基于NB-IoT多业务复杂网络覆盖的评估和优化

卫鸿婧，郭 宝，桑胜波

(1.中国移动通信集团山西有限公司，太原 030032；2.太原理工大学 信息工程学院，太原 030024)

NB-IoT是3GPP 针对低功耗广覆盖(low power wide area，LPWA)类业务而定义的新一代蜂窝物联网接入技术，主要面向低速率、超低成本、低功耗、广深覆盖、大连接需求的物联网业务，适用于智能抄表、资产跟踪、穿戴类设备等低速率、大连接的应用。

NB-IoT网络建设是要打造高质量、高品质、城区范围连续覆盖的物联网承载网络，支撑国家大连接战略。现阶段NB-IoT行业应用成熟度低，行业应用属于起步阶段，网络整体处于工程优化阶段。从现阶段优化情况来看，NB-IoT网络存在的主要问题有：室外重叠覆盖严重；整体覆盖较好，但局部覆盖空洞较多；室内疑难场景深度覆盖不足；NB协议栈简化，缺少MR数据，评估和支撑手段缺少。此外，基于NB-IoT技术的物联网业务具有业务模型差异大、服务等级差异大、深度覆盖要求高、终端静默长等特征。现阶段各业务商用终端尚未规模普及，业务量较少、优化经验缺乏、优化标准不明，亟需开展针对性的网络与业务协同优化研究[1]。

1 基于NB-IoT多业务复杂网络覆盖标准研究

1.1 业务类型研究

NB-IoT不同垂直应用领域均涉及4类业务类型中的一种或者几种，建立分应用、分场景的网络覆盖指标标准，首先对4类业务类型的特征进行研究[2]。3GPP TR45.820协议中定义了自主异常报告、自主周期报告、网络指令和软件更新4类业务。共同点为传输数据量小，边缘速率要求不高，适合静态场景。差异体现在传送数据包的大小和业务周期。细分四类业务的差异，制定4类业务对应的5项接入网络和分配资源过程中涉及的KPI最低标准，如表1所示。

表1 各类业务最低指标要求Table 1 Minimum requirements for all types of business

1.2 覆盖增强技术对KPI影响

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。其中，下行覆盖的增强通过加大数据的重复发送实现；上行覆盖的增强通过提高功率谱密度和增加数据重复发送次数实现[3]。

1) 覆盖等级的设置。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。3种覆盖等级即常规覆盖(normal coverage)、增强覆盖(extended coverage)和极远覆盖(extreme coverage)，分别对应链路损耗(minimum coupling loss，MCL)144 dB、154 dB和164 dB.NB-IoT基站支持配置1个RSRP列表，包含两个RSRP门限值RSRP1，RSRP2，用于区分不同覆盖等级。不同覆盖等级下对应不同的接入资源配置和不同的重复次数。因此在分析RSRP同KPI关系之前，首先要考虑覆盖等级的设置。以所处位置RSRP=-110 dBm为例，当RSRP1<-110 dBm，终端按照CE0进行接入；当RSRP1>-110 dBm，终端按照CE1进行接入。

2) 重复次数。重复技术的本质是在时域上将待发送数据在时域上连续多次重传，降低了单位时间内平均的有效信息量，本质上是降低了码率，相当于以更低的MCS进行数据发送，对于覆盖提升存在编码增益，降低接收端的解调门限要求。以一个长度80 ms的256 bit的码块传输为例，不重复发送时，通过BPSK调制的解调门限约为-1 dB，含CRC的编码速率为3.2 bit/s；重复4次发送时，可以通过将编码速率降低为0.8 bit/s而使解调门限降低为-7 dB，此时重复4次的增益为6 dB.随着重复次数的增加，获得的收益趋缓，但会增大终端功耗，频谱效率下降越严重，速率下降程度与重复次数呈反比。重复次数与覆盖等级有关，不同覆盖等级下设置不同的重复参数，因此分析RSRP同上传、下载速率时，首先要考虑覆盖等级的设置以及不同重复次数的设置。不同覆盖等级下，相同重复次数随着覆盖等级差异，速率下降；在同一覆盖等级下，随着重复次数的增加，下载速率逐渐下降。

3) 覆盖等级设置同KPI的关联。以现网参数设置为例，现网 NB为CP模式，只部署锚点载波。当前RSRP1=-110，RSRP2=-120，对应3个覆盖等级下，NPDSCH、NPUSCH(15K ST)重复次数分别为1，4，32.其他相关接入参数设置如表2所示。

表2 NB-IoT接入参数Table 2 NB-IoT access parameters

2 不同业务的覆盖标准

2.1 不同业务覆盖性能对应指标

覆盖等级、重复次数配置如下：RSRP1=-110，RSRP2=-120；对应3个覆盖等级下，NPDSCH，NPUSCH(15K ST)重复次数分别为1，4，32.通过大量测试得到RSRP、SINR、KPI三个变量的测试数据。对测试数据进行回归分析，考虑到RSRP对KPI影响跟覆盖等级设置直接关联，可通过偏相关分析，得到KPI对RSRP，SINR的最低要求[4]。

1) RRC建立成功率。利用测试数据计算RSRP、SINR的偏相关系数，分析发现 RSRP>-120 dBm 后，SINR为主要相关变量。分析SINR对RRC建立成功率的影响程度，如图1所示，得到：当SINR<-2.51 dB时，RRC建立成功率降低至99%以下；SINR<-3.06时RRC成功率降低至90%以下。

图1 NB-IoT覆盖性能与RRC建立成功率Fig.1 NB-IoT coverage performance and RRC establishment success rate

2) RRC建立时延。利用测试数据计算RSRP、SINR的偏相关系数，发现RSRP和SINR与RRC建立时延均明显相关，得到SINR为(-2.495，-3.217)是分别对应500 ms，2 000 ms，此时RSRP为-110.7 dBm.

3) Attach成功率。同样RRC建立成功率类似，分析发现RSRP>-120 dBm后，SINR为主要相关变量。分析SINR对Attach建立成功率的影响程度，得到当SINR<-2.44 dB时，RRC建立成功率降低至99%以下；SINR<-3.07时，Attach成功率降低至90%以下。

2.2 NB-IoT不同应用类型对应的覆盖标准

现阶段NB-IoT主要应用有水表、路灯、单车和智能停车等。按照窄带物联网适合的数据上报方式(数据上报为主、数据实时交互)与移动方式(固定类、移动类)，参考《中国移动NB-IoT端到端商用验收测试规范》，将NB-IoT应用分为固定监测类、固定控制类、移动监测类和移动控制类4种。将业务进一步细分，可得到19类典型应用的业务类型及部署场景，如表3所示。

表3 分应用、分场景覆盖标准Table 3 Sub-application and sub-scenario coverage standard

本节从NB四类业务特征差异出发，在探究覆盖等级、重复次数原理和作用的基础上，通过大量测试和对业务、KPI、覆盖标准三者的深入研究，得到了细分至19类业务的NB-IoT网络覆盖标准，使接下来的NB网络建设优化中更有目的性、更贴合业务、更聚焦用户感知、更加精准。

3 基于NB-IoT多业务复杂网络覆盖的优化

3.1 道路覆盖提升

关于现网NB-IoT与GSM共天馈规划，中国移动集团优化指导中明确说明，以GSM网络覆盖优先，尽量不调整NB-IoT天馈。但在具体NB-IoT网络业务保障和优化中，难免出现GSM优化方案和NB优化方案互斥，导致优化无法正常开展的问题。基于上述优化困难，研究多系统的小区理想覆盖范围，来辅助现场输出G/N天馈调整方案。对于完全无法调整的小区，通过采用天馈分裂的方式来解决道路覆盖问题。

1) 基于多系统理想覆盖范围的共天馈优化方案。NB-IoT重叠覆盖优化可通过异频配置规避，但NB-IoT网络并发容量有限，异频组网并未实质性解决网络结构问题，且资源利用率偏低，未来将带来容量压力。基于多系统理想小区覆盖范围的共天馈优化通过建立栅格路损矩阵、拟算覆盖范围，来输出天馈调整最优。

数据采集：采集GSM，NB两个网络的工参、扫频测试、电子地图、天线文件、功率配置等关键数据。

建立栅格路损矩阵：利用扫频、路测数据的精准位置、电平信息，对优化区域的2G、NB重叠覆盖、弱覆盖信息栅格化；基于天线方位角、下倾角调整后空间路损不变原则，实现小区天线调整后栅格覆盖电平预测。

确认天馈调整最优解：通过多系统小区理想覆盖范围算法对天馈参数、功率参数高效寻优，最终找到最优的调整方案。

2) 低成本NG分裂方案。由于NB与GSM不同的覆盖特性，NG覆盖存在一定差异，通过NG分裂可实现两网的独立优化。本章介绍两种N/G分裂的低成本解决方案，其中方案1可解决特定场景下的站间距较大，局部覆盖空洞问题；方案2可解决NB重叠覆盖问题。N/G分裂传统改造方案为新增1个GNF共模RRU，实现NB和GSM的分裂，改造方案如图2所示；相当于新增一套2G主设备，施工周期长、建设成本高，且不符合网络演进趋势。

图2 NB-IoT独立天馈改造方案Fig.2 NB-IoT independent antenna feeder transformation plan

对天线原理及电气性能进行研究。900 M4通道天线，1，2端口部分和3，4端口部分电气性能完全一致，由于天线性能区别于频段而非制式，因此可通过新增一副普通GSM天线，通过下列天馈系统改造后，实现NB和GSM的分裂。两种方案天馈系统连线方式一致，均为RRU1，2端口连接原先4通道天线1，4端口；RRU3，4端口连接新增天线的GSM天线1，2端口。主要通过功率配置实现解决不同需求的两种方案。

在现网实施验证后，天馈调整以GSM方案为主，设置机械下倾角为12°.通过方案1改造实施后，4通道天线调整至6°，新增GSM天线保持12°.改造前后覆盖改善明显，覆盖率从85.1%提升至97.3%.

3.2 高层场景覆盖提升方案

NB-IoT网络中高层场景主要存在导频污染、弱覆盖、无覆盖问题。对于典型高层场景，这种场景一般存在多种应用种类，需对覆盖类、重选类参数进行差异化配置，以满足各类业务的覆盖标准进行覆盖提升。

根据上文此类场景基于业务的覆盖标准为：RSRP>-110.6 dBm，SINR>-1.89 dB.对于此场景下的局部质差区域，从天馈到参数的优化方法如下：核查主服务小区功率是否已提升至32.2 dBm以及是否为2T4R方式开通，具备条件的情况下部署4T4R；考察终端所处位置，增大相应覆盖等级上下重复发送次数和重传次数、上下行初始MCS；满足最低速率要求下，上行带宽使用3.75 kHz或15 kHZ ST；增加重选判决定时器、小区重选迟滞值避免频繁重选；对导频污染严重区域，建议采用异频方式规避。

以某高层为例，优化前整体覆盖良好，平均RSRP=-75.4 dBm，平均SINR=5.8 dB，局部区域存在弱覆盖导频污染。按照上述流程进行参数核查后，将主服务小区功率从29.2 dBm提升至32.2 dBm，同时将覆盖等级1下上下行初始传输重复次数从2提升至4，同时提升重选判决定时器至2 s.优化后NB-IoT覆盖性能显著提升，如图3所示。

3.3 网络及终端延伸

NB-IoT物联网业务主要进行物与物的连接，业务经常发生在人员较少或无人区域，以目前传统通信站址部署会存在较多的弱覆盖甚至覆盖空洞。考虑到物联网价格低廉，不建议对上述区域进行新建站覆盖，建议结合目前的无线网资源和终端使用情况选择延伸技术，低成本提升覆盖性能。延伸覆盖分为两种：网络延伸和终端延伸。

网络延伸主要指利旧改造现网的直放站设备、手机伴侣等。直放站主要功能是通过对射频信号的功率放大以达到信号延伸的目的，主要应用场景：城市周边厂矿、大型地下活动场所等。直放站改造试点选取矿区矸山(城区周边煤炭在加工厂区)。改造前：道路平均电平值为-100 dbm左右，楼内覆盖低于-110 dbm；改造后：路测电平为-60 dbm左右，楼内覆盖-80 dbm.针对集客会议、办公楼配电室等需求紧急小众特殊场景，可利用GSM手机伴侣放大信号的办法补充NB覆盖。

终端延伸是指终端侧增加外接天线，提升终端侧接受/发射增益，实现对弱覆盖区域的信号质量提升。此类方式建设方式灵活，安装方便，适用于终端分布零散区域，预估建设成本为30元/终端。建议集团加强引导终端厂商对于隐蔽场景的终端设备提供统一外接天线接口或直接提供外接小型天线，如图4的水位监测、井盖监测等。

图4 水位监测终端延伸Fig.4 Water level monitoring terminal extension

对于连片的业务覆盖盲区，面积较大，终端较为集中(终端数超过20个)，利于集中投资，可采用网络侧的延伸覆盖方案。典型场景：大型地下室、城市周围工业园区等。对于覆盖盲区，面积小，终端不集中，不适合集中投资，优先采用终端侧解决方案。

4 总结

当前，NB-IoT作为中国移动面向未来万物互联的一个重要网络，良好的网络覆盖质量是未来立足于竞争的基础。本文从NB-IoT四类业务的特征差异出发，在探究业务覆盖等级、执行重复次性和冗余作用的基础上，通过大量测试和业务模拟、KPI、覆盖标准三者的深入研究，得到了细分至19类业务的NB-IoT网络覆盖标准。依据此细分优化标准和创新的NB-IoT网络覆盖评估手段，全面分析评估出了NB-IoT网络的重叠覆盖严重、局部覆盖空洞多、室内深度覆盖不足等问题，并针对不同场景、不同问题创新研究了高层参数到室内升级的完整优化方案，基于多系统理想小区覆盖范围的共天馈优化方案，低成本NG分裂方案，分散场景网络延伸、终端延伸方案等多项优化解决方案，最终使得NB-IoT网络质量得以提升。