NBIoT网络容量和优化方法研究

NB-IoT网络容量和优化方法研究

白晓平，贾磊

（中国移动通信集团陕西有限公司，西安 710077）

摘　要　随着物联网技术的不断发展和普及，人类社会正进入“万物互联”的时代。新一代物联网无线接入技术NB-IoT具有大连接的特性，但如此大的连接数对NB-IoT的网络容量也将形成一定程度的挑战。本文对网络容量进行研究，并提出高并发用户场景下的优化方法，为应对大量用户接入NB-IoT网络而做好准备。关键词　万物互联；NB-IoT；大连接；网络容量中图分类号 TN929.5 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2019）03-0006-04随着物联网技术的不断发展和普及，人类社会正进入“万物互联”的时代。物联网连接数量增长加快，成为运营商新的增长点，国家发布的“十三五国家创新规划”中将物联网作为国家重点专项规划之一，指出需开展物联网系统架构、信息物理系统感知和控制等基础研究，构建物联网共性技术创新基础支撑平台，实现智能感知芯片、软件以及终端产品化。物联网已成为当下热门的话题，其发展和应用也得到广泛关注。如图1所示，据权威机构预测，2020年物联网将实现数百亿的连接量和万亿美元的产业规模，如此大的连接对物联网网络容量形成了很大的挑战，NB-IoT网络具有大连接的优势，但仍需对其进行研究和优化，以确保其网络容量能够满足物联网发展的需求。1 NB-IoT网络业务模型分析

1.1 协议小区密度计算NB-IoT每小区可达5万连接，比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，在同一基站的情况下，NB-IoT较现有无线技术可提供50～100倍的接入连接数能力。3GPP TR45.820中对NB-IoT单小区覆盖的终端密度进行计算，基于伦敦的城区终端分布，假设站间距为1 742 m，单小区覆盖面积为0.86 km2，每平方公里居住1 517户家庭，每家庭使用40个物联网终端，经过计算得出单小区覆盖下终端密度为52 547个。1.2 NB-IoT业务模型分布图1 物联网规模预测

NB-IoT网络业务以上行业务为主，且上行业务多收稿日期：2018-11-156

2019年3月 第 3 期（第32卷 总第259期）月刊2019年 第3期物 联 网 专 题 电信工程技术与标准化为用户主动上报数据类业务，如抄表类和监测类等业务，上行发送的数据分组大小约在20～200 byte之间。下行业务多为网络命令类业务，如路灯控制与水电表控制等，下行发送的数据分组大小约为20 byte。根据3GPP TR45.820进行NB-IoT网络业务模型评估，单个小区物联终端数量52 547台，按照上行业务的主动上报类终端占80%，下行网络命令类终端占20%，终端交互频率模型为40%:40%:15%:5%，单小区业务模型评估如表1所示。小区容量规格受三大因素影响。（1）分组发送频率：分组发送频率越低，单位时间类消耗的资源越少，小区容量越大。（2）分组发送数据大小：单次交互数据越小，消耗的资源越少，小区容量越大。（3）网络覆盖：网络覆盖越好，每用户消耗的资源越少，小区容量越大。终端

类型

业务模型

表1 单小区业务模型评估

交互频率1天1次

终端数量

消息数量数量

1 681台（40%）16 815条/天

主动UL数据大小20～ 200 byte，2小时1次1 681台（40%）201 780条/天

上报类平均33 byte。50%终端带下

1小时1次6 306台（15%）151 335条/天

（80%）行应答

半小时1次2 102台（5%）100 890条/天

1天1次

网络DL数据大小20 byte。50%终

命令类端带上行响应，响应净荷大小（20%）同主动上报，平均33 byte

合计

2小时1次1小时1次半小时1次

4 204台（40%）4 204条/天4 204台（40%）50 445条/天1 576台（15%）37 834条/天525台（5%）

25 223条/天588 526条/天

52 547台

入网络后每个终端至少占用一个RU，每个RU的带宽不同，则频域上时间长度也不同。2.2 小区接入能力随机接入能力就像能够同时进入车厢的乘客人数，取决于车门的宽度。分配资源的能力就像车厢可以容纳的人数，其取决于座位的数量，因此基站并发接入处理能力（“车门”宽度）和基站容量(“座位”数量）是提升NB-IoT网络容量性能的关键，如图3所示。NB-IoT网络容量主要短板受限于基站并发接入处理能力，大量用户同时发起接入，对NB-IoT网络2 NB-IoT小区容量研究

2.1 终端接入流程终端访问NB-IoT网络包括两个流程： 先接入网络，后分配资源。NB-IoT完成一次上行数据传输，需完成随机接入、数据传输、RRC释放3个主要过程，需占用PRACH、 PDCCH、 PDSCH、PUSCH等信道资源。单用户执行一次200 byte的上行业务，其空口流程如图2所示。上行将开销PRACH信令、Msg3/Msg5信令、3次ACK/NACK信令，下行将开销7次PDCCH开销、 Msg2/Msg4/RRC释放信令。在随机接入过程中，以每个终端占用一个15 kHz子载波为例，接PRACH信道造成冲击，同时接入不成功会产生大量信令重发，从而导致大量终端的接入信令造成信令雪崩效应，终端接入时延剧增，接入失败次数增加，因此需对NB-IoT网络及业务的并发接入能力进行研究。在单小区下，采用多部终端非随机离散化同时接入网络，对并发用户能力进行测试，测试结果如表2所示。结果显示在覆盖良好的CEL0覆盖下，最快10 s内图2 上行业务空口流程

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2019年3月 第 3 期（第32卷 总第259期）月刊

电信工程技术与标准化 物 联 网 专 题表2 并发接入能力测试结果

覆盖等级CEL0CEL1CEL2

混合模型覆盖

（CEL0/CEL1/CEL2终端比例6:3:1）

接入终端数60部60部60部60部

测试开始时间14:48:1515:04:2715:15:2715:31:05

测试结束时间14:48:3315:05:0315:17:5715:32:05

60部接入时长

18 s36 s150 s60 s

2019年 第3期30部接入时长

10 s15 s60 s25 s

次发起接入，不断的发起接入造成信令风暴，影响其它终端接入，势必造成小区容量下降。NB-IoT网络单小区仅占用200 kHz带宽，带宽使用较少，可提前为其预留较多的频率资源。同时，在同频重叠覆盖严重的区域建议采用异频配置，可降低同频干扰，提升网络SINR，进一图3 随机接入能力图

步提升小区接通率，提升小区容量。3.2 小区参数优化覆盖等级可划分为3个级别，门限设置为{-110 dBm， -120 dBm}，保证大部分用户处于CEL0覆盖等级下，防止CEL1与CEL2覆盖等级下用户过多减少小区的容量。根据覆盖等级对NPRACH周期可完成30部终端接入，18 s内可完成60部终端接入。在覆盖较差的CEL2覆盖下，150 s可实现60部终端并发接入的RRC接入。在混合模型下，60 s内可实现60部终端的RRC接入。3 容量提升方法

3.1 异频组网方案目前，中国移动的NB-IoT部署频段为900 MHz，且功率谱密度较大，NB-IoT站点覆盖距离较远，导致同频干扰较LTE网络更为凸显。另外在国内多运营商共站、外部干扰器等各种干扰源普遍存在的情况下，单一频点一旦受到干扰，会在某个区域造成非常大的影响。同频干扰严重情况下，导致网络SINR较差。终端在SINR较差的区域发起接入，很容易出现接入失败而再分别设置为320 ms、1 280 ms与2 560 ms，CEL0用户较多，需要更多的NPRACH资源，加速CEL0用户接入，CEL1与CEL2用户数较少，设置较长的PRACH周期，减少上行资源的消耗，增加小区容量。对不同覆盖等级的用户Preamble设置，增加用户接入成功率，减少资源消耗。综合考虑覆盖扩展与下行资源消耗，对SystemInformationBlockType1-NB、si-WindowLength与si-Periodicity进行设置，既可满足系统消息监听的需要，又可减少下行资源的消耗。开启随机接入信道拥塞控制退避功能，控制用户接入防止发8

2019年3月 第 3 期（第32卷 总第259期）月刊2019年 第3期物 联 网 专 题 电信工程技术与标准化生雪崩效应，同时延长UE等待RRC连接响应的定时器等待时间到6 000 ms，防止UE等待接入时发生掉线。延长UE监测无线链路失败的定时器T310到2 000 ms，减少掉线后重建对资源消耗。p0-NominalPUSCH设置为-105 dBm与powerRampingStep设置为4，增加UE功率提升步长，减少接入尝试次数，缩短随机接入时延，提升随机接入成功率。3.3 终端离散化接入NB-IoT网络中大量的用户处于休眠状态中，用户的上下文信息由基站和核心网维持，一旦有业务要求，用户立即进入激活状态。终端业务分为主动上报类和网络命令类，NB-IoT终端数量巨大，一旦发生同时大量终端上报业务或同时给大量终端下发命令，均需基站在短时间内接入大量的终端，势必造成网络拥塞。建议物联网行业平台为主动上报类业务设置离散化上报机制，错峰接入。同时对终端下达命令时采用错峰下达。将业务进行错峰，一方面可以降低对网络的冲击，增加业务发送成功率，另一方面尽快完成业务发送也可节省电量，增加终端使用时长。3.4 多载波技术NB-IoT网络在R14版本中引入多载波功能，可增大小区容量。基于多载波配置，系统可在一个小区里同时提供多个载波服务。NB-IoT的载波可以分为两类：提供NPSS、NSSS与承载NPBCH和系统信息的载波称为Anchor Carrier，其余的载波则称为Non-Anchor Carrier。当提供Non-Anchor载波时，UE在此载波上接收所有数据，但同步、广播和寻呼等消息只能在Anchor Carrier上接收。NB-IoT终端一律需要在Anchor Carrier上面Random Access，基站会在Random Access过程中传送Non-Anchor Carrier调度信息，以将终端卸载至Non-Anchor Carrier上进行后续数据传输，避免Anchor Carrier的无线资源吃紧。另外，单个NB-IoT终端同一时间只能在一个载波上传送数据，不允许同时在Anchor Carrier和Non-Anchor Carrier上传送数据。4 结束语

NB-IoT网络发展越来越快，其优势远远大于现在的2G/3G/4G网络，物联网业务承载于NB-IoT网络将变成未来的主流。针对NB-IoT网络大连接优势，本文进行深度分析，研究了NB-IoT网络业务模型，分析了NB-IoT小区容量，并对NB-IoT网络容量提出了优化办法，为后续NB-IoT网络承载大量终端做好准备。Analysis of NB-IoT network capacity and optimization method

BAI Xiao-ping, JIA Lei

(China Mobile Group Shaanxi Co., Ltd., Xi'an 710077, China)Abstract With the continuous development and popularization of IoT technology, human society is entering an era of \"all things being interconnected\". The new generation of IoT wireless access technology: NB-IoT has advantages of large connection. However, such a large connection still challenges the capacity of NB-IoT network. This paper studies the capacity of the network and proposes some optimization methods under the scenario of highly concurrent users, so as to prepare for a large number of users to access NB-IoT network.Keywords all things being interconnected; NB-IoT; large connection; network capacity9

2019年3月 第 3 期（第32卷 总第259期）月刊