NBIoT網(wǎng)絡覆蓋性能評價與優(yōu)化.doc

NB-IoT網(wǎng)絡覆蓋性能評估與優(yōu)化周紅崗1 郭寶1 張陽2（1中國移動通信集團山西有限公司，太原 030032；2 中國移動通信集團公司，北京 100033）摘要：NB-IoT由于其功率譜密度、重傳的技術特點，可實現(xiàn)較GSM系統(tǒng)20dB的覆蓋增強能力，但是相應的終端芯片能力弱、單天線設置以及窄帶寬設置，導致其抗干擾能力較差。本文主要闡述NB-IoT網(wǎng)絡覆蓋性能的評估及優(yōu)化方法，針對現(xiàn)網(wǎng)發(fā)現(xiàn)的弱覆蓋、重疊覆蓋現(xiàn)象給出功率優(yōu)化，異頻組網(wǎng)以及干擾規(guī)避的解決方案。關鍵詞：重疊覆蓋；上行干擾；異頻組網(wǎng)中圖分類號 TN929.5 文獻標識碼 A NB-IoT network coverage performance evaluation and optimizationZHOU Hong-gang 1 , GUO Bao 1，ZHANG Yang 2 (1 China Mobile Group Shanxi Co., Ltd., Taiyuan 030032, China; 2 China Mobile Group Co., Ltd., Beijing 100033, China) Abstrct：Due to its power spectral density and retransmission technology, NB-IoT can achieve 20dB coverage enhancement over GSM systems. However, the weak terminal chip capabilities, single-antenna configuration, and narrow bandwidth settings result in poor anti-interference capability. This article mainly describes the evaluation and optimization methods of NB-IoT network coverage performance. For the weak coverage and overlapping coverage found on the existing network, power optimization, inter-frequency networking, and interference avoidance solutions are provided.Key words：atmospheric duct；special sub-frame；time division duplex；power control窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是低功耗廣域（LPWA）網(wǎng)絡的典型技術，其技術特點是廣覆蓋、低功耗（超長待機）、低成本與海量連接。由電磁波傳播特性決定傳播特性好的低頻段優(yōu)質頻譜可以大幅減少建網(wǎng)成本，對于只支持頻分雙工（FDD）的NB-IoT系統(tǒng)，采用700MHz頻段所用站點遠低于1900MHz或2600MHz的站點。目前3GPP R13協(xié)議中定義的FDD優(yōu)先頻段中，UMTS主要使用BAND1（上行19201980MHz，下行21102170MHz），GSM主要使用BAND8（上行880915MHz，下行925960MHz）、BAND3（上行17101785MHz，下行18051880MHz）。為了更好地推動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，同時節(jié)省建網(wǎng)成本，使用戶更快速地使用物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，可考慮將目前的GSM 900MHz頻段做部分清退來部署NB-IoT網(wǎng)絡。NB-IoT的傳輸帶寬為180kHz，在與LTE頻譜共存的時候存在3種部署模式，分別為獨立模式，帶內和保護帶模式。本文重點討論使用BAND8頻段的NB-IoT獨立模式。1 NB-IoT覆蓋性能評估NB-IoT覆蓋性能主要依靠覆蓋率指標、干擾類指標、重疊覆蓋率來評估。NB-IoT評估體系需建立在NB-IoT單站驗證完成，且相應的性能指標可支撐分析的基礎上。1.1 覆蓋率指標覆蓋率指綜合接收場強和信干比，描述全網(wǎng)的覆蓋情況。覆蓋率=條件采樣點/總采樣點*100；NB-IoT道路測試要求的覆蓋率采樣點須滿足：RSRP = -84dBm，SINR=-3dB。平均RSRP，參考信號平均接收電平，從參考信號平均接收信號與干擾噪聲比角度，評估全網(wǎng)的平均干擾強度。邊緣RSRP，取RSRP中CDF等于5%的值，如果邊緣RSRP太低，不能達到網(wǎng)絡最低覆蓋要求；如果邊緣RSRP過高，小區(qū)間干擾也會嚴重；故NB-IoT更加重視利用邊緣覆蓋電平，來評估小區(qū)邊緣的覆蓋。RSRP連續(xù)弱覆蓋比例，NB-IoT連續(xù)弱覆蓋里程/NB-IoT測試里程*100%，評估路測中參考信號RSRP接收功率情況，反映服務小區(qū)覆蓋的主要指標；其中：弱覆蓋里程的定義為持續(xù)10s 70%的采樣點路段滿足RSRP - 84 dBm。 1.2 干擾類指標平均RS-SINR，參考信號平均接收信號與干擾噪聲比，從參考信號平均接收信號與干擾噪聲比角度，評估全網(wǎng)的平均干擾強度。邊緣RS-SINR，參考信號平均接收信號與干擾噪聲比取CDF（累計概率分布）5%對應的值，從參考信號平均接收信號與干擾噪聲比角度，評估全網(wǎng)各小區(qū)邊緣的干擾強度。連續(xù)SINR質差里程占比，連續(xù)SINR質差里程/NB-IoT測試里程*100%，評估RS-SINR質差里程；其中：SINR質差里程定義為持續(xù)10s且70%的采樣點CRS-SINR=4的采樣點/總采樣點*100%；重疊覆蓋度指與最強信號電平差距在6dB范圍內的電平數(shù)量，且最強信號RSRP-84重疊覆蓋度=4，即認為存在較嚴重的重疊覆蓋情況；從參考信號平均接收信號電平角度，評估服務小區(qū)覆蓋范圍內強信號鄰區(qū)疊加的程度。重疊覆蓋里程占比，道路重疊覆里程占比 = 連續(xù)重疊覆蓋度=4的里程/總測試里程 * 100%；評估全網(wǎng)內重疊覆蓋里程占比，一定程度上反映網(wǎng)絡建設合理性。Mod3沖突采樣點比例=Mod3沖突采樣點小區(qū)數(shù)量/采樣點測量到的鄰區(qū)數(shù)量總數(shù)*100% ，最強信號RSRP門限=-84，PCI = 3* Group ID ( S-SS)+ Sector ID (P-SS)，如果PCI mod 3值相同的話，就會造成P-SS的干擾；實際網(wǎng)絡必然中存在兩鄰區(qū)PCI模3無法錯開的情況。模3會造成CRS信號相互干擾，使SINR降低；重疊覆蓋和模3干擾同時存在，以重疊覆蓋影響為主。2 NB-IoT覆蓋性能優(yōu)化2.1 弱覆蓋優(yōu)化NB-IoT定點測試中可能會發(fā)現(xiàn)部分室內環(huán)境的NB-IoT覆蓋性能較差。某市實地測試中，大型商場一層顯示NB-IoT使用絕對無線頻率信道號（EARFCN）3738，其RSRP值為-110dBm，SINR為-4.10dB，不能完成Attach附著測試。當行進到一層縱深25m處，RSRP惡化至-123.3dBm，SINR急降至-13.7dB，測試儀表顯示已脫網(wǎng)。但是，從電子地圖上計算該測試終端與最近的NB-IoT基站只有687m。由于現(xiàn)階段NB-IoT規(guī)劃中并不包括室分基站，部分室內環(huán)境可能比仿真要差很多。道路測試中也會發(fā)現(xiàn)大片弱覆蓋情況，如圖1所示，城坊街與新創(chuàng)巷交叉口區(qū)域弱覆蓋嚴重，UE行駛至城坊街與新創(chuàng)巷交叉路口由南到北方向時，由于原附近規(guī)劃站點被替換，導致UE占用較遠站點A2_XH樞紐樓HNN_H-66信號，電平為-96dBm，影響整體到了覆蓋。圖1 NB-IoT弱覆蓋嚴重路段測試圖NB-IoT網(wǎng)絡中無需配置功率相關的PA，PB參數(shù)；3GPP R13協(xié)議規(guī)定了1T（1端口發(fā)射）和2T（2端口發(fā)射）下的資源粒子（RE）與參考信號（RS）的功率關系如下。（1）1T場景如圖2所示，導頻功率與數(shù)據(jù)域RE功率相同；NB-IoT總功率=RS功率（mW）*12（如導頻功率為32dBm，總功率=20W）；NPBCH RE功率=RS功率 NPDCCH RE功率= RS功率。圖2 1T場景RE與RS功率關系示意圖（2）2T場景如圖3所示，導頻功率是數(shù)據(jù)域RE功率一倍，即NB-IoT總功率=RS功率(mw)/2*12；（如導頻功率為32dBm，總功率=2*10W）；NPBCH RE功率=RS功率/2 NPDCCH RE功率= RS功率/2。圖3 2T場景RE與RS功率關系示意圖以某主設備為例，目前NB-IoT網(wǎng)絡是2T4R和2T2R兩種，功率規(guī)格是2X10W，單端口PORT 10W對應40dBm；12個子載波均分功率，可得（10*log（12）=10.8）；單端口PORT的RS功率=40dBm10.8 dB = 29.2dBm；因為是2T，所以加3dB，最終RS最大為32.2dBm。優(yōu)化方案：將道路測試中占用小區(qū)的功率提升，由之前的29.2dBm提升至32.2dBm。參數(shù)修改后對該路段進行復測，占用同樣小區(qū)的RSRP值由之前的平均-96dBm提升到-88dBm，覆蓋率有明顯改善。2.2 重疊覆蓋優(yōu)化GSM網(wǎng)絡是異頻組網(wǎng)，過覆蓋現(xiàn)象較為嚴重。NB-IoT、LTE FDD和未來的5G網(wǎng)絡均是同頻網(wǎng)絡，如果繼承原有GSM網(wǎng)絡結構，會導致嚴重的同頻干擾。同時，為了面向未來VoLTE、視頻等業(yè)務的發(fā)展要求，900MHz網(wǎng)絡必須面向目標網(wǎng)重新統(tǒng)一規(guī)劃，確保網(wǎng)絡結構合理。NB-IoT按照同頻組網(wǎng)進行目標網(wǎng)規(guī)劃，初期在高干擾的局部地區(qū)可采用異頻的方式規(guī)避干擾；異頻組網(wǎng)時中心頻點分別設置為953.4MHz、953.6MHz、953.8MHz，即原GSM系統(tǒng)的92/93/94號頻點，在NB-IoT系統(tǒng)對應為3734、3736、3738號頻點。選取NB-IoT現(xiàn)網(wǎng)道路測試中SINR較差且集中的區(qū)域，實施異頻后的NB-IoT覆蓋測試效果對比如圖4所示。圖4 NB-IoT重疊覆蓋嚴重區(qū)域實施異頻組網(wǎng)從統(tǒng)計結果可以發(fā)現(xiàn)，NB-IoT覆蓋率（RSRP=-94dBm & SINR=-3）與SINR值，在實施異頻組網(wǎng)后有明顯的提升，如表1所示。表1 NB-IoT異頻組網(wǎng)實施效果對比NB-IoT組網(wǎng)方式覆蓋率(RSRP=-94&SINR=-3)平均SINR平均RSRP同頻組網(wǎng)75.245.71-77.66異頻組網(wǎng)94.8913.83-71.663 NB-IoT干擾優(yōu)化3.1 NB-IoT干擾分類NB-IoT網(wǎng)絡干擾主要由系統(tǒng)內干擾與系統(tǒng)外干擾引起。系統(tǒng)內干擾主要由NB-IoT網(wǎng)絡沿襲LTE網(wǎng)絡架構的同頻組網(wǎng)，其特有的窄頻帶導致較高的發(fā)射功率，再結合NB-IoT與GSM合設天饋部分，導致系統(tǒng)內下行重疊覆蓋率過高，引起較高的系統(tǒng)內下行干擾。系統(tǒng)外干擾主要是NB-IoT使用BAND8的953.8MHz（上行中心頻點為908.8MHz，下行中心頻點為953.8MHz），周邊面臨原有GSM網(wǎng)絡環(huán)繞，2G網(wǎng)絡私裝直放站及對講機二次諧波干擾都對NB-IoT上行造成較大的干擾。以某試驗區(qū)為例，目前開通的1929個NB-IoT小區(qū)，33.96%小區(qū)存在干擾，其中17.52%小區(qū)存在中等干擾。通過對典型站點進行48h頻譜掃描，發(fā)現(xiàn)底噪持續(xù)很高，與業(yè)務忙閑時段無關，經(jīng)排查是私裝直放站全帶寬放大導致。對講機的二次諧波的干擾：對講機在400470MHz工作，其二次諧波完全落入900MHz頻段。由于私裝直放站是全帶寬干擾，NB-IoT與GSM 900MHz共同使用BAND8頻段，私裝直放站產(chǎn)生的干擾同樣影響到NB-IoT網(wǎng)絡。由系統(tǒng)外干擾造成的底部噪聲抬升，影響基站靈敏度。如果底噪抬升20dB，靈敏度就會惡化20dB，路損就會減少20dB，從而導致覆蓋收縮。3.2 NB-IoT干擾優(yōu)化NB-IoT抗干擾能力不足，主要原因有終端芯片能力弱，無法實現(xiàn)復雜的干擾規(guī)避調度算法；終端單天線，半雙工配置，無法實現(xiàn)GSM的干擾分集抑制；NB-IoT是200kHz的窄帶系統(tǒng)，抵抗900MHz的寬帶私裝干擾技術能力不足。NB-IoT干擾優(yōu)化可從以下幾個方面進行。（1）常規(guī)手段排查。上行頻段底噪來源于大量私裝直放站，組織開展干擾排查，對私裝直放站進行定位、協(xié)調關停工作；利用新型室分等創(chuàng)新手段，解決弱覆蓋區(qū)域的深度覆蓋問題。（2）系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。通過實施NB-IoT異頻組網(wǎng)及PCI優(yōu)化緩解干擾。相比傳統(tǒng)方式，NB-IoT支持更多次數(shù)的重傳，以緩解干擾帶來的誤碼。NB-IoT相對于GSM可以做到20dB的覆蓋擴展（MCL從144dB擴展到164dB），相對于LTE可以做到24dB的覆蓋擴展（MCL從140dB擴展到164dB）。NB-IoT覆蓋增強主要依靠重傳帶來的增益，相比傳統(tǒng)方式，NB-IoT支持更多次數(shù)的重傳，以緩解干擾帶來的誤碼。（3）站點規(guī)劃方案。增加規(guī)劃站點數(shù)，控制站間距、天線掛高和方向規(guī)劃，增強上行有用信號強度以抵抗干擾。因NB-IoT室內部署區(qū)域不同于GSM語音業(yè)務終端，需要考慮更多穿透損耗（地下、管道、隱蔽角落），同時需要考慮終端盒子損耗(68dB)等，按照MCL164dB部署，對比GSM實際覆蓋增強約10dB。上行底噪抬升，會帶來上行解調門限升高，進而會影響單站覆蓋半徑。上行底噪抬升越大， NB-IoT基站覆蓋半徑越小。按底噪抬