达到1.7万亿美元。当前NB-IoT网络建设主要通过与现网2G/3G/4G站点共站方式部署,站点部署很快,这对覆盖规划的效率与质量提出了更高要求。当前由于缺乏比较精确有效的NB-IoT站点覆盖预测方法,极大地限制了业务开展。如何快速高效开展覆盖评估,保证NB-IoT网络建设进度与质量,已成为NB-IoT覆盖规划面临的巨大挑战。
2.2 传统网络覆盖预测方法分析
传统LTE网络覆盖预测主要有以下三种手段:利用仿真规划工具进行覆盖仿真;通过道路遍历测试采集网络覆盖信息;利用现网用户上报MR报告预测网络覆盖。立足于NB-IoT的部署特点、覆盖场景分析如下:
第一,在进行站点规划时,通常可以利用仿真规划工具进行覆盖仿真,对站点规划进行指导。但是NB-IoT主要面向深度覆盖场景,其仿真结果的准确性受到仿真地图精度、准确度、是否有building图层等因素影响,大多无法对覆盖进行精确的评估。
第二,通过道路遍历测试,采集各现网各位置的网络覆盖情况。NB-IoT面向静态物联网用户,用户不具备移动性,协议不支持切换,仅支持重选,重选相对切换时延较大,开展道路遍历测试易产生因未能及时重选到最强小区而导致覆盖预测不准的问题,且NB-IoT业务多为智能抄表、智能停车等,其覆盖场景与道路差异较大,道路遍历测试适用性较差。
第三,利用现网用户上报MR报告,通过地理化等手段预测网络各位置的覆盖情况。NB-IoT协议不支持MR消息,用户无法上报MR报告,因此无法支持通过NB-IoT终端上报MR来预测网络覆盖。
2.3 依托GSM900 MR开展NB-IoT覆盖预测的可行性分析
从传播模型、路损、覆盖场景以及技术手段等维度来看,通过GSM900 MR数据开展NB-IoT覆盖预测已成为当前最适合的方式。
首先,移动NB-IoT使用900M频段,传播模型特征与GSM900基本相同。因此,NB-IoT覆盖预测与GSM900覆盖预测具有一致性的基础。
其次,NB-IoT主要采用与GSM900共站的方式部署,其路损特征与GSM900相近。
再次,N B-I o T主要面向深度覆盖场景,而GSM900的MR数据多来自室内用户,相比道路遍历测试数据,GSM900 MR数据与NB-IoT的覆盖场景更为接近。
最后,当前GSM900 MR数据覆盖地理化呈现手段已较为成熟,可灵活应用于NB-IoT覆盖预测。
3 依托GSM900 MR开展NB-IoT覆盖预测的方法
依托GSM900 MR开展NB-IoT覆盖预测的方法为:首先,依托GSM900 MR文件、站点工参、基站配置文件等数据,利用主设备厂家或第三方的工具,通过MR定位算法,可以实现GSM900 MR覆盖栅格级地理化呈现。其次,GSM900 MR地理化后,可获得每个栅格下各GSM900小区的覆盖电平值。NB-IoT的路损值与GSM900相近,根据NB-IoT天线的下倾角方位角信息、NB-IoT功率配置、NB-IoT与GSM覆盖理论差异补偿等,即可模拟共站NB-IoT小区在该栅格某位置的覆盖电平强度,形成NB-IoT覆盖预测图,最终实现NB-IoT覆盖预测。
覆盖预测模型公式如下:
其中,MRNB表示NB-IoT站点下预测的MR覆盖电平,MRGSM900表示参考点GSM900的MR电平,ΔPOWER表示NB-IoT与GSM900覆盖能力差异,ΔPL表示NB-IoT与GSM900穿透损耗差异,ΔOTA表示NB-IoT与GSM900 OTA损耗差异,ΔAn表示天线方向与下倾差异引入的覆盖增益差异。
3.1 NB-IoT与GSM900覆盖能力差异ΔPOWER
NB-IoT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与业务信息可以在相对LTE更窄的带宽中发送(15 kHz),相同发射功率下的PSD(Power Spectrum Density)增益更大,可降低接收方的解调要求,因此每赫兹的功率比传统网络要高11 dB左右。同时,NB-IoT业务一般对时延不敏感,可以引入重复发送的编码方式,通过重复来提升信道条件恶劣时的传输可靠性,给NB-IoT带来9 dB ~12 dB的覆盖提升。在发射功率相同时,通过更高的功率谱密度和重复获得解调性能提升,NB-IoT相比GSM可以获得总计20 dB的覆盖增强。
NB-IoT相比GSM有20 dB覆盖增益,但这20 dB的覆盖增益,主要是因为NB-IoT通过重发等机制降低信噪比要求,在功率谱密度上NB-IoT并无优势:GSM无导频信道,所有功率均转换为电平;NB-IoT的RSRP是RS功率在全带宽的平均数。
选取现网中NB-IoT和GSM900共站的站点进行测试,并且将GSM900和NB-IoT单载波功率均设置为10 W。为保证测试的准确性,选取同覆盖方向的GSM900和NB-IoT小区进行锁频测试,测试工程师处在同一车辆内进行法向拉远测试。测试结果如表1所示,GSM900终端接收电平值与NB-IoT终端接收电平值相差10 dB左右,最高差值为14.5 dB。根据实际的测试结果,取ΔPOWER=-10 dB。
表1 同车法向拉远测试结果
3.2 NB-IoT与GSM900穿透损耗差异ΔPL
当电磁波在建筑物间传播时,会发生穿透损耗,具体的穿损数值与具体的建筑物类型、电波入射角度等因素有关。隔墙阻挡的穿透损耗一般为5 dB~20 dB,而地下室的损耗可能会达到30 dB以上。特别是在城市场景,高楼带来的穿透损耗会明显影响覆盖,所以,在进行覆盖预测时,需要比较NB-IoT站点与现有GSM900穿透损耗差异。
对GSM900站点进行测试,选取多栋高层、独栋高层、中层、低层等各种场景楼宇进行室内扫楼测试,遍历楼道、走廊、楼梯,GSM900高楼穿透损耗约为18 dB。
与传统网络相比,NB-IoT终端处于更加深度覆盖的场景,如地下室、弱电井、电梯等区域等。
同样选取多栋高层、中层、低层等各种场景楼宇对NB-IoT站点进行室内扫楼测试,遍历地下室、车库、弱电井、走廊、楼梯,楼宇穿透损耗平均值约为28.7 dB。与GSM900网络相比,NB-IoT需多考虑约10 dB的穿透损耗。则NB-IoT与GSM900穿透损耗差异ΔPL=-10 dB。
3.3 NB-IoT与GSM900 OTA损耗差异ΔOTA
OTA损耗指终端在使用中相比理想辐射源产生的损耗差异,一般通过标准OTA测试获得。在特定微波暗室内,测试手机的辐射功率和接收灵敏度。终端不同的工艺和天线设计以及用户的使用习惯都会对OTA损耗有影响。
传统GSM终端,主要关注终端与人体手部头部的位置等影响,在人体损耗(3 dB)的基础上再增加4 dB~6 dB的OTA损耗;NB-IoT设备所处环境更复杂,可能在电表盒,水表盒等更复杂的环境,OTA损耗更大,通过多场景OTA标准测试,建议OTA损耗在12 dB左右。则NB-IoT与GSM900 OTA损耗差异ΔOTA=-6 dB。
3.4 天线方向与下倾差异引入的覆盖增益差异ΔAn
NB-IoT站点主要采用与GSM900共站部署方式建设,但根据不同的覆盖需求,某些情况下NB-IoT小区方位角和与下倾角与现网GSM900小区并不一致,在进行NB-IoT覆盖预测中需考虑这些差异。可通过天线角度覆盖补偿来弥补两者覆盖差距。任何一款天馈出厂时在水平和垂直两个方向有固定的覆盖波束,各方向有固定的增益。
当前主流天馈均可获取水平和垂直两个方向上各角度相对天线法线方向各度数的增益衰减值,可通过对比现网GSM900与NB-IoT天馈方位角下倾角的差异,对比增益衰减值,定量计算方向角与下倾角差异导致的覆盖差异ΔAn。假设GSM900天线方向、NB-IoT天线、以及预测目标位置等如图1所示:
图1 天线方向与下倾差异模型
则因覆盖方位角与下倾角差异导致的覆盖差异ΔAn=F1(a-e, b-f)-F2(c-e, d-f)。其中F1通过查询NB-IoT天线文件获取,F2通过查询GSM900天线文件获取。
天线厂家会提供用于规划仿真的天线文件,天线文件中标称了在水平和垂直两个维度,相对天线法线角度夹角各度数的增益衰减值。以表2中1 800 MHz-30 deg-18 dBi-0 Tilt型号天线文件为例,假设其最佳覆盖角度为(a, b),a为天线法线方向水平投影与正东方向夹角,b为天线法线方向竖直投影与水平面夹角,该角度为天线的理想覆盖角度;若此时天线覆盖某点角度为(c, d),c为该点与基站连线方向水平投影与正东方向夹角,d为该点与基站连线方向竖直投影与水平面夹角。通过计算(a-c, b-d),并查表可以得到天线角度覆盖补偿值。如果a-c=5°,b-d=5°,则由表2可知,该角度会额外增加1.9 dB的覆盖增益损失。
4 依托GSM900 MR开展NB-IoT覆盖预测的方法应用探索
以某市城区为试点,基于当前GSM900 MR数据开展NB-IoT覆盖预测。
首先,依托GSM900 MR文件、站点工参、基站配置文件等数据,通过MR定位算法,该市城区GSM900 MR覆盖栅格级地理化呈现,如图2所示:
表2 1 800 MHz-30 deg-18 dBi-0 Tilt型号天线的增益衰减值
图2 城区GSM900 MR覆盖渲染图
其次,根据NB-IoT的覆盖预测公式,MRNB=MRGSM900+ΔPOWER+ΔPL+ΔOTA+ΔAn,当前取值ΔPOWER=-10 dB,ΔPL=-10 dB,ΔOTA=-6 dB,ΔAn=-0 dB(因预测整体区域覆盖情况,暂不考虑GSM900与N B-I o T天馈方位角下倾角差异),结果为:MRNB=MRGSM900-26 dB,输出该市城区NB-IoT覆盖预测图,如图3所示:
图3 城区NB-IoT覆盖预测图
最后,根据NB-IoT覆盖预测图,该市快速高效开展了城区NB-IoT覆盖评估,提高了NB-IoT覆盖规划的效率与质量,保证了NB-IoT网络建设进度与质量。
随着NB-IoT基站的建成开通,该市城区已具备初步的物联网市场发展和应用验证能力,在物联网大连接业务发展迈出了第一步。
5 结束语
目前,主流运营商都在加紧研究和部署NB-IoT网络,基于此,本文立足于NB-IoT的部署特点、覆盖场景等实际情况,深入研究NB-IoT与GSM900在覆盖方面的差异,探索出一种基于GSM900 MR数据开展NBIoT覆盖预测的方法,既保证了当前NB-IoT网络建设的进度与质量,也为后续的合理组网打下了基础。
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