《窄带物联网（NB-IoT）原理与技术》课件第7章

第7章无线网络规划7.1无线覆盖规划7.2无线容量规划

7.1无线覆盖规划

NB-IoT凭借其海量连接、低功耗等特点，逐渐战胜其他多种物联网技术，例如：SigFox、LoRa等。

作为衡量网络质量的标准之一，覆盖特性是保证用户体验的基础，是高质量、高性能的移动通信网络的根基与命脉。与LTE及GSM网络相比，NB-IoT不仅自身基础覆盖性能得到了明显提升，同时一系列特色创新技术更是为建设无死角、高标准网络提供了得天独厚的性能优势。

我们知道NB-IoT设备的无线环境多为各类覆盖死角，例如智能水表可能安装在地下室或者下水道这些环境中。这些环境不仅无法部署移动天线，而且对无线电信号的传播具有极大的衰减作用。因此在终端分布既定的前提下，需足够的覆盖性能才能满足NB-IoT的各类场景下终端的覆盖需求。

7.1.1覆盖基础特性分析

1. MCL——衡量覆盖能力的指标

在移动通信系统中，由于电波传输损耗随其距离的延伸而增大，并随地形、地物的变化而不同，用户与基站天线之间的距离是有限的，故能正常通信的范围称为覆盖区域。当前移动通信网络采用最大耦合路损(MaximumCouplingLoss)即MCL来表示覆盖性能，最大耦合路损即为发射机到接收机的最大能量损耗。

基站接收灵敏度可理解为基站所能接收到的最小手机发射功率(即上行功率)；接收机灵敏度指的是终端所能接收到的最小基站发射功率(即下行功率)。在NB-IoT及多数其他网络系统中，用路损来表示信号在空间传播所产生的损耗。基站发射功率确定后，用RS发射功率来控制实际覆盖距离，UE接收功率用RSRP表示，那么可得到路损如下：

路损 = RS发射功率(eNodeB) - RSRP(UE） (7-3)

NB-IoT与GSM覆盖性能对比，详见表7-1。

2.覆盖等级

3GPPR13协议中NB-IoT定义了3个覆盖等级，用于表征路损大小及覆盖深度或广度，也称为CElevel0、CElevel1、CElevel2。在43 dBm发射功率下，分别对应MCL = 144 dB、MCL = 154 dB、MCL = 164 dB，针对不同覆盖等级，系统可以配置不同的随机接入参数，覆盖等级见表7-2。

最多可以定义两个RSRP门限，第一个门限被当做RSRPthreshold1，第二个门限被当做RSRPthreshold2。若只定义一个值，则RSRP大于该阈值对应CEL0，小于该阈值对应CEL1。若定义两个RSRP阈值M，N(M > N)，则RSRP小于N对应CEL2，N < RSRP < M对应CEL1，RSRP > M对应CEL0。相关信令内容如图7-1所示。图7-1覆盖等级取值范围

在NB-IoT中，不同的覆盖等级对应不同的接入参数以及门限，针对不同的CEL等级，小区会广播一个所接收的参考信号的功率阈值表，相关参数在网管侧可根据实际情况选择。此外，不同的CEL对应不同的重传次数，CEL为0时，信道质量条件最好，要达到MCL的要求所需要的重传次数最少；相反CEL为2时，信道质量条件最差，所需要的重传次数也就最多。终端根据接收到的下行参考信号强度，对比覆盖等级门限，由终端判断当前是处在哪个覆盖等级内，然后再以该覆盖等级的接入参数来发起随机接入流程。相关流程如图7-2所示。图7-2覆盖等级判决流程

3. NB-IoT业务需求

根据实验室仿真及运营商外场测试结果，各业务要适配速率及覆盖需求，如表7-3所示。

4.覆盖规划

为满足不同物联网业务的覆盖要求，NB-IoT网络边缘覆盖目标建议按照CEL=1覆盖等级规划，如果只考虑较低的业务速率和覆盖要求，则NB-IoT网络边缘覆盖目标可以按照CEL=2覆盖等级规划，如图7-3所示。图7-3覆盖等级CEL示意图

7.1.2链路预算

链路预算是对系统的覆盖能力进行评估，简单地说就是计算能覆盖多远，计算的思路是在保证最低接收灵敏度的前提下，无线传播的路径上所能容忍的最大传播损耗，这个传播损耗也叫做最大允许路损。得到最大允许路损值后，结合传播模型公式，就可以计算得到单小区的覆盖半径R。

链路预算又分为下行链路预算和上行链路预算，实际中，由于手机功率是定值，因此上行受限情况较多，我们优先考虑上行链路预算，然后再计算下行的链路预算，下文中都以业务信道链路预算为例。链路预算模型如图7-4所示。图7-4链路预算模型

1.传播模型概述

传播模型是移动通信网小区规划的基础，传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的需求。

在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解并据此进行的场强预测。而无线传播模型是一种通过理论研究与实际测试的方法归纳出的无线传播损耗与频率、距离、环境、天线高度等变量的数学公式。

地球表面无线传播环境千差万别，不同的传播环境的传播模型也会存在较大差异。所以传播环境对无线传播模型的建立起关键作用。确定某一特定地区的传播环境的主要因素有：自然地形(高山、丘陵、平原、水域等)；人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；该地区的植被特征和天气状况；自然和人为的电磁噪声状况；系统工作频率和移动台运动状况。

常见的经典传播模型：自由空间传播模型、Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型。

2.自由空间传播模型

无线电波在自由空间传播时没有损耗，此时采用的传播模型公式如下：

FreeLoss=32.44 + 20lg d + 20lg f (7-4)

式中，d是传播距离，f是频率MHz。

3. Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型适用情景：

4. Cost231-Hata模型

Cost231-Hata模型适用情景：

7.1.3上行链路预算

上行链路预算图如图7-5所示。图7-5上行链路预算图

1.上行室内最大允许路损计算

以Hata模型为例计算上行随机接入信道NPRACH和上行业务信道NPUSCH的覆盖距离，计算表格如表7-4所示。

在以15 kHz子载波为单位进行调度的前提下，NPUSCH的室内最大允许路损计算如下：

2.小区覆盖距离

从路损到计算小区覆盖距离，这里就用到前面我们介绍的传播模型公式，由于国内NB-IoT是工作在900 MHz的频率范围内，所以适用的传播模型是Okumura-Hata，采用的计算公式如下：

如何能快速计算以上影响条件和修正因子呢？为方便计算，协议中通过仿真计算，得出频率和路损的关系值(引自45.820的D1表，见表7-5)。

7.1.4下行链路预算

下行链路预算示意图如图7-6所示。图7-6下行链路预算示意图

1.下行室内最大路损计算

同样以Hata模型来计算NB-IoT的下行信道的路损，NB-IoT下行信道NPBCH、NPDCCH、NPDSCH的链路预算总表如表7-6所示。

在以180 kHz带宽单位进行调度的前提下，业务信道NPDSCH的室内最大允许路损计算步骤如下：

2.基站间距及基站覆盖面积计算

NB-IoT系统的覆盖模型与其他蜂窝无线系统类似，可理解为正六边形的蜂窝形状。其中常用的蜂窝组网有以下两种类型，如图7-7所示。图7-7基站覆盖模型示意图

两种模型下的站间距D和覆盖半径R的关系如表7-7所示。根据覆盖半径R，可推算出单小区的覆盖面积。

7.2无线容量规划

7.2.1用户密度估算此处用户密度基于两个假设：假设模型城市为伦敦，假设每个家庭拥有40个NB-IoT设备。小区覆盖范围如图7-8所示。图7-8小区覆盖范围

协议中计算思路是：假设模型城市为伦敦，假设每个家庭拥有40个NB-IoT设备。则计算方法如下：

站间距(ISD) = 1732 m(站间距)

小区半径，R=ISD/3=577.3 m(覆盖半径)

小区覆盖范围(假定为规则的蜂窝六边形)=0.86km2(覆盖面积)

每小区终端数目 = 小区覆盖面积 × 家庭密度 

× 每个家庭的用户数

=52547

表7-8列举了每个小区中不同设备密度。图7-9蜂窝小区及基站覆盖模型图

小区覆盖距离见表7-9。

7.2.2业务模型选择

综合外场实际业务包大小，选用100bytes为规划标准，如表7-10所示。

据模型中业务请求周期及比例分布，可计算得每用户每小时平均接入次数为．

7.2.3信道容量规划

1. NPRACH信道容量

NB-IoT采用基于竞争的随机接入方式，UE在NPRACH上发送Preamble时给每个符号组选择不同的子载波，即让1个Preamble内4个符号组之间跳频，但只能在起始位置(NPRACH-SubcarrierOffset-r13inSIB2-NB)以上的12个子载波内跳频。4个符号12个子载波共48种跳频方式，即同时支持48个用户发起随机接入请求，超过此数量会发生随机接入冲突。

对于此类随机接入引发的随机冲突，可用泊松分布公式(7-27)来计算其发生概率。

其中：X为某事件发生的次数对应函数；n为事件发生次数；λ为单位时间(或单位面积)内随机事件的平均发生次数。

在随机接入过程中，设每秒接入总次数为N，每秒随机接入总数为G，则

覆盖特性章节提到，根据外场测试结果，不同覆盖等级要达到MCL条件需要有不同的重传次数，对应PRACH资源时长为单个Preamble时长 × 重传次数，具体数据如表7-11所示。

2.全近点10∶0∶0模型(NPRACH)

所有用户分布在近点，碰撞概率为1/10 = 10%，每秒接入次数为

每小时接入次数为

3600 × G = 113796

3.均匀分布5∶3∶2模型(NPRACH)

近、中、远用户均匀分布，碰撞概率为1/10 = 10%，外场实际PRACH周期近中远点加权均值为640 ms，则每秒接入次数为

4. NPUSCH信道容量

NB-IoT的上行开销主要为NPRACH开销、NPUSCHACK/NAK开销、NPUSCHRRC连接请求/RRC连接建立完成信令开销和NPUSCH业务数据开销，其中NPRACH开销占比最大。

NPUSCH信道容量为

NPUSCH信道采用灵活的时域资源组合RU进行调度。信道章节提及NPUSCH有两种传输格式，格式1用来承载上行共享传输信道UL-SCH，传输用户数据和信令，UL-SCH传输块可通过一个或几个物理资源单位RU来调度发送；格式2用来承载上行控制信息(物理层)，如ACK/NACK应答。3GPP协议36.211d2010.1.2章节对两种格式下RU做了明确的定义，格式1下包含Single-Tone和Multi-Tone两种模式，支持3.75 kHz和15 kHz子载波间隔；格式2只包含Single-Tone，支持3.75 kHz和15 kHz子载波间隔。

当上行采用Single-Tone3.75 kHz模式时，物理层帧结构最小单位为基本时长2 ms时隙，Single-Tone和Multi-Tone15 kHz模式下，最小单位为时长0.5 ms时隙。Single-Tone以12个连续的子载波进行传输，Multi-Tone可按照3、6、12个连续子载波分组进行数据传输。相关协议内容如表7-12所示。

用户接入网络时，需完成MSG3/MSG4信令交互，通过信令统计，MSGRRC连接建立请求占用88 bit，MSG4RRC连接建立完成占用1304 bit。外场实际测试结果表明，各位置用户相应重复次数和MCS对应如表7-13所示。

根据协议，MCS对应的TBS及NB-IoTNPUSCH信道对应TBS表格分别见表7-14、表7-15、表7-16。

表7-14IRU与NRU关系表

RU为整数调度，IRU对应总TBS数目大于需传输资源总数，各位置每次数据包传送占用的NPUSCH时间计算方式如下：

各位置用户NPUSCH信道开销如表7-17所示。

5.全近点10∶0∶0模型(NPUSCH)

前面提到，CEL0时PRACH资源长CP下重复两次对应的时长为12.8 ms，在所有用户均分布在近点、PRACH周期设置为40 ms、NPRACH载波设置为12且NPURACH与NPUSCH信道预留15 kHz保护带时，PRACH占用上行信道比例为

NPUSCH信道采用15 kHz子载波间隔Single-Tone模式，上行调度需考虑频率资源，12个子载波每毫秒可用时域资源总数为

12 × (1 - 8.3%) = 11.004

调度效率为70%时，每小时NPUSCH容量为

6.均匀分布5∶3∶2模型(NPUSCH)

前面提到，CEL0时PRACH资源长CP下重复两次对应的时长为12.8 ms，CEL1时PRACH资源长CP下重复4次对应的时长为25.6 ms，CEL2时PRACH资源长CP下重复32次对应的时长为204.8 ms。PRACH周期设置为640 ms、NPRACH载波设置为12且NPURACH与NPUSCH信道预留15 kHz保护带时，PRACH占用上行信道比例为

NPUSCH信道采用15 kHz子载波间隔Single-Tone模式，采用RU为基本单位需考虑频域，则12个子载波每毫秒可用时域资源总数为

12 × (1 - 12.7%) = 10.476

调度效率为70% 时，每小时NPUSCH信道容量为

综上所述，NPUSCH信道在所有用户分布在近点时接入能力为346 626，用户均匀分布时接入能力为8461。

7. NPDSCH信道容量

NB-IoT的下行开销包括由NPSS/NSSS、MIB、SIB1和SI系统消息组成的公共开销、寻呼开销、NPDCCH信道开销、NPDSCHMSG2/MSG4/RRC连接释放开销和NPDSCH数据业务开销。

公共开销占比最大，此处仅考虑公共开销，其计算方式为

实验室结果统计，下行发送消息中，随机接入响应占160 bit；RRC连接建立占用152 bit；RRC连接释放占用64 bit。NB-IoT下行资源调度与LTE相同，但仅使用QPSK调度，Standalone模式下MCS范围为0～12，参考协议中MCS索引与TBS索引对应关系表如表7-18所示。

根据协议中NB-IoT，ITBS与ISF的TBsize表格如表7-19所示。

结合ISF与NSF的对应关系(见表7-20)，可初步计算出下行消息单次数据包所用时长。

覆盖特性章节提及，不同用户位置所需重传次数不同，根据外场实际测试结果，用户位置、重传次数、MCS等级关系如表7-21所示。

单用户每次发包占用NPDCCH信道时间如下：

根据实验结果，当用户对应不同CEL时，一次数据传输全流程需要不同次