NB-IoT關鍵技術分析與優化實踐

0 NB-IoT概述

物聯網世界存在大量的傳感類、控制類連接需求，這些連接對速率要求很低，但對功耗和成本非常敏感，且分布很廣、海量，現有的3/4G技術從成本上無法滿足需求。目前2G雖然已在承擔一部分對功耗要求相對不高的業務需求，但明顯還有大量需求無法得到滿足，也不是長期發展的方案。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）成為萬物互聯網絡的一個重要分支，構建于蜂窩網絡，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡或LTE網絡，以降低部署成本，實現平滑升級。

1 NB-IoT關鍵技術

“低功耗”是NB-IoT技術具備的最大優勢之一。物聯網終端的工作環境相比較個人終端的工作環境要復雜得多，有些物聯網終端會部署在高溫高壓的工業環境中，有些則遠離城市、放置在人跡罕至的邊遠地區，還有一些可能深嵌地下或落戶在溪流湖泊之中，很多設備需要電池的長期供電來工作，由于地理位置和工作環境無法向它們提供外部電源，所以更換電池的成本也異常高昂，因此“低功耗”是保證他們持續工作的一個關鍵需求。在不少應用場景中，一小粒電池的電量需要維持某個終端“一生”的能量供給，因此能夠降低功耗的技術在NB-IoT中尤為重要。

1.1 PSM省電模式

PSM（PowerSaving Mode，省電模式），是3GPP R12引入的技術，其原理是允許UE在進入空閑狀態一段時間后，關閉信號的收發和AS（接入層）相關功能，這相當于關機，在此模式下，終端仍舊注冊在網但信令不可達，從而使終端能夠更長時間駐留在深睡眠，減少通信元器件（天線、射頻等）的能源消耗，達到省電的目的。

根據標準，終端的一個TAU周期最大可達310H（小時）；“空閑狀態”的時長最高可達到3.1小時（11160s）。

從技術原理可以看出，PSM適用于那些幾乎沒有下行數據流量或對下行業務時延沒有要求的應用場景。云端應用和終端的交互，主要依賴于終端自主性地與網絡聯系。在絕大多數情況下，云端應用是無法實時“聯系”到終端的。

表1 T3324參數配置取值表

配置原則和建議：

（1）如果對于下行業務有實時性要求，不建議開通PSM功能；如果不開通PSM功能，則不應有T3324參數。

（2）對于上報業務建議配置PSM，PSM Active Timer配置為8秒（包含三次尋呼機會）。

（3）對于有下行業務但不要求實時性的，PSM Active Timer配置為2分鐘并且配置eDRX周期為20.48s（提供多次下行傳輸機會）。

1.2 差異化TAU

終端需要周期性地做TAU，向網絡報告終端的在網狀態。但TAU過程耗電（紅色、藍色、黑色）遠大于PSM態的耗電（灰色），周期性的TAU會造成功耗增加，因此可以考慮結合業務及現網情況，配置差異化的TAU周期，來達到省電的目的。TAU與功耗相關的參數為T3412。

圖1 差異化TAU運行機制圖

配置原則和建議：

（1）T3412決定終端向網絡報告在網狀態的時間間隔，同時需兼顧功耗，在配置PSM模式且無主動觸發下行業務場景時，初步建議盡可能配置大的T3412（例如大于業務周期）。

（2）T3412（TAU周期）在標準中共217個值，綜合考慮業務情況和現網情況，在標準值基礎上進行篩選得出90個值，取值范圍54min～310小時，排除粒度過小值（秒級），同時遵循取值大于等于現網數值（54min）。

表2 T3412參數配置取值表

1.3 eDRX省電模式

eDRX（Extended idle mode DRX，擴展不連續接收模式），是3GPP R13引入的技術。R13之前已經有DRX技術，終端在待機態周期監聽尋呼消息，在PTW窗口內，終端監聽尋呼消息，在PTW窗口外，終端不監聽尋呼消息。eDRX是對原DRX技術的增強，支持的尋呼周期更長，從而達到節電的目的。

從技術原理可以看出，eDRX適用于下行數據傳送的需求相對較多，但允許終端接受消息有一定的延時，可根據設備是否處于休眠狀態決定緩存消息或者立即下發消息，如智能穿戴設備。

配置原則和建議：

（1）eDRXCycle建議基于業務的時延敏感度配置。對于時延小于20.48s的MT業務，不配置eDRX。建議eDRX周期根據業務需求分為20.48s、81.92s及163.84s三種。

（2）對于配置eDRX的業務，建議PTW配置為10.24秒，包含一次尋呼消息重發的機會（考慮核心網尋呼消息重發間隔6s）。

2 NB-IoT實踐與案例

2.1 A市智慧路燈優化案例

2.1.1 智慧路燈優化背景

目前A市在中南西路與環湖路路口部署了8個路燈，進行智慧路燈業務試點。分別在8個路燈下進行定點無線環境測試，信號良好，8個路燈全在覆蓋等級0的范圍。電平達到-70dbm，SINR達到20左右。

在調測過程中發現，在打開省電模式后，由于此場景并不適用，導致路燈上電后，嘗試對路燈進行控制時，發現下了指令之后，路燈響應時延普遍較長，有時候甚至無響應。

2.1.2 智慧路燈優化思路

圖2 A市智慧路燈試點分布

通過信令分析，發現下發了paging消息之后，會存在UE無響應的情況，等到周期性上報心跳數據時，才會把指令帶下來并響應。

圖3 智慧路燈信令消息一

圖4 智慧路燈信令消息二

而在初始附著的時候，MME下發attach accept的消息里，攜帶了PSM和eDRX的狀態。

圖5 智慧路燈信令消息三

因此初步懷疑是開啟PSM、eDRX狀態導致UE有不應答的情況，懷疑PSM、eDRX的開啟導致路燈響應時間延長，甚至長至超時定時器，故而導致無應答的情況。

2.1.3 智慧路燈調整建議

為了不耽誤演示進度，將PSM與EDRX同時關閉，進行復測，此時在attach accept消息里，不再攜帶PSM與EDRX的設定。

圖6 智慧路燈信令消息四

復測后，沒有再出現問題。

圖7 智慧路燈信令消息五

總結：PSM、eDRX技術能夠減少消息的交互，繼而節省能耗，這是NB-IoT中的關鍵技術。可與此同時，也犧牲了部分應用性能。所以，PSM、eDRX技術并不是在所有場景下均可適用，不可盲目開啟，需要根據實際情況配置，或可關閉或可修改計時器參數以適應目標場景。

2.2 C市智能水表優化分析

2.2.1 業務場景

規模：智能水表應用位于麗都城市花園和新橋東方花苑，總數約500個。

覆蓋距離：

新橋東方花苑：主要由2小區（分屬2個基站）覆蓋，基站距終端覆蓋距離分別約170米、420米。

麗都城市花園：主要由3小區（分屬2個基站）覆蓋，基站距終端覆蓋距離分別約310米、580米。

2.2.2 話務模型

通過核心網針對水表終端的IMSI跟蹤抓包，水表行為如下：

（1）UE分別在05：14及17：14主動上報數據，通過Control Plane Service Request，應用數據嵌入在InitialUEMessage中，上報兩次，數據包大小196字節和168字節。

（2）水表應用平臺收到終端上報數據后，發下行確認包，數據包大小55字節。終端如果收不到下行的確認數據，會每2秒搜索一次下行數據，一共搜索20次，共40秒，如果40秒都沒有收到下行數據，會間隔20分鐘后再重新上報，重復的次數為三次。

（3）UE在 15：15發 起 Tracking area update， 距 上 次UeContext Release 10小時。終端擴展TAU周期為10小時。

2.2.3 節電模式

水表在attach和TAU的過程中，會主動上報活動定時器T3324=10s，擴展TAU周期T3412_ext=20.48s，以及擴展eDRX=81.92s。

圖8 TAU Request消息

現網MME側設定：T3412=34min，T3324=60s。

通過與MME協商后，在TAU accept消息中下發T3324=120s，以避免PSM與eDRX參數沖突，T3412_ext=10h。

2.2.4 水表性能統計

通過提取后臺統計，水表區域的情況如下：

（1）覆蓋等級分布：CE0/CE1/CE2的分布分別為48.46%、33.04%、18.51%，覆蓋偏弱。

（2）RRC成功率：CE0/CE1/CE2的RRC成功率分別為97.31%、85.06%、44.44%。RRC總成功率83.48%。

統計顯示覆蓋偏弱，且RRC成功率偏低，尤其是CE2的成功率偏低。

2.2.5 參數優化

由于天線性能的差異，水表模組接收到的信號會比測試終端低20dB左右，加上現場水表鐵箱導致的信號衰減，致使水表接收到的信號普遍比較弱。因此初步懷疑模組在搜索網絡信號過程中，到了T3324設定的時間，還沒有完成接入就進入了PSM狀態，導致數據上報不成功。

修改建議：

（1）通過調整T3324，讓水表有更多的時間進行小區選擇，增加其數據上報的成功率。

（2）通過修改T3324，能夠增加模組的搜網時間，增加在網絡附著的成功率，提升上報率。

（3）通過修改小區駐留門限，可以改善模組駐留小區的無線環境，從而提升數據上報成功率。

12月29號針對覆蓋水表的2個小區進行參數調整，調整后RRC連接成功率如下圖所示。

圖9 調整前后RRC連接成功率趨勢

圖10 調整前后水表上報率趨勢

從指標統計可以看出RRC連接成功率均有提升，其中CE2的較為明顯；水表上報率也有明顯改善。

3 結束語

NB-IoT技術可滿足對低功耗、長待機、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業務，更適合靜態業務，以及對時延低敏感、非連續移動、實時傳輸數據的業務場景，適合于小數據量、低頻次、終端主動上報模式的應用，能夠充分利用低功耗的特性。

本文對NB-IoT的關鍵技術進行了剖析，重點結合現有的試驗網實踐結果，對實踐中遇到的問題及優化思路進行了分析，著重對低功耗、廣覆蓋方面的應用實踐進行了詳細分析。隨著NB-IoT對行業的不斷滲透，生態體系的不斷完善，其發展將給當今社會的各個層面帶來深遠的影響。