物联网NB-IoT网络异频组网规划研究及现网应用

【摘  要】为解决中国电信NB-IoT网络单频组网存在较为严重同频干扰的问题，提出全网基站小区异频插花组网规划思路，研究确定了一套“2505/2507/2509”三频组网规划策略方案，通过多方面评估，该套策略方案能有效降低同频组网带来的干扰问题，大大提升了NB-IoT网络整体性能。

【关键词】NB-IoT;同频干扰;异频组网;三频组网;频率规划

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.009      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）12-0048-05

引用格式：刘从柏，蔡文峰，王良. 物联网NB-IoT网络异频组网规划研究及现网应用[J]. 移动通信， 2019，43（12）： 48-52.

Research and Application of NB-IoT Inter-Frequency Networking Planning for the Internet of Things

LIU Congbai， CAI Wenfeng， WANG Liang

（Guangdong Wireless Network Optimization Center of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

[Abstract] In order to solve the serious co-channel interference problem of China Telecom's NB-IoT network due to single-frequency networking， this paper proposes an inter-frequency flower arrangement networking plan for base stations in the entire network and determines a solution with “2505/2507/2509” tri-band networking planning. Through various evaluations， the proposed solution can effectively reduce the interference problem caused by co-frequency networking and greatly improve the overall performance of the NB-IoT network.

[Key words]NB-IoT; co-channel interference; inter-frequency networking; tri-band networking; frequency planning

0   引言

中國电信NB-IoT网络开网阶段采用2506频点单频组网进行网络规划部署，在单频组网的现状下，NB-IoT基站网络现有功率配置及窄带特点导致NB-IoT功率谱密度比GSM或LTE网络增强约20 dB。这会使现有NB-IoT网络整体RS-SINR较差，小区间同频干扰非常严重，这将严重影响NB-IoT业务的有序发展。考虑到NB-IoT网络当前仅采用室外基站规划建设来降低运营投资成本，若采用降低基站发射功率或增加站间距来降低小区间同频干扰，就会导致室内覆盖质量明显下降，这就需要寻求一种可行的降低小区间同频干扰的解决方案，即本文所提出的“异频小区插花组网”方案。

1   NB-IoT单频组网规划现状及特性

1.1  单频组网规划现状

考虑到NB-IoT产业链发展及模组芯片支持低于1G频段的情况，中国电信很早就决定利用L800M网络开通支持NB-IoT功能，尽可能避免与CDMA283频点互干扰，2017年中国电信确定采用中心频率879.6 kHz进行NB-IoT全网部署。

由于物联网NB-IoT业务要支持更多深度覆盖业务（如地下智能抄表、地下智能停车等室内深度覆盖业务），目前L800M与NB-IoT网络采用1：1方式规划建设。考虑到NB-IoT与CDMA283频点仅相差395 kHz保护间隔，绝大部分CDMA与NB-IoT网络采用共站址规划建设。

1.2  单频组网规划特性

在当前NB-IoT单频组网的现状下，NB-IoT基站网络单天线发射功率配置为5 W（即29.2 dBm），和现网L800M基站相比，发射功率增加约10 dB，而NB-IoT使用带宽仅为L800M的1/25，即NB-IoT带宽仅180 kHz，导致NB-IoT功率谱密度远大于L800M[1]。理论上，这就会引起严重的小区间信号重叠覆盖，从而下行NB-IoT网络RS-SINR远低于L800M，即NB-IoT在该功率配置情况下小区间同频干扰较为严重。

根据某省NB-IoT室外测试分析，从RS-SINR分布区间来看，RS-SINR≤-5 dB采样点占比高达19.78%，且-5 dB

图1    某省NB-IoT室外测试RS-SINR分布区间

2   NB-IoT异频组网策略及方式

从理论上分析，实测的RS-SINR恶化主要是由于PCI模3值相同的小区信号重叠导致，PCI模3值不相同的小区信号即使重叠，由于RS位置通过频域错开，对RS-SINR恶化的影响不大（仅网络存在一定开销信息时，不同模3值的小区会存在较小的重叠干扰）。

基于以上理论分析，为改善室外全局性RS-SINR较差问题，目前的解决思路只能通过“异频小区插花组网”方式解决，其它可行解决方法存在如下问题：

（1）传统RF方式。RS-SINR质差问题属于全局性问题，无法通过RF优化（方向角、下倾角、功率等调整）得到较大改善。

（2）L800M与NB-IoT非1：1组网方式。存在较多NB-IoT覆盖弱且C网覆盖强区域，将会导致C网对NB-IoT下行的干扰。针对关闭NB-IoT功能的L800M站点，其周边楼宇室内将会更容易出现弱覆盖问题[2]。

（3）降低NB-IoT发射功率。下行链路最小耦合损耗（MCL）会降低，将会出现较多室内区域出现弱覆盖问题。

目前，中国电信NB-IoT网络采用L800M网络共站建设，NB-IoT网络使用下行频点必须位于Band5频带中已分配给中国电信的800 MHz—870 MHz（下行）范围。由于现网靠近870 MHz空闲频段大部分被EVDO网1019占用，因此，NB-IoT网络可用频率资源只能从靠近880 MHz上端空闲的895 kHz选取（即879.105MHz—880 MHz）。由于NB-IoT下行中心频点协议规定必须是100 kHz的整数倍，NB-IoT网络可用频点资源仅有7个频点，下行中心频率分别为879.3 MHz、879.4 MHz、879.5 MHz、879.6 MHz、879.7 MHz、879.8 MHz和879.9 MHz。对上述可用的7个频点资源进行前期试点验证，下行中心频率为879.3 MHz频点与CDMA网络283频点存在较为严重的互干扰情况，建议NB-IoT网络不采用此频点资源。考虑到频点带宽不重叠，“异频小区插花组网”方式仅有“双频”和“三频”两种实现方式。

对某个大范围区域（约200个基站）进行测试验证，“双频小区插花组网”相比于现网单频方案对SINR改善效果不明显，无法通过该方式来改善全网RS-SINR，不建议采用“双频小区插花组网”方式。因此，为了改善单频组网下RS-SINR较差的现状，建议采用“三频小区插花组网”方式。由于NB-IoT网络频点带宽为200 kHz，考虑到使用的三个频点不重叠，“三频小区插花组网”方式仅存在以下两种方式[3]：

（1）“三频小区插花组网”方式一：下行中心频率分别为879.4 MHz、879.6 MHz和879.8 MHz，按照3GPP协议对频点号公式计算，即对应频点号分别为2504、2506和2508。

（2）“三频小区插花组网”方式二：下行中心频率分别为879.5 MHz、879.7 MHz和879.9 MHz，按照3GPP协议对频点号公式计算，即对应频点号分别为2505、2507和2509。图2为两种“三频小区插花组网”方式：

图2    两种“三频小区插花组网”方式

3   NB-IoT三频组网规划方案及应用

从上面的分析来看，中国电信现有NB-IoT网络仅存在“2504/2506/2508”和“2505/2507/2509”两种三频小区插花组网方案来改善全网RS-SINR，而在实际商用网络组网环境下，深入分析研究并实现了三频规划、方案分析及应用评估。

3.1  三频组网频点规划

根据理论分析，RS-SINR恶化主要是由于PCI模3值相同小区存在信号重叠覆盖导致，全网小区三频规划最核心的原则是“确保邻近基站PCI模3相同小区尽量配置异频”。基于这个核心原则，通过分析研究及试点验证，提出了一种全网小区三频频点规划思路及方式，即基于PCI规划的频点分配方法。因现网小区PCI规划基本滿足以下规律，即小区标识0扇区模3值相同，小区标识1扇区模3值相同，小区标识2扇区模3值相同，这就需要确保邻近基站相同小区标识扇区尽可能采用异频，以此达到全网任何一个基站下不同小区只可能采用其中三组频率中一组方案（即仅从M0/M1/M2中选取一组），具体规划步骤如下。

步骤1：把每个基站看成是一个室分小区（即全向天线小区），从尽可能避免模3干扰的角度，实现全网室分小区分配合理PCI。

步骤2：通过PCI规划工具（有条件的可以采用基于仿真软件PCI规划，其优点是考虑到天线高度、方向角、下倾角、建筑物阻挡等多方面因素避免模3干扰），基于降低全网模3干扰，进行全网室分小区PCI规划。

步骤3：每个基站PCI模3值为0，该基站三个小区分配M0频率组;同理，PCI模3值为1，该基站三个小区分配M1频率组;PCI模3值为2，该基站三个小区分配M2频率组。图3为三频频点规划思路及方式：

图3    三频频点规划思路及方式

以某个区域规划结果来看，该区域全网小区标识0扇区（2扇区/3扇区）规划各频点占比分别约1/3，实现了频率分配最优，且从地理化分析基本实现了邻近小区尽量配置异频。表1为某区域全网小区三频规划结果。

3.2  三频组网方案分析

针对“2504/2506/2508”和“2505/2507/2509”这两种三频小区插花组网方案，通过分析研究及试点验证，从现有2506频点单频组网改为以上这两种组网方案，将会出现不同的NB-IoT业务运营风险。

针对“2506改为2504/2506/2508”主要存在的运营风险有以下4种情况[4-5]：

风险1：模组无法使用非2506频点，导致终端可能无法使用最优频点。分析后可知主要有3种情况可以导致终端无法使用2506频点，即模组厂家在设计时进行锁频2506;终端公司在MCU设计时控制终端在上电或PSM模式唤醒后下发AT锁频2506操作;因模组本身搜索无2506频点时间过长，且终端在MCU设计了定时器，定时器时长低于搜索时间，本次业务发送失败。

风险2：主流模组芯片flash中已保存2506频点，导致终端可能存在无法使用最优频点。

风险3：主流模组内置老版本芯片不支持重选，且主流模组内置部分新版本芯片支持重选但默认关闭重选开关，导致终端可能无法使用最优频点。

风险4：主流模组内置部分新版本芯片支持重选且开启重选开关，但NB-UIM卡VPN默认ctnb配置参数“PSM激活定时器为2秒”影响终端在短时间内无法进行小区重选，导致终端可能无法使用最优频点。

针对“2506改为2505/2507/2509”主要存在的运营风险仅有1种情况，即仅存提到的风险1。

因此，从尽可能降低业务风险的角度考虑，提出最终采用“2505/2507/2509”三频小区插花组网方案。

3.3  三频组网应用评估

从以上理论分析可知：三频小区插花组网实施将会提升全网RS-SINR指标，从而导致更多的终端成功上报覆盖等级0，这也会使无线侧RRC连接成功率有所提升。

本次采用“2505/2507/2509”三频小区插花组网方已于2019年4月27日凌晨在广东电信NB-IoT现网开展大规模实施应用，实施后效果评估情况满足以上理论分析结果。

（1）全网RS-SINR平均值。通过对某局部区域开展DT拉网测试获取RS-SINR平均值，每个区域RS-SINR平均值提升约10 dB。图4为实施前后某区域测试SINR平均值对比：

图4    实施前后某区域测试SINR平均值对比

（2）全网覆盖等级0平均用户占比。通过对无线网管提取全省NB-IoT网络覆盖等级0（RSRP大于-107 dBm且SINR大于3.6 dB）平均用户数占比，日均覆盖等级0用户占比由50%提升至70%左右，提升比例高达20%。图5为实施前后全网覆盖等级0用户数占比走势：

图5    实施前后全网覆盖等级0用户数占比走势

（3）全网RRC连接成功率。对无线网管提取全省NB-IoT网络RRC连接建立成功率，日均RRC连接建立成功率由93%提升至97%左右，提升约4%。图6为实施前后全网RRC连接成功率走势：

图6    实施前后全网RRC连接成功率走势

4   NB-IoT三频组网风险及建议

通过以上对三频组网方案及应用情况的分析，要降低NB-IoT网络2506单频组网环境下小区间同频干扰，目前可行手段是通过“2505/2507/2509”三频小区插花组网方案进行解决，但是，该解决方案实施后也可能会存在一定的业务风险。

可能风险1：仅使用2506频点。模组一旦仅使用2506频点，会使业务数据上报不成功。

可能风险2：终端位置发生变化。当终端在三频组网下使用一定时间，模组芯片flash中将会保存已使用频点（2505或2507或2509），当终端位置发生变化后（如客户演示、新入网部署），每次开机仅搜索周边已保存的频点，无法使用其它频点。

可能风险3：2509频点存在干扰。2509位于880 MHz边缘，无保护带，存在干扰风险。

可能风险4：网络经常突发变动。当终端经常使用的小区出现新建站、站点逼迁等网络变动，若模组芯片flash中保存已使用频点（2505或2507或2509），每次开机仅搜索周边已保存的频点，无法使用其它频点。

为及时做好风险预防措施，提出了可行的解决方法加以规避。

针对风险1：针对存量NB-IoT终端，若无法实现远程升级可临时采用2506频点进行覆盖，若可远程升级应及时采用远程升级终端（含模组及MCU），确保适配异频组网。针对增量NB-IoT终端，协调客户对终端进行升级（含模组及MCU），通过终端入网测试进行严格把关，通过测试方可入网部署。

针对风险2：针对无需关注耗电类业务（如白色家电）、移动类业务（如共享单车），可采用确保MCU设计流程中增加下发“AT消除频点命令”以確保模组芯片不保存上次使用的频点，或在MCU设计流程中增加“出现与上一次使用PCI不一致情况则下发AT消除频点命令”来确保模组芯片不保存上次使用的频点。针对需关注耗电类业务（如智能抄表），确保空闲态支持异频重选，且选用的VPN策略能保证异频重选时间。

针对风险3：针对短期内存在干扰区域，针对存在干扰小区修改2509频点。针对远期未来可能存在的干扰区域，若出现干扰范围较小修改2509频点，若干扰范围较大，后续全网由“2505/2507/2509”改为“2504/2506/2508”。

针对风险4：针对业务异常区域，开展关联基站RF优化或修改关联小区频点。

5   结束语

本文提出的“2505/2507/2509”三频组网规划方案，在大规模实施应用后能大大降低小区间同频干扰，并针对未来可能存在的风险给出了应对措施和建议，后续需要协调NB-IoT终端产业链推进解决这些风险，同时需要中国电信在全国范围内实施三频组网方案，以此来真正改善中国电信NB-IoT网络质量，为未来NB-IoT业务正常运营提供可靠的网络保障。

参考文献：

[1] 解运洲. NB-IoT技术详解与行业应用[M]. 北京： 科学出版社， 2017.

[2] 洪成洋，邓继昌. 对NB-IoT网络建设方案的研究[J]. 通信电源技术， 2017（6）： 140-143.

[3] 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.

[4] 文德景，黄凯洪. 基于NB-IoT的低功耗广域物联网节点芯片技术[J]. 机电工程技术， 2017（s2）.

[5] 李自富，张变芝. 基于800M频段的NB-IoT网络部署研究[J]. 河南科技， 2018（8）： 7-9.★