NBIoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化.doc

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能評(píng)估與優(yōu)化周紅崗1 郭寶1 張陽2（1中國移動(dòng)通信集團(tuán)山西有限公司，太原 030032；2 中國移動(dòng)通信集團(tuán)公司，北京 100033）摘要：NB-IoT由于其功率譜密度、重傳的技術(shù)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較GSM系統(tǒng)20dB的覆蓋增強(qiáng)能力，但是相應(yīng)的終端芯片能力弱、單天線設(shè)置以及窄帶寬設(shè)置，導(dǎo)致其抗干擾能力較差。本文主要闡述NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的評(píng)估及優(yōu)化方法，針對(duì)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(guān)鍵詞：重疊覆蓋；上行干擾；異頻組網(wǎng)中圖分類號(hào) TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(luò)的典型技術(shù)，其技術(shù)特點(diǎn)是廣覆蓋、低功耗（超長待機(jī)）、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(zhì)頻譜可以大幅減少建網(wǎng)成本，對(duì)于只支持頻分雙工（FDD）的NB-IoT系統(tǒng)，采用700MHz頻段所用站點(diǎn)遠(yuǎn)低于1900MHz或2600MHz的站點(diǎn)。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(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，同時(shí)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(wù)，可考慮將目前的GSM 900MHz頻段做部分清退來部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。NB-IoT的傳輸帶寬為180kHz，在與LTE頻譜共存的時(shí)候存在3種部署模式，分別為獨(dú)立模式，帶內(nèi)和保護(hù)帶模式。本文重點(diǎn)討論使用BAND8頻段的NB-IoT獨(dú)立模式。1 NB-IoT覆蓋性能評(píng)估NB-IoT覆蓋性能主要依靠覆蓋率指標(biāo)、干擾類指標(biāo)、重疊覆蓋率來評(píng)估。NB-IoT評(píng)估體系需建立在NB-IoT單站驗(yàn)證完成，且相應(yīng)的性能指標(biāo)可支撐分析的基礎(chǔ)上。1.1 覆蓋率指標(biāo)覆蓋率指綜合接收?qǐng)鰪?qiáng)和信干比，描述全網(wǎng)的覆蓋情況。覆蓋率=條件采樣點(diǎn)/總采樣點(diǎn)*100；NB-IoT道路測(cè)試要求的覆蓋率采樣點(diǎn)須滿足：RSRP = -84dBm，SINR=-3dB。平均RSRP，參考信號(hào)平均接收電平，從參考信號(hào)平均接收信號(hào)與干擾噪聲比角度，評(píng)估全網(wǎng)的平均干擾強(qiáng)度。邊緣RSRP，取RSRP中CDF等于5%的值，如果邊緣RSRP太低，不能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最低覆蓋要求；如果邊緣RSRP過高，小區(qū)間干擾也會(huì)嚴(yán)重；故NB-IoT更加重視利用邊緣覆蓋電平，來評(píng)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(cè)試?yán)锍?100%，評(píng)估路測(cè)中參考信號(hào)RSRP接收功率情況，反映服務(wù)小區(qū)覆蓋的主要指標(biāo)；其中：弱覆蓋里程的定義為持續(xù)10s 70%的采樣點(diǎn)路段滿足RSRP - 84 dBm。 1.2 干擾類指標(biāo)平均RS-SINR，參考信號(hào)平均接收信號(hào)與干擾噪聲比，從參考信號(hào)平均接收信號(hào)與干擾噪聲比角度，評(píng)估全網(wǎng)的平均干擾強(qiáng)度。邊緣RS-SINR，參考信號(hào)平均接收信號(hào)與干擾噪聲比取CDF（累計(jì)概率分布）5%對(duì)應(yīng)的值，從參考信號(hào)平均接收信號(hào)與干擾噪聲比角度，評(píng)估全網(wǎng)各小區(qū)邊緣的干擾強(qiáng)度。連續(xù)SINR質(zhì)差里程占比，連續(xù)SINR質(zhì)差里程/NB-IoT測(cè)試?yán)锍?100%，評(píng)估RS-SINR質(zhì)差里程；其中：SINR質(zhì)差里程定義為持續(xù)10s且70%的采樣點(diǎn)CRS-SINR=4的采樣點(diǎn)/總采樣點(diǎn)*100%；重疊覆蓋度指與最強(qiáng)信號(hào)電平差距在6dB范圍內(nèi)的電平數(shù)量，且最強(qiáng)信號(hào)RSRP-84重疊覆蓋度=4，即認(rèn)為存在較嚴(yán)重的重疊覆蓋情況；從參考信號(hào)平均接收信號(hào)電平角度，評(píng)估服務(wù)小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)強(qiáng)信號(hào)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(cè)試?yán)锍?* 100%；評(píng)估全網(wǎng)內(nèi)重疊覆蓋里程占比，一定程度上反映網(wǎng)絡(luò)建設(shè)合理性。Mod3沖突采樣點(diǎn)比例=Mod3沖突采樣點(diǎn)小區(qū)數(shù)量/采樣點(diǎn)測(cè)量到的鄰區(qū)數(shù)量總數(shù)*100% ，最強(qiáng)信號(hào)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(huì)造成P-SS的干擾；實(shí)際網(wǎng)絡(luò)必然中存在兩鄰區(qū)PCI模3無法錯(cuò)開的情況。模3會(huì)造成CRS信號(hào)相互干擾，使SINR降低；重疊覆蓋和模3干擾同時(shí)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(diǎn)測(cè)試中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)部分室內(nèi)環(huán)境的NB-IoT覆蓋性能較差。某市實(shí)地測(cè)試中，大型商場(chǎng)一層顯示NB-IoT使用絕對(duì)無線頻率信道號(hào)（EARFCN）3738，其RSRP值為-110dBm，SINR為-4.10dB，不能完成Attach附著測(cè)試。當(dāng)行進(jìn)到一層縱深25m處，RSRP惡化至-123.3dBm，SINR急降至-13.7dB，測(cè)試儀表顯示已脫網(wǎng)。但是，從電子地圖上計(jì)算該測(cè)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(nèi)環(huán)境可能比仿真要差很多。道路測(cè)試中也會(huì)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(yán)重，UE行駛至城坊街與新創(chuàng)巷交叉路口由南到北方向時(shí)，由于原附近規(guī)劃站點(diǎn)被替換，導(dǎo)致UE占用較遠(yuǎn)站點(diǎn)A2_XH樞紐樓HNN_H-66信號(hào)，電平為-96dBm，影響整體到了覆蓋。圖1 NB-IoT弱覆蓋嚴(yán)重路段測(cè)試圖NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中無需配置功率相關(guān)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(hào)（RS）的功率關(guān)系如下。（1）1T場(chǎng)景如圖2所示，導(dǎo)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(dǎo)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(chǎng)景RE與RS功率關(guān)系示意圖（2）2T場(chǎng)景如圖3所示，導(dǎo)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(dǎo)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(chǎng)景RE與RS功率關(guān)系示意圖以某主設(shè)備為例，目前NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是2T4R和2T2R兩種，功率規(guī)格是2X10W，單端口PORT 10W對(duì)應(yīng)40dBm；12個(gè)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?yàn)槭?T，所以加3dB，最終RS最大為32.2dBm。優(yōu)化方案：將道路測(cè)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(duì)該路段進(jìn)行復(fù)測(cè)，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(luò)是異頻組網(wǎng)，過覆蓋現(xiàn)象較為嚴(yán)重。NB-IoT、LTE FDD和未來的5G網(wǎng)絡(luò)均是同頻網(wǎng)絡(luò)，如果繼承原有GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的同頻干擾。同時(shí)，為了面向未來VoLTE、視頻等業(yè)務(wù)的發(fā)展要求，900MHz網(wǎng)絡(luò)必須面向目標(biāo)網(wǎng)重新統(tǒng)一規(guī)劃，確保網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理。NB-IoT按照同頻組網(wǎng)進(jìn)行目標(biāo)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(shí)中心頻點(diǎn)分別設(shè)置為953.4MHz、953.6MHz、953.8MHz，即原GSM系統(tǒng)的92/93/94號(hào)頻點(diǎn)，在NB-IoT系統(tǒng)對(duì)應(yīng)為3734、3736、3738號(hào)頻點(diǎn)。選取NB-IoT現(xiàn)網(wǎng)道路測(cè)試中SINR較差且集中的區(qū)域，實(shí)施異頻后的NB-IoT覆蓋測(cè)試效果對(duì)比如圖4所示。圖4 NB-IoT重疊覆蓋嚴(yán)重區(qū)域?qū)嵤┊愵l組網(wǎng)從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，NB-IoT覆蓋率（RSRP=-94dBm & SINR=-3）與SINR值，在實(shí)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(shí)施效果對(duì)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(luò)干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)干擾與系統(tǒng)外干擾引起。系統(tǒng)內(nèi)干擾主要由NB-IoT網(wǎng)絡(luò)沿襲LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的同頻組網(wǎng)，其特有的窄頻帶導(dǎo)致較高的發(fā)射功率，再結(jié)合NB-IoT與GSM合設(shè)天饋部分，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)下行重疊覆蓋率過高，引起較高的系統(tǒng)內(nèi)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(diǎn)為908.8MHz，下行中心頻點(diǎn)為953.8MHz），周邊面臨原有GSM網(wǎng)絡(luò)環(huán)繞，2G網(wǎng)絡(luò)私裝直放站及對(duì)講機(jī)二次諧波干擾都對(duì)NB-IoT上行造成較大的干擾。以某試驗(yàn)區(qū)為例，目前開通的1929個(gè)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(duì)典型站點(diǎn)進(jìn)行48h頻譜掃描，發(fā)現(xiàn)底噪持續(xù)很高，與業(yè)務(wù)忙閑時(shí)段無關(guān)，經(jīng)排查是私裝直放站全帶寬放大導(dǎo)致。對(duì)講機(jī)的二次諧波的干擾：對(duì)講機(jī)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(luò)。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(huì)惡化20dB，路損就會(huì)減少20dB，從而導(dǎo)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的干擾規(guī)避調(diào)度算法；終端單天線，半雙工配置，無法實(shí)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(shù)能力不足。NB-IoT干擾優(yōu)化可從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(duì)私裝直放站進(jìn)行定位、協(xié)調(diào)關(guān)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(shí)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(duì)于GSM可以做到20dB的覆蓋擴(kuò)展（MCL從144dB擴(kuò)展到164dB），相對(duì)于LTE可以做到24dB的覆蓋擴(kuò)展（MCL從140dB擴(kuò)展到164dB）。NB-IoT覆蓋增強(qiáng)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(diǎn)規(guī)劃方案。增加規(guī)劃站點(diǎn)數(shù)，控制站間距、天線掛高和方向規(guī)劃，增強(qiáng)上行有用信號(hào)強(qiáng)度以抵抗干擾。因NB-IoT室內(nèi)部署區(qū)域不同于GSM語音業(yè)務(wù)終端，需要考慮更多穿透損耗（地下、管道、隱蔽角落），同時(shí)需要考慮終端盒子損耗(68dB)等，按照MCL164dB部署，對(duì)比GSM實(shí)際覆蓋增強(qiáng)約10dB。上行底噪抬升，會(huì)帶來上行解調(diào)門限升高，進(jìn)而會(huì)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