NBIoT网络覆盖性能评价与优化.doc

NB-IoT网络覆盖性能评估与优化周红岗1 郭宝1 张阳2（1中国移动通信集团山西有限公司，太原 030032；2 中国移动通信集团公司，北京 100033）摘要：NB-IoT由于其功率谱密度、重传的技术特点，可实现较GSM系统20dB的覆盖增强能力，但是相应的终端芯片能力弱、单天线设置以及窄带宽设置，导致其抗干扰能力较差。本文主要阐述NB-IoT网络覆盖性能的评估及优化方法，针对现网发现的弱覆盖、重叠覆盖现象给出功率优化，异频组网以及干扰规避的解决方案。关键词：重叠覆盖；上行干扰；异频组网中图分类号 TN929.5 文献标识码 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窄带物联网（NB-IoT）是低功耗广域（LPWA）网络的典型技术，其技术特点是广覆盖、低功耗（超长待机）、低成本与海量连接。由电磁波传播特性决定传播特性好的低频段优质频谱可以大幅减少建网成本，对于只支持频分双工（FDD）的NB-IoT系统，采用700MHz频段所用站点远低于1900MHz或2600MHz的站点。目前3GPP R13协议中定义的FDD优先频段中，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）。为了更好地推动物联网发展，同时节省建网成本，使用户更快速地使用物联网业务，可考虑将目前的GSM 900MHz频段做部分清退来部署NB-IoT网络。NB-IoT的传输带宽为180kHz，在与LTE频谱共存的时候存在3种部署模式，分别为独立模式，带内和保护带模式。本文重点讨论使用BAND8频段的NB-IoT独立模式。1 NB-IoT覆盖性能评估NB-IoT覆盖性能主要依靠覆盖率指标、干扰类指标、重叠覆盖率来评估。NB-IoT评估体系需建立在NB-IoT单站验证完成，且相应的性能指标可支撑分析的基础上。1.1 覆盖率指标覆盖率指综合接收场强和信干比，描述全网的覆盖情况。覆盖率=条件采样点/总采样点*100；NB-IoT道路测试要求的覆盖率采样点须满足：RSRP = -84dBm，SINR=-3dB。平均RSRP，参考信号平均接收电平，从参考信号平均接收信号与干扰噪声比角度，评估全网的平均干扰强度。边缘RSRP，取RSRP中CDF等于5%的值，如果边缘RSRP太低，不能达到网络最低覆盖要求；如果边缘RSRP过高，小区间干扰也会严重；故NB-IoT更加重视利用边缘覆盖电平，来评估小区边缘的覆盖。RSRP连续弱覆盖比例，NB-IoT连续弱覆盖里程/NB-IoT测试里程*100%，评估路测中参考信号RSRP接收功率情况，反映服务小区覆盖的主要指标；其中：弱覆盖里程的定义为持续10s 70%的采样点路段满足RSRP - 84 dBm。 1.2 干扰类指标平均RS-SINR，参考信号平均接收信号与干扰噪声比，从参考信号平均接收信号与干扰噪声比角度，评估全网的平均干扰强度。边缘RS-SINR，参考信号平均接收信号与干扰噪声比取CDF（累计概率分布）5%对应的值，从参考信号平均接收信号与干扰噪声比角度，评估全网各小区边缘的干扰强度。连续SINR质差里程占比，连续SINR质差里程/NB-IoT测试里程*100%，评估RS-SINR质差里程；其中：SINR质差里程定义为持续10s且70%的采样点CRS-SINR=4的采样点/总采样点*100%；重叠覆盖度指与最强信号电平差距在6dB范围内的电平数量，且最强信号RSRP-84重叠覆盖度=4，即认为存在较严重的重叠覆盖情况；从参考信号平均接收信号电平角度，评估服务小区覆盖范围内强信号邻区叠加的程度。重叠覆盖里程占比，道路重叠覆里程占比 = 连续重叠覆盖度=4的里程/总测试里程 * 100%；评估全网内重叠覆盖里程占比，一定程度上反映网络建设合理性。Mod3冲突采样点比例=Mod3冲突采样点小区数量/采样点测量到的邻区数量总数*100% ，最强信号RSRP门限=-84，PCI = 3* Group ID ( S-SS)+ Sector ID (P-SS)，如果PCI mod 3值相同的话，就会造成P-SS的干扰；实际网络必然中存在两邻区PCI模3无法错开的情况。模3会造成CRS信号相互干扰，使SINR降低；重叠覆盖和模3干扰同时存在，以重叠覆盖影响为主。2 NB-IoT覆盖性能优化2.1 弱覆盖优化NB-IoT定点测试中可能会发现部分室内环境的NB-IoT覆盖性能较差。某市实地测试中，大型商场一层显示NB-IoT使用绝对无线频率信道号（EARFCN）3738，其RSRP值为-110dBm，SINR为-4.10dB，不能完成Attach附着测试。当行进到一层纵深25m处，RSRP恶化至-123.3dBm，SINR急降至-13.7dB，测试仪表显示已脱网。但是，从电子地图上计算该测试终端与最近的NB-IoT基站只有687m。由于现阶段NB-IoT规划中并不包括室分基站，部分室内环境可能比仿真要差很多。道路测试中也会发现大片弱覆盖情况，如图1所示，城坊街与新创巷交叉口区域弱覆盖严重，UE行驶至城坊街与新创巷交叉路口由南到北方向时，由于原附近规划站点被替换，导致UE占用较远站点A2_XH枢纽楼HNN_H-66信号，电平为-96dBm，影响整体到了覆盖。图1 NB-IoT弱覆盖严重路段测试图NB-IoT网络中无需配置功率相关的PA，PB参数；3GPP R13协议规定了1T（1端口发射）和2T（2端口发射）下的资源粒子（RE）与参考信号（RS）的功率关系如下。（1）1T场景如图2所示，导频功率与数据域RE功率相同；NB-IoT总功率=RS功率（mW）*12（如导频功率为32dBm，总功率=20W）；NPBCH RE功率=RS功率 NPDCCH RE功率= RS功率。图2 1T场景RE与RS功率关系示意图（2）2T场景如图3所示，导频功率是数据域RE功率一倍，即NB-IoT总功率=RS功率(mw)/2*12；（如导频功率为32dBm，总功率=2*10W）；NPBCH RE功率=RS功率/2 NPDCCH RE功率= RS功率/2。图3 2T场景RE与RS功率关系示意图以某主设备为例，目前NB-IoT网络是2T4R和2T2R两种，功率规格是2X10W，单端口PORT 10W对应40dBm；12个子载波均分功率，可得（10*log（12）=10.8）；单端口PORT的RS功率=40dBm10.8 dB = 29.2dBm；因为是2T，所以加3dB，最终RS最大为32.2dBm。优化方案：将道路测试中占用小区的功率提升，由之前的29.2dBm提升至32.2dBm。参数修改后对该路段进行复测，占用同样小区的RSRP值由之前的平均-96dBm提升到-88dBm，覆盖率有明显改善。2.2 重叠覆盖优化GSM网络是异频组网，过覆盖现象较为严重。NB-IoT、LTE FDD和未来的5G网络均是同频网络，如果继承原有GSM网络结构，会导致严重的同频干扰。同时，为了面向未来VoLTE、视频等业务的发展要求，900MHz网络必须面向目标网重新统一规划，确保网络结构合理。NB-IoT按照同频组网进行目标网规划，初期在高干扰的局部地区可采用异频的方式规避干扰；异频组网时中心频点分别设置为953.4MHz、953.6MHz、953.8MHz，即原GSM系统的92/93/94号频点，在NB-IoT系统对应为3734、3736、3738号频点。选取NB-IoT现网道路测试中SINR较差且集中的区域，实施异频后的NB-IoT覆盖测试效果对比如图4所示。图4 NB-IoT重叠覆盖严重区域实施异频组网从统计结果可以发现，NB-IoT覆盖率（RSRP=-94dBm & SINR=-3）与SINR值，在实施异频组网后有明显的提升，如表1所示。表1 NB-IoT异频组网实施效果对比NB-IoT组网方式覆盖率(RSRP=-94&SINR=-3)平均SINR平均RSRP同频组网75.245.71-77.66异频组网94.8913.83-71.663 NB-IoT干扰优化3.1 NB-IoT干扰分类NB-IoT网络干扰主要由系统内干扰与系统外干扰引起。系统内干扰主要由NB-IoT网络沿袭LTE网络架构的同频组网，其特有的窄频带导致较高的发射功率，再结合NB-IoT与GSM合设天馈部分，导致系统内下行重叠覆盖率过高，引起较高的系统内下行干扰。系统外干扰主要是NB-IoT使用BAND8的953.8MHz（上行中心频点为908.8MHz，下行中心频点为953.8MHz），周边面临原有GSM网络环绕，2G网络私装直放站及对讲机二次谐波干扰都对NB-IoT上行造成较大的干扰。以某试验区为例，目前开通的1929个NB-IoT小区，33.96%小区存在干扰，其中17.52%小区存在中等干扰。通过对典型站点进行48h频谱扫描，发现底噪持续很高，与业务忙闲时段无关，经排查是私装直放站全带宽放大导致。对讲机的二次谐波的干扰：对讲机在400470MHz工作，其二次谐波完全落入900MHz频段。由于私装直放站是全带宽干扰，NB-IoT与GSM 900MHz共同使用BAND8频段，私装直放站产生的干扰同样影响到NB-IoT网络。由系统外干扰造成的底部噪声抬升，影响基站灵敏度。如果底噪抬升20dB，灵敏度就会恶化20dB，路损就会减少20dB，从而导致覆盖收缩。3.2 NB-IoT干扰优化NB-IoT抗干扰能力不足，主要原因有终端芯片能力弱，无法实现复杂的干扰规避调度算法；终端单天线，半双工配置，无法实现GSM的干扰分集抑制；NB-IoT是200kHz的窄带系统，抵抗900MHz的宽带私装干扰技术能力不足。NB-IoT干扰优化可从以下几个方面进行。（1）常规手段排查。上行频段底噪来源于大量私装直放站，组织开展干扰排查，对私装直放站进行定位、协调关停工作；利用新型室分等创新手段，解决弱覆盖区域的深度覆盖问题。（2）系统参数优化。通过实施NB-IoT异频组网及PCI优化缓解干扰。相比传统方式，NB-IoT支持更多次数的重传，以缓解干扰带来的误码。NB-IoT相对于GSM可以做到20dB的覆盖扩展（MCL从144dB扩展到164dB），相对于LTE可以做到24dB的覆盖扩展（MCL从140dB扩展到164dB）。NB-IoT覆盖增强主要依靠重传带来的增益，相比传统方式，NB-IoT支持更多次数的重传，以缓解干扰带来的误码。（3）站点规划方案。增加规划站点数，控制站间距、天线挂高和方向规划，增强上行有用信号强度以抵抗干扰。因NB-IoT室内部署区域不同于GSM语音业务终端，需要考虑更多穿透损耗（地下、管道、隐蔽角落），同时需要考虑终端盒子损耗(68dB)等，按照MCL164dB部署，对比GSM实际覆盖增强约10dB。上行底噪抬升，会带来上行解调门限升高，进而会影响单站覆盖半径。上行底噪抬升越大， NB-IoT基站覆盖半径越小。按底噪抬