窄带物联网的无线网络优化方法研究

邓毅

【摘要】据汇总统计，到2020年，物联网连接数将达到300亿，市场空间将达到1.7万亿美元，窄带物联网（NB-IOT）应运而生。NB-IOT具有支持大规模连接、广覆盖、低功耗、低成本的特点，可以满足各种业务需求，是未来由运营商主导的巨大增长点。本文对窄带物联网优化方法和策略的研究进行了介绍。

【关键词】窄带物联网;多样性;无线网络优化

中图分类号：TN929                              文献标识码：A                            DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.03.003

优化现有的无线网络必须考虑两个方面：覆盖范围和容量。NB-IOT网络虽然具有低功耗、广覆盖、低成本、低速率等特点，但对窄带物联网的容量需求并不高，因此在规划NB网络时，需要重点关注如何提高覆盖率等方面。因此，覆盖优化可以分为三个阶段：计划优化、工程优化和运维优化。

1. 窄带物联网（IoT）技术发展现状

1.1 窄带物联网技术发展分析

作为物联网通信技术的重要组成部分，窄带物联网技术的现代化和创新受到业界的高度关注，并逐渐成为物联网通信领域的重点研究课题。合理利用窄带物联网技术有助于短距离通信传输和广域网通信传输，是3GPP标准组织提出的一种新型窄带蜂窝通信技术。在建立3GPP标准的过程中，要建立SI以增加新技术，在不断实践和研究的过程中准备技术报告，并根据技术报告中记录的研究结果设置相关工作项目。并且必须最终决定新技术。窄带物联网技术在其发展过程中也遵循这一基本过程。

1.2 维持窄带物联网技术产业链现状

随着时代的不断发展，物联网通信技术的发展取得了优异的成绩，移动终端的普及范围进一步扩大。近来，物联网通信技术正在从传统的人与人的通信向人与物的通信，甚至物与物的通信转变。在现代通信领域，窄带物联网技术的应用越来越普遍，成为物联网通信产业发展不可或缺的一部分。窄带物联网技术研发的主要目的是帮助解决远距离通信过程中遇到的各种问题，提高信号远距离通信，降低物联网通信能耗，从而有效解决问题。进一步提高多终端通信和信号远距离通信的效率和质量。

此外，针对目前窄带物联网技术的使用，完美实现了低能耗、低成本、高效率、高覆盖的基本特性，实际应用效果远高于其他类型物联网通信技术。它是一种新型便捷的通信技术，具有适应性强、传播范围广、传播效率高等优点。

2. 如何优化窄带物联网

2.1 技术原理

NB-IoT的覆盖优化可以从規划优化、工程优化、运维优化三个方面进行。规划优化主要考虑事前需求分析、规模估算、选址和规划模拟，还应考虑清频测试。工程优化主要考虑通过DT/CQT等方式完成单点部署，结合天馈调整、射频优化和参数优化，提高网络覆盖。代表射频优化和网络覆盖参数优化，提高覆盖。这三种优化针对不同的阶段，具有不同的侧重点，使用的优化方法也不同。

2.2 技术方案

2.2.1 优化方案

窄带物联网，根据物联网业务需求，确定规划目标，制定频率规划、覆盖规划、参数及传输需求规划等方面，并进行工程建设规划。大部分规划内容可以参考现有的GSM或LTE网络。由于窄带物联网带宽为180kHz，覆盖范围比现有的GSM900或同频段LTE网络更强，覆盖范围扩大100倍，最大增益20dBm。物联网通过现有网络进行，以降低投资成本，主要有三种部署方式：

带内：必须建在现有网络带宽内，增加现有设备功率，占用现有网络资源。

Out-of-Band Interval：置于现网带宽之外，与现网有频率间隔，功率独立配置，不依赖现网。

无带外间隔：置于现网带宽之外，与现网无频隙，提高现网设备功率，不占用现网资源。规划好频率、参数、施工方案后，就可以根据施工方案开始执行，然后优化项目。

2.2.2 项目优化

工程优化建设完成后，主要设备建设问题可以考虑升级现有设备或建设新的主要设备。在整个系统中，天馈系统非常重要。在选择天线时，坚持原则性能第一，同时要兼顾施工难度。NB-IOT业务功能，包括单站点场景下的业务功能、性能验证和覆盖验证，根据射频功能和覆盖功能的验证测试，以及多站点场景下的业务功能、覆盖和干扰性能验证。从测试结果对比规划参数设置，进行个性化修改以满足业务需求、覆盖需求等，完成项目优化。项目优化完成后交付使用，NBIOT基站接入网络供商业用户使用，开始运维优化。

2.2.3 运维优化

接入商用用户进入运维优化阶段，网络优化调优从覆盖优化和干扰优化转向邻区优化，重点保障用户服务质量。NB-IOT网络不需要一直连接，需求量小，因此很难收集NB终端上报的MR数据，进行类似于234G MR的覆盖评估。对此，本文重点介绍了窄带物联网运维的一套优化方法和策略。

2.3 优化策略

2G、3G、4G时代，除了穿越测试，还有MR覆盖评估系统，MR分析功能对上下行电平、上下行质量、上下行质量进行分析汇总。移动台上报的Test cell Timing Advance（Tadv）分布和链路平衡信息可以根据这些信息直观的了解小区的载频和覆盖范围和质量。无线电链路信息的系统处理和可视化显示有助于解决隐藏在网络中的众多缺陷。NB-IOT网络没有这个功能，但是NB-IOT的网络覆盖范围可以参考MR模式来分析。

根据协议，目前只有FDD-LTE系统支持NB-IOT技术。高层协议设计继续使用LTE协议，增强了小数据包、低功耗和大连接能力。核心网部分基于S1接口连接，支持独立部署和升级。因此，NB-IOT技术可以理解为FDDLTE技术的简化版。

考虑到物联网的部署特点，现有的接入技术不能满足深度覆盖的要求，同等条件下必须比已部署的GSM/LTE网络的场强20dB。上下行物理信道格式和调制规范的重新定义，使得上下行控制信息和业务信息可以在更窄的带宽上发送，从而在相同的发射功率下获得更大的功率谱密度（PSD）增益。因此，通过构建类比模型，可以通过将现网升级型NB-IOT网络的覆盖范围提高20dB来反馈NB网络的覆盖效果。

MR是从UE/NodeB/RNC上报的周期性测量报告或切换诱导事件报告中提取的信息，这些测量报告包括上行和下行无线链路，包括RSCP、ISCP、BLER和发射功率。定位网络问题、分析网络覆盖和优化邻居的无线基础。目前主要包括23个测量，主要分为专用测量和公共测量，根据测量对象可以分为UE测量、NodeB测量和RNC测量。其中，UE测量了12个，NodeB测量了9个，RNC测量了2个。这些测量集中在三个类别上：RSRP、RSRQ和定时提前（TaDv），可用于评估LTE小区的覆盖范围。可以根据不同场强区间的分布比例确定小区的大致覆盖范围，用于识别小区的盲点/弱覆盖区域，通过信源的RSRP进行导频污染分析。

参考信号接收质量（RSRQ）。E-UTRA载波RSSI是UE从所有资源块源观察到的总接收功率（w）的线性平均值，包括公共信道服务和非服务小区信号、相邻信道干扰、热噪声等。RSRQ是信号强度和干扰的组合。该数据可用于判断基站下行参考信号的接收质量，以及判断和分析小区间切换和重选。

时间推进（Tadv）。用户设备用于调整其主小区的上行传输时间。测量数据可用于确定UE与基站的距离，实现小区覆盖分析，调查基站覆盖区域是否合理，是否存在过覆盖、阴影覆盖等问题。

在随机接入过程中，eNodeB通过测量接收到的导频信号确定时间提前量，时间提前量的取值范围为（0，1，2，1282）16ts;在RRC连接状态下，eNodeB基于测量对应ue的上行传输来确定每個UE的ta调整值，范围为（0，1，2，63）16Ts。这次获得的时间提前量是上次记录的时间提前量与该eNodeB测量的调整值之和。假设在现有的网络磁共振统计中，某一点的RSRP强度为AdBm。那么，NB-IOT网络此时的RSRP强度B可以写成：B=AdBm+20Db（公式1）。一般来说，覆盖率是由大于某个值的磁共振统计量来衡量的。例如某基站小区（RSRP100）的MR覆盖率为90%。然后，基于公式1，可以简单地认为NB小区（RSRP80）的覆盖率为90%。因此，通过公式1作为介质，可以计算所有NB小区的MR覆盖率。对于覆盖距离，基于现有网络Tadv，通过链路预算计算最大道路损耗MAPL。MAPL=（发射功率增益发射损耗）+（接收增益接收损耗灵敏度）-其他损耗简化后：L=42.6+26lgd+20lgf（公式2）。基于以上，在频率固定的情况下，路径损耗增加20dB，覆盖距离可以扩大100倍。因此，窄带物联网的覆盖能力远高于现有的GSM/LTE网络。

综述，在评估NB-IOT网络的覆盖范围时，可以用现有网络的覆盖范围来表征。例如，NBIoT网络RSRP-100dBm的统计覆盖率可以参考现有网络LTE_RSRP-120dBm的覆盖率来呈现，该方法是目前反映NB-IOT覆盖指数最有效的方法之一。

3. 结语

作为蜂窝物联网新技术，NB-IOT是目前国内运营商密切关注的业务增长点。在物联网市场，谁能更快建网，提供更好的网络服务，谁就一定能在庞大的物联网市场中分得最大的“蛋糕”。那么，从建设到优化阶段，借鉴现有网络优化的经验，将有助于NB_IoT快速建立网络运营。

参考文献：

[1]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.

[2]吴细刚.NB-IoT从原理到实践[M].北京：电子工业出版社，2017.

[3]塞西亚，陶菲克，贝克.国际先进通信技术译丛·LTE/LTEAdvanced：UMTS长期演进理论与实践[M].马霓，夏斌，译.北京：人民邮电出版社，2012.