NB-IoT無線網絡優化的特點及方法

劉學武

（中國聯通泰安市分公司，山東 泰安 271000）

0 引 言

目前，物聯網終端大部分通過無線方式接入，根據具體業務要求和覆蓋距離不同，在室內場景一般可以采用藍牙、WiFi等；在應用最廣的長距離（幾百米到幾公里）場景，一般采用移動通信網絡接入，稱為“蜂窩物聯網”。窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）作為蜂窩物聯網領域的新興技術，在覆蓋范圍、連接數、功耗、成本等方面有相當大的進步，在低速物聯網場景得到廣泛應用[1]。

1 NB-IoT網絡關鍵技術及網絡架構

NB-IoT無線網絡優化特點與其關鍵技術和網絡架構都有直接關系。

1.1 NB-IoT網絡的關鍵技術

NB-IoT的關鍵技術包括以下四種：

（1）廣覆蓋關鍵技術：通過上行功率譜密度提升和重復編碼技術，使得NB-IoT網絡覆蓋允許的下行損耗可達164 dB[2]。

（2）大連接關鍵技術：采用物理層簡化的窄帶技術提升信道容量、簡化交互信令流程，以減少空口信令開銷并提升頻譜效率[3]，同時采用基站側、核心網側的數據緩存優化等技術，最終實現每個小區5萬以上的終端容量。

（3）低功耗關鍵技術：通過節能模式PSM技術，使得NB-IoT終端電能消耗大幅降低。其他還包括擴展周期不連續接收的EDRX、只支持小區重選的移動性管理等降功耗技術[4]。

（4）低成本關鍵技術：包括低復雜度的窄帶系統基帶、半雙工、單天線等。

1.2 NB-IoT的網絡架構和頻率部署模式

NB-IoT主要基于LTE網絡，在整體無線接入網絡架構上與LTE相同。從投資效益考慮，實際建設方式一般不是新建網絡，主要采用LTE/NB-IoT多模共建方式，直接利用多模LTE設備、天饋線系統，在小區開通NB-IoT網絡。當然這樣會由于NB-IoT、LTE網絡共天線，增加多網協同優化難度。

從頻率部署方式看，NB-IoT的工作頻帶涵蓋了LTE支持的各頻段，部署模式可以分為獨立部署、保護帶內部署、帶內部署三種[5]，如圖1所示。隨著GSM網絡逐步退網，可以在GSM頻率重耕基礎上獨立部署NB-IoT以滿足性能需求。

圖1 NB-IoT頻率部署模式

2 NB-IoT網絡優化特點及方法

由于NB-IoT網絡采用了一系列新技術，涉及新的應用場景、新型的終端，因此在其網絡優化上有自身的特點。

2.1 覆蓋優化

無線網絡優化最基礎的就是覆蓋優化。NB-IoT在覆蓋優化上與LTE網絡類似，主要是對RSRP/SINR等電平、信噪比指標的優化。通過空閑態DT測試和定點測試可以測出覆蓋位置信號強弱及質量，以及小區重選是否正常。測試時需連接專用的NB-IoT模組。

雖然NB-IoT有多種覆蓋增強技術，但是考慮到物聯網終端的靜止性以及安裝位置的特殊性（如埋在地下），一旦有覆蓋盲區，將使業務一直不可用；有的應用場景（例如車位監測在有車和無車時）信號強度差異很大；另外，不同的業務有不同的邊緣速率要求，對應不同的覆蓋需求；同時物聯網終端差異性大，導致接收靈敏度也有很大不同。因此需要針對覆蓋測試的結果通過功率和天饋系統調整、站點結構優化或結合宏站、微站協同規劃補充站點來滿足覆蓋需求。在進行天線優化時需特別關注NB-IoT、LTE網絡共天線可能導致的對LTE網絡的影響，盡量在保證LTE網絡感知的前提下進行均衡調整。

2.2 干擾優化

NB-IoT使用頻率來源于LTE或GSM網絡，網絡中同樣存在系統內和系統外的無線信號干擾。系統內干擾主要是NB-IoT站點因覆蓋距離較遠導致其同頻自干擾更為明顯；另外NB-IoT與LTE共頻段部署會導致底噪抬升等干擾問題，以及其他無線系統導致的阻塞、雜散干擾等。外部干擾比較復雜，現網中比較多的干擾源包括私裝的信號放大器、公安電子圍欄設備等。

無線干擾優化與其他無線系統干擾排查類似，通過指標統計發現干擾大的小區，對因網絡結構不合理導致的重疊覆蓋干擾可以進行PCI優化或異頻組網；對其他系統的干擾，可以考慮進行天線隔離度的整治、增加濾波器；對外部干擾就要現場用頻譜分析儀并結合有指向性的天線進行“掃頻”，發現干擾源的位置并協調處理。外部干擾難以排查時也可以通過異頻組網規避。

2.3 接入及容量優化

NB-IoT物聯網無線接入性能優化首先要關注attach附著成功率、attach附著時延指標以及RRC接入成功率、RRC建立時延等[6]。這些相關指標可以通過現場測試的信令過程或后臺統計。圖2是一個實際的NB-IoT終端信令流程截圖。

圖2 NB-IoT終端信令流程

物聯網小區容量包含用戶數和并發兩方面。相比LTE網絡，NB-IoT在業務停止時可以啟動掛起省電流程，也就是NB網絡中大量終端處于休眠狀態，一旦有業務要求，終端立即進入激活狀態，快速恢復無線承載。這種掛起/恢復流程是NB-IoT特有的，需要采取針對性優化措施。而NB-IoT容量估算和優化最重要的是確定終端的業務模型，根據單次接入發包過程的空口信令交互和掛起恢復的間隔、占用各信道的時間、各信道的容量等進行計算。不同業務模型的容量差距巨大。根據3GPP TR45.820 的附錄Annex E，對于Traffic Models容量模型評估抄表類業務，每小區能夠支持約5萬個連接[7]；而對于共享單車類業務十幾秒就需要傳輸數據，則每小區只能支持2 000個左右的終端（非并發）。

優化流程大致包含以下步驟：（1）根據業務模型計算每天單用戶發起業務的次數即發包頻率，以及發包數據大??；（2）從用戶分布模型計算不同覆蓋等級的比例；（3）根據不同覆蓋等級的重發次數，分別分析上下行開銷；（4）分別計算上行和下行業務信道容量、尋呼容量、隨機接入容量；（5）最后綜合考慮不同容量的受限結果作為極限容量，按需擴容[8]。

2.4 鄰區優化

NB-IoT系統現階段只支持空閑態同頻/異頻小區重選，不支持連接態的切換[9]。因此傳統的LTE網絡一般需要多加鄰區以保證業務的連續性（比如加三層鄰區），而NB小區只需要添加一層鄰區即可。

2.5 速率及時延優化

現階段NB-IoT物聯網對于速率要求較低，因此速率優化以業務基本滿足為主，測試時主要關注ping包的成功率、時延、上下行速率是否正常。目前大部分小流量物聯網業務對時延的容忍度比較高，在滿足時延基本需求的基礎上，時延對物聯網感知影響不大。表1是常見的物聯網業務類型的特性對應流量和時延，可根據業務類型進行適應性優化。

表1 常見物聯網業務特性

3 NB-IoT終端與網絡適配優化

終端與網絡的適配在傳統3G/4G移動網絡中問題較小，因為手機的標準化程度高，應用場景也比較一致。但在NB-IoT網絡中終端芯片、模組與網絡的匹配則需要特別關注，因為物聯網終端涉及模組、芯片、集成廠家等，終端成熟度不足，產品的規范性不好，市售終端質量良莠不齊，而應用場景的交互動作又千差萬別。

根據實際優化經驗，主要考慮以下四個方面：（1）終端及協議優化：例如有的終端產品沒有功率控制機制，始終保持最大功率發射導致網絡底噪抬升，甚至不可用；（2）模組機制優化：模組的重連機制可能需要根據業務應用進行適應性優化，如重新嘗試附著的時間間隔、終端并發業務的錯峰上報機制等；（3）芯片功能性能匹配優化：例如為降低成本，協議定義的NB芯片類型簡化了功放頻帶，可以只支持一個頻段，比如900 MHz也是符合規范的，如果運營商現網開通的是1 800 MHz NB-IoT網絡，則相應NB-IoT終端至少應支持900 MHz/1 800 MHz雙頻且能夠自適應；（4）網絡參數優化：要適配終端和業務需求設置重選門限、在線計時器等。

為了保障網內終端的產品質量，有必要在NB-IoT終端批量入網前進行相關性能檢測，包括兼容性測試、終端射頻性能測試（如接收靈敏度）、功耗性能測試等。

4 NB-IoT端到端優化方法和工具

從上述分析可以看出，物聯網業務種類、應用場景繁多，不同的物聯網業務對網絡要求的側重點完全不同，因此NB-IoT的網絡優化重在個性化，這與傳統移動通信網絡明顯不同。例如，共享單車和水電燃氣抄表對網絡優化的需求就有很大差異[10]，如果引入車聯網等就又是另外的優化要求。

NB-IoT網絡端到端產業鏈條長，涉及產品多，整個業務過程與模組終端、無線網絡、核心網、IoT平臺、應用服務器等多網元相關，且物聯網終端數量多、普遍上報周期長，問題發生后不會像傳統的網絡一樣有用戶及時反饋?；趥鹘y的問題分析方法和優化模式很難快速定位NB-IoT的網絡問題。NB-IoT的端到端系統架構如圖3所示。

圖3 NB-IoT網絡系統架構

為滿足物聯網個性化優化需求，需要有針對性更強的NB-IoT端到端優化方法和工具：（1）優化分析要通過多平臺采集多維度數據，經過傳輸、空口通道以及核心、基站、終端等端到端網元聚類分析，完成問題定位和解決方案制定；（2）鑒于物聯網端到端分析的復雜性，因此有必要將物聯網IoT平臺、物聯網終端（或芯片）抓包工具都納入優化必備工具平臺范圍，以利于優化工作順利開展。

5 結 語

隨著窄帶物聯網的普及應用，NB-IoT無線網絡的優化也越發重要，需要針對其特點采取相應的優化方法，無線方面包括覆蓋、干擾、容量、接入、鄰區優化、速率及時延等的優化；還要特別注意終端差異、環境差異、終端與網絡的適配等；同時需要關注端到端的優化方法和工具。