关于NB-IoT网络业务并发冲突问题的探讨

胡盛剑，叶凌华

（中国电信股份有限公司 丽水分公司，浙江 丽水 323000）

1 背景概述

物联网是将物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的新技术。其就是物物相连的互联网，是物品与物品之间进行信息交换，与传统的人与人之间的信息交互存在较大的差别[1-4]。

NB-IoT是目前全球使用最广的物联网制式，凭借低功耗、低成本以及广覆大容量等技术优势被各个国家主流运营商所采用。随着物联网业务的不断发展，越来越多的物联网终端被应用于社会生产的各个领域，智慧路灯就是其中的一项。物联网业务一般具有小流量和大连接等特点，由于NB-IoT网络带宽的限制，在部分高话务区域，业务集中触发的情况下，部分终端会存在接入冲突和无法及时上线的问题，这是物联网网络优化的一个难点[5]。

某市政府开展“亮化工程”项目，需要在主城区建设智慧路灯共3 725座，全部通过物联网网络控制，实现每天晚上18点—19点之间亮灯的计划，要求亮灯率在90%以上。经过项目前期的多次调试，发现该项目区域内物联网网络存在接入冲突的问题，导致计划时间内的亮灯率仅为80%，与预期目标存在较大的差距。

2 问题分析

2.1 业务侧分析

物联网系统一般由运营支撑系统、传感网络系统、业务应用系统以及无线通信网系统等组成[6]。该市“亮化工程”项目采用的智慧路灯系统组网方式比较简单，业务实现方式是在智慧路灯上安装有无线装置，后台管理平台通过云平台与基站网络相连，并通过NB-IoT网络对路灯下达指令，完成路灯的开关动作[7]。该系统能够实现智能开关、设备管理以及报表统计等一系列功能，系统组网如图1所示。

图1 智慧路灯系统组网图

经过与市政业务部门对接，了解到该系统现有的亮灯策略如下。智慧路灯后台管理平台每天晚上18点开始下发亮灯指令，终端开始同时接入物联网网络，接入完成后发送报文释放无线资源进入休眠状态，并在下一个周期再次触发连接（每小时触发一次），未连接上的路灯持续发起请求直到连上为止。

目前的亮灯策略为所有终端同一时刻集中接入，所以对NB-IoT网络在容量上造成较大的压力。通过市政后台管理平台查看，发现未亮路灯具有一定的区域性，主要集中在居民区密集的两条主干道路沿线，如图2所示。从无线网络看，这两个区域主要由后岭路和酒厂两个NB-IoT基站信号覆盖，无线环境比较简单。

图2 未亮灯区域分布情况

2.2 网络侧分析

了解智慧路灯系统的组成和亮灯策略后，为了查明两个问题区域亮灯率低的原因，维护人员对后岭路和酒厂两个基站设备进行了全面检查，发现这两个基站设备运行正常，硬件设备也没有任何告警，因此可以排除基站设备故障导致亮灯率低的可能性。接着，优化人员对这两个基站的网管指标进行分析，发现这两个基站存在不同程度话务负荷高的问题。其中，酒厂基站从晚上18点直到21点，基站终端连接数持续大于380个，基站峰值利用率大于95%，而后岭路基站终端连接数持续大于250个，基站峰值利用率大于84%。此外发现这两个基站的RRC连接成功率指标均低于90%，远低于正常网络指标。进一步通过分析基站信令发现，这两个基站下的终端存在大量的链路建立失败信令，而智慧路灯无线控制器如果与NB-IoT网络链路建立失败，那么就无法与基站建立连接，将直接导致亮灯失败，进入下一次尝试等待。

至此，可以判定这两个区域亮灯率低的问题，主要是由于同一时间接入同一基站的用户过多，导致基站话务负荷过高，从而引起部分路灯无线链路建立失败，最终导致亮灯失败。

3 方法探讨

找到问题的原因后，作者认为解决问题的关键在于如何解决这两个基站的并发接入问题，即减少同一时间接入同一基站的用户数，于是从话务均衡优化、网络参数优化以及业务规则优化3个方面来探讨分析[8]。

3.1 话务均衡优化

话务均衡优化是指在网络信号强度和质量满足的条件下，通过调整天线方位角、下倾角以及基站功率等方式，控制基站扇区的覆盖范围，将高负荷基站扇区下的接入终端均衡到其他基站扇区，避免在一个扇区下接入的终端数量过多。由于酒厂基站位于山顶，地势很高，导致基站信号覆盖过远，根据现场无线环境，维护人员调整了该基站的下倾角，并减小了发射功率，尽量控制酒厂基站的信号覆盖范围，附近话务由周边站点进行分流[9]。

3.2 网络参数优化

3.2.1 定时器参数调整

定时器参数调整是控制终端合理使用网络资源的一种常见手段。为了使终端在完成RRC连接发送报文后能尽快释放无线资源，提高基站无线资源利用率，并降低终端接入后的掉线率，可以尝试减少SRB信令不激活定时器和CP不活动定时器。本文将后岭路和酒厂两个站点的两个定时器均从10 s优化为5 s。

3.2.2 周期参数调整

导致大量终端同时接入失败的重要原因是随机接入重传次数达到配置上限，而与接入相关的主要3个参数分别是窄带物理随机接入信道周期、随机接入注册响应周期以及随机接入信道可重传次数。本文重点对随机接入注册超时周期参数进行优化，从原先的640 ms减小到320 ms，在无线信号良好的情况下，通过减少随机接入响应周期，可以提升并发接入能力。

3.2.3 功率参数调整

智慧路灯均有外接天线，信号接收和发送损耗较少，在信号强度满足的情况下，适当降低基站窄带物理上行共享信道标称功率和窄带物理随机接入信道前导初始功率，可以减少终端之间的相互干扰，提升上行信号质量。本文将后岭路和酒厂两个基站的窄带物理上行共享信道标称功率参数从-90 dBm调整到-100 dBm，窄带物理随机接入信道前导初始功率参数从-94 dBm调整到-104 dBm。

3.3 业务规则优化

由于导致亮灯失败的重要原因是同一时间接入同一基站的终端过多，因此市政部门也对问题区域的智慧路灯亮灯策略进行了精细化调整。对于路灯密集的区域进行错峰亮灯，即该区域内的路灯分两批亮灯，时间错开1 min，尽量减少同一时刻同一区域接入网络的路灯数量。同时，将智慧路灯再次亮灯触发时间缩短为半个小时，以提高二次触发亮灯的及时性。

业务规则优化是很重要一种办法，在保证客户需求的情况下，尽可能通过优化业务规则，减少同一时间内触发的业务量，减轻NB-IoT网络瞬时的接入负荷，是目前最行之有效的手段[10]。

4 效果展示

经过上述3个方面的优化，并进行了一段时间的跟踪统计，原后岭路和酒厂两个基站下智慧路灯亮灯率低的问题基本得到解决，以下分别从网络指标和业务指标两方面对优化效果进行对比展示。

4.1 网络指标对比

如图3所示，基站RRC连接成功率指标从优化前的95.02%提升到96.33%，提升1.31%；UE异常释放次数从优化前的90 000次下降到优化后的2 000次，下降了88 000次；基站无线掉线率从优化前的19.6%下降到1.98%，下降了17.62%。从网络指标上看，该项目区域内的基站指标提升非常大，优化效果十分明显。

图3 网络指标对比

4.2 业务指标对比

如图4所示，对比业务指标，智慧路灯系统总共有路灯3 725盏，根据后台管理平台统计，优化后18点亮灯3 431盏，亮灯率由70.30%达到92.10%，提升了21.80%，18点30分亮灯3 658盏，亮灯率由76.5%达到98.20%，提升了21.70%，19点所有路灯全亮，亮灯率由79.80%达到100.00%，提升了20.2%，。可见，优化后该“亮化工程”的整体业务指标提升也是非常明显的。

图4 业务指标对比

5 结 论

受益于物联网、大数据以及人工智能等技术的不断积累和快速升级，物联网产业链逐渐完善和成熟，中国的物联网市场已经进入了快速发展阶段。智能终端的数量在近年来呈现爆炸式增长，智慧停车、智慧电表以及智能家居等业务应用比比皆是，可以说物联网已经融入到了人们生产和生活的各个方面。而随着物联网业务的不断发展，随之而来的网络容量问题和网络干扰问题等也不容忽视。对于像智慧路灯这类并发接入终端较多的物联网业务，在保证网络信号强度及质量的前提下，减少并发接入终端数是保证业务指标良好的关键。通过话务均衡、参数优化以及业务规则优化的方法，能有效解决由业务并发引起的NB-IoT网络指标指标差和业务指标不合格等问题。