《窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）原理與技術(shù)》課件第7章

第7章無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃7.1無(wú)線覆蓋規(guī)劃7.2無(wú)線容量規(guī)劃

7.1無(wú)線覆蓋規(guī)劃

NB-IoT憑借其海量連接、低功耗等特點(diǎn)，逐漸戰(zhàn)勝其他多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，例如：SigFox、LoRa等。

作為衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，覆蓋特性是保證用戶體驗(yàn)的基礎(chǔ)，是高質(zhì)量、高性能的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的根基與命脈。與LTE及GSM網(wǎng)絡(luò)相比，NB-IoT不僅自身基礎(chǔ)覆蓋性能得到了明顯提升，同時(shí)一系列特色創(chuàng)新技術(shù)更是為建設(shè)無(wú)死角、高標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)提供了得天獨(dú)厚的性能優(yōu)勢(shì)。

我們知道NB-IoT設(shè)備的無(wú)線環(huán)境多為各類覆蓋死角，例如智能水表可能安裝在地下室或者下水道這些環(huán)境中。這些環(huán)境不僅無(wú)法部署移動(dòng)天線，而且對(duì)無(wú)線電信號(hào)的傳播具有極大的衰減作用。因此在終端分布既定的前提下，需足夠的覆蓋性能才能滿足NB-IoT的各類場(chǎng)景下終端的覆蓋需求。

7.1.1覆蓋基礎(chǔ)特性分析

1.?MCL——衡量覆蓋能力的指標(biāo)

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于電波傳輸損耗隨其距離的延伸而增大，并隨地形、地物的變化而不同，用戶與基站天線之間的距離是有限的，故能正常通信的范圍稱為覆蓋區(qū)域。當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用最大耦合路損(MaximumCouplingLoss)即MCL來(lái)表示覆蓋性能，最大耦合路損即為發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的最大能量損耗。

基站接收靈敏度可理解為基站所能接收到的最小手機(jī)發(fā)射功率(即上行功率)；接收機(jī)靈敏度指的是終端所能接收到的最小基站發(fā)射功率(即下行功率)。在NB-IoT及多數(shù)其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，用路損來(lái)表示信號(hào)在空間傳播所產(chǎn)生的損耗?；景l(fā)射功率確定后，用RS發(fā)射功率來(lái)控制實(shí)際覆蓋距離，UE接收功率用RSRP表示，那么可得到路損如下：

路損?=?RS發(fā)射功率(eNodeB)?-?RSRP(UE） (7-3)

NB-IoT與GSM覆蓋性能對(duì)比，詳見(jiàn)表7-1。

2.覆蓋等級(jí)

3GPPR13協(xié)議中NB-IoT定義了3個(gè)覆蓋等級(jí)，用于表征路損大小及覆蓋深度或廣度，也稱為CElevel0、CElevel1、CElevel2。在43?dBm發(fā)射功率下，分別對(duì)應(yīng)MCL?=?144?dB、MCL?=?154?dB、MCL?=?164?dB，針對(duì)不同覆蓋等級(jí)，系統(tǒng)可以配置不同的隨機(jī)接入?yún)?shù)，覆蓋等級(jí)見(jiàn)表7-2。

最多可以定義兩個(gè)RSRP門(mén)限，第一個(gè)門(mén)限被當(dāng)做RSRPthreshold1，第二個(gè)門(mén)限被當(dāng)做RSRPthreshold2。若只定義一個(gè)值，則RSRP大于該閾值對(duì)應(yīng)CEL0，小于該閾值對(duì)應(yīng)CEL1。若定義兩個(gè)RSRP閾值M，N(M?>?N)，則RSRP小于N對(duì)應(yīng)CEL2，N?<?RSRP?<?M對(duì)應(yīng)CEL1，RSRP?>?M對(duì)應(yīng)CEL0。相關(guān)信令內(nèi)容如圖7-1所示。圖7-1覆蓋等級(jí)取值范圍

在NB-IoT中，不同的覆蓋等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的接入?yún)?shù)以及門(mén)限，針對(duì)不同的CEL等級(jí)，小區(qū)會(huì)廣播一個(gè)所接收的參考信號(hào)的功率閾值表，相關(guān)參數(shù)在網(wǎng)管側(cè)可根據(jù)實(shí)際情況選擇。此外，不同的CEL對(duì)應(yīng)不同的重傳次數(shù)，CEL為0時(shí)，信道質(zhì)量條件最好，要達(dá)到MCL的要求所需要的重傳次數(shù)最少；相反CEL為2時(shí)，信道質(zhì)量條件最差，所需要的重傳次數(shù)也就最多。終端根據(jù)接收到的下行參考信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)比覆蓋等級(jí)門(mén)限，由終端判斷當(dāng)前是處在哪個(gè)覆蓋等級(jí)內(nèi)，然后再以該覆蓋等級(jí)的接入?yún)?shù)來(lái)發(fā)起隨機(jī)接入流程。相關(guān)流程如圖7-2所示。圖7-2覆蓋等級(jí)判決流程

3.?NB-IoT業(yè)務(wù)需求

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室仿真及運(yùn)營(yíng)商外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，各業(yè)務(wù)要適配速率及覆蓋需求，如表7-3所示。

4.覆蓋規(guī)劃

為滿足不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的覆蓋要求，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)邊緣覆蓋目標(biāo)建議按照CEL=1覆蓋等級(jí)規(guī)劃，如果只考慮較低的業(yè)務(wù)速率和覆蓋要求，則NB-IoT網(wǎng)絡(luò)邊緣覆蓋目標(biāo)可以按照CEL=2覆蓋等級(jí)規(guī)劃，如圖7-3所示。圖7-3覆蓋等級(jí)CEL示意圖

7.1.2鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算是對(duì)系統(tǒng)的覆蓋能力進(jìn)行評(píng)估，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是計(jì)算能覆蓋多遠(yuǎn)，計(jì)算的思路是在保證最低接收靈敏度的前提下，無(wú)線傳播的路徑上所能容忍的最大傳播損耗，這個(gè)傳播損耗也叫做最大允許路損。得到最大允許路損值后，結(jié)合傳播模型公式，就可以計(jì)算得到單小區(qū)的覆蓋半徑R。

鏈路預(yù)算又分為下行鏈路預(yù)算和上行鏈路預(yù)算，實(shí)際中，由于手機(jī)功率是定值，因此上行受限情況較多，我們優(yōu)先考慮上行鏈路預(yù)算，然后再計(jì)算下行的鏈路預(yù)算，下文中都以業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算為例。鏈路預(yù)算模型如圖7-4所示。圖7-4鏈路預(yù)算模型

1.傳播模型概述

傳播模型是移動(dòng)通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)，傳播模型的準(zhǔn)確與否關(guān)系到小區(qū)規(guī)劃是否合理，運(yùn)營(yíng)商是否以比較經(jīng)濟(jì)合理的投資滿足了用戶的需求。

在規(guī)劃和建設(shè)一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)時(shí)，從頻段的確定、頻率分配、無(wú)線電波的覆蓋范圍、計(jì)算通信概率及系統(tǒng)間的電磁干擾，到最終確定無(wú)線設(shè)備的參數(shù)，都必須依靠對(duì)電波傳播特性的研究、了解并據(jù)此進(jìn)行的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)。而無(wú)線傳播模型是一種通過(guò)理論研究與實(shí)際測(cè)試的方法歸納出的無(wú)線傳播損耗與頻率、距離、環(huán)境、天線高度等變量的數(shù)學(xué)公式。

地球表面無(wú)線傳播環(huán)境千差萬(wàn)別，不同的傳播環(huán)境的傳播模型也會(huì)存在較大差異。所以傳播環(huán)境對(duì)無(wú)線傳播模型的建立起關(guān)鍵作用。確定某一特定地區(qū)的傳播環(huán)境的主要因素有：自然地形(高山、丘陵、平原、水域等)；人工建筑的數(shù)量、高度、分布和材料特性；該地區(qū)的植被特征和天氣狀況；自然和人為的電磁噪聲狀況；系統(tǒng)工作頻率和移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀況。

常見(jiàn)的經(jīng)典傳播模型：自由空間傳播模型、Okumura-Hata模型、Cost231-Hata模型。

2.自由空間傳播模型

無(wú)線電波在自由空間傳播時(shí)沒(méi)有損耗，此時(shí)采用的傳播模型公式如下：

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

式中，d是傳播距離，f是頻率MHz。

3.?Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型適用情景：

4.?Cost231-Hata模型

Cost231-Hata模型適用情景：

7.1.3上行鏈路預(yù)算

上行鏈路預(yù)算圖如圖7-5所示。圖7-5上行鏈路預(yù)算圖

1.上行室內(nèi)最大允許路損計(jì)算

以Hata模型為例計(jì)算上行隨機(jī)接入信道NPRACH和上行業(yè)務(wù)信道NPUSCH的覆蓋距離，計(jì)算表格如表7-4所示。

在以15?kHz子載波為單位進(jìn)行調(diào)度的前提下，NPUSCH的室內(nèi)最大允許路損計(jì)算如下：

2.小區(qū)覆蓋距離

從路損到計(jì)算小區(qū)覆蓋距離，這里就用到前面我們介紹的傳播模型公式，由于國(guó)內(nèi)NB-IoT是工作在900?MHz的頻率范圍內(nèi)，所以適用的傳播模型是Okumura-Hata，采用的計(jì)算公式如下：

如何能快速計(jì)算以上影響條件和修正因子呢？為方便計(jì)算，協(xié)議中通過(guò)仿真計(jì)算，得出頻率和路損的關(guān)系值(引自45.820的D1表，見(jiàn)表7-5)。

7.1.4下行鏈路預(yù)算

下行鏈路預(yù)算示意圖如圖7-6所示。圖7-6下行鏈路預(yù)算示意圖

1.下行室內(nèi)最大路損計(jì)算

同樣以Hata模型來(lái)計(jì)算NB-IoT的下行信道的路損，NB-IoT下行信道NPBCH、NPDCCH、NPDSCH的鏈路預(yù)算總表如表7-6所示。

在以180?kHz帶寬單位進(jìn)行調(diào)度的前提下，業(yè)務(wù)信道NPDSCH的室內(nèi)最大允許路損計(jì)算步驟如下：

2.基站間距及基站覆蓋面積計(jì)算

NB-IoT系統(tǒng)的覆蓋模型與其他蜂窩無(wú)線系統(tǒng)類似，可理解為正六邊形的蜂窩形狀。其中常用的蜂窩組網(wǎng)有以下兩種類型，如圖7-7所示。圖7-7基站覆蓋模型示意圖

兩種模型下的站間距D和覆蓋半徑R的關(guān)系如表7-7所示。根據(jù)覆蓋半徑R，可推算出單小區(qū)的覆蓋面積。

7.2無(wú)線容量規(guī)劃

7.2.1用戶密度估算此處用戶密度基于兩個(gè)假設(shè)：假設(shè)模型城市為倫敦，假設(shè)每個(gè)家庭擁有40個(gè)NB-IoT設(shè)備。小區(qū)覆蓋范圍如圖7-8所示。圖7-8小區(qū)覆蓋范圍

協(xié)議中計(jì)算思路是：假設(shè)模型城市為倫敦，假設(shè)每個(gè)家庭擁有40個(gè)NB-IoT設(shè)備。則計(jì)算方法如下：

站間距(ISD)?=?1732?m(站間距)

小區(qū)半徑，R=ISD/3=577.3?m(覆蓋半徑)

小區(qū)覆蓋范圍(假定為規(guī)則的蜂窩六邊形)=0.86km2(覆蓋面積)

每小區(qū)終端數(shù)目?=?小區(qū)覆蓋面積?×?家庭密度?

×?每個(gè)家庭的用戶數(shù)

=52547

表7-8列舉了每個(gè)小區(qū)中不同設(shè)備密度。圖7-9蜂窩小區(qū)及基站覆蓋模型圖

小區(qū)覆蓋距離見(jiàn)表7-9。

7.2.2業(yè)務(wù)模型選擇

綜合外場(chǎng)實(shí)際業(yè)務(wù)包大小，選用100bytes為規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，如表7-10所示。

據(jù)模型中業(yè)務(wù)請(qǐng)求周期及比例分布，可計(jì)算得每用戶每小時(shí)平均接入次數(shù)為．

7.2.3信道容量規(guī)劃

1.?NPRACH信道容量

NB-IoT采用基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入方式，UE在NPRACH上發(fā)送Preamble時(shí)給每個(gè)符號(hào)組選擇不同的子載波，即讓1個(gè)Preamble內(nèi)4個(gè)符號(hào)組之間跳頻，但只能在起始位置(NPRACH-SubcarrierOffset-r13inSIB2-NB)以上的12個(gè)子載波內(nèi)跳頻。4個(gè)符號(hào)12個(gè)子載波共48種跳頻方式，即同時(shí)支持48個(gè)用戶發(fā)起隨機(jī)接入請(qǐng)求，超過(guò)此數(shù)量會(huì)發(fā)生隨機(jī)接入沖突。

對(duì)于此類隨機(jī)接入引發(fā)的隨機(jī)沖突，可用泊松分布公式(7-27)來(lái)計(jì)算其發(fā)生概率。

其中：X為某事件發(fā)生的次數(shù)對(duì)應(yīng)函數(shù)；n為事件發(fā)生次數(shù)；λ為單位時(shí)間(或單位面積)內(nèi)隨機(jī)事件的平均發(fā)生次數(shù)。

在隨機(jī)接入過(guò)程中，設(shè)每秒接入總次數(shù)為N，每秒隨機(jī)接入總數(shù)為G，則

覆蓋特性章節(jié)提到，根據(jù)外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，不同覆蓋等級(jí)要達(dá)到MCL條件需要有不同的重傳次數(shù)，對(duì)應(yīng)PRACH資源時(shí)長(zhǎng)為單個(gè)Preamble時(shí)長(zhǎng)?×?重傳次數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表7-11所示。

2.全近點(diǎn)10∶0∶0模型(NPRACH)

所有用戶分布在近點(diǎn)，碰撞概率為1/10?=?10%，每秒接入次數(shù)為

每小時(shí)接入次數(shù)為

3600?×?G?=?113796

3.均勻分布5∶3∶2模型(NPRACH)

近、中、遠(yuǎn)用戶均勻分布，碰撞概率為1/10?=?10%，外場(chǎng)實(shí)際PRACH周期近中遠(yuǎn)點(diǎn)加權(quán)均值為640?ms，則每秒接入次數(shù)為

4.?NPUSCH信道容量

NB-IoT的上行開(kāi)銷主要為NPRACH開(kāi)銷、NPUSCHACK/NAK開(kāi)銷、NPUSCHRRC連接請(qǐng)求/RRC連接建立完成信令開(kāi)銷和NPUSCH業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)開(kāi)銷，其中NPRACH開(kāi)銷占比最大。

NPUSCH信道容量為

NPUSCH信道采用靈活的時(shí)域資源組合RU進(jìn)行調(diào)度。信道章節(jié)提及NPUSCH有兩種傳輸格式，格式1用來(lái)承載上行共享傳輸信道UL-SCH，傳輸用戶數(shù)據(jù)和信令，UL-SCH傳輸塊可通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)物理資源單位RU來(lái)調(diào)度發(fā)送；格式2用來(lái)承載上行控制信息(物理層)，如ACK/NACK應(yīng)答。3GPP協(xié)議36.211d2010.1.2章節(jié)對(duì)兩種格式下RU做了明確的定義，格式1下包含Single-Tone和Multi-Tone兩種模式，支持3.75?kHz和15?kHz子載波間隔；格式2只包含Single-Tone，支持3.75?kHz和15?kHz子載波間隔。

當(dāng)上行采用Single-Tone3.75?kHz模式時(shí)，物理層幀結(jié)構(gòu)最小單位為基本時(shí)長(zhǎng)2?ms時(shí)隙，Single-Tone和Multi-Tone15?kHz模式下，最小單位為時(shí)長(zhǎng)0.5?ms時(shí)隙。Single-Tone以12個(gè)連續(xù)的子載波進(jìn)行傳輸，Multi-Tone可按照3、6、12個(gè)連續(xù)子載波分組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。相關(guān)協(xié)議內(nèi)容如表7-12所示。

用戶接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需完成MSG3/MSG4信令交互，通過(guò)信令統(tǒng)計(jì)，MSGRRC連接建立請(qǐng)求占用88?bit，MSG4RRC連接建立完成占用1304?bit。外場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，各位置用戶相應(yīng)重復(fù)次數(shù)和MCS對(duì)應(yīng)如表7-13所示。

根據(jù)協(xié)議，MCS對(duì)應(yīng)的TBS及NB-IoTNPUSCH信道對(duì)應(yīng)TBS表格分別見(jiàn)表7-14、表7-15、表7-16。

表7-14IRU與NRU關(guān)系表

RU為整數(shù)調(diào)度，IRU對(duì)應(yīng)總TBS數(shù)目大于需傳輸資源總數(shù)，各位置每次數(shù)據(jù)包傳送占用的NPUSCH時(shí)間計(jì)算方式如下：

各位置用戶NPUSCH信道開(kāi)銷如表7-17所示。

5.全近點(diǎn)10∶0∶0模型(NPUSCH)

前面提到，CEL0時(shí)PRACH資源長(zhǎng)CP下重復(fù)兩次對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)為12.8?ms，在所有用戶均分布在近點(diǎn)、PRACH周期設(shè)置為40?ms、NPRACH載波設(shè)置為12且NPURACH與NPUSCH信道預(yù)留15?kHz保護(hù)帶時(shí)，PRACH占用上行信道比例為

NPUSCH信道采用15?kHz子載波間隔Single-Tone模式，上行調(diào)度需考慮頻率資源，12個(gè)子載波每毫秒可用時(shí)域資源總數(shù)為

12?×?(1?-?8.3%)?=?11.004

調(diào)度效率為70%時(shí)，每小時(shí)NPUSCH容量為

6.均勻分布5∶3∶2模型(NPUSCH)

前面提到，CEL0時(shí)PRACH資源長(zhǎng)CP下重復(fù)兩次對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)為12.8?ms，CEL1時(shí)PRACH資源長(zhǎng)CP下重復(fù)4次對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)為25.6?ms，CEL2時(shí)PRACH資源長(zhǎng)CP下重復(fù)32次對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)為204.8?ms。PRACH周期設(shè)置為640?ms、NPRACH載波設(shè)置為12且NPURACH與NPUSCH信道預(yù)留15?kHz保護(hù)帶時(shí)，PRACH占用上行信道比例為

NPUSCH信道采用15?kHz子載波間隔Single-Tone模式，采用RU為基本單位需考慮頻域，則12個(gè)子載波每毫秒可用時(shí)域資源總數(shù)為

12?×?(1?-?12.7%)?=?10.476

調(diào)度效率為70%?時(shí)，每小時(shí)NPUSCH信道容量為

綜上所述，NPUSCH信道在所有用戶分布在近點(diǎn)時(shí)接入能力為346?626，用戶均勻分布時(shí)接入能力為8461。

7.?NPDSCH信道容量

NB-IoT的下行開(kāi)銷包括由NPSS/NSSS、MIB、SIB1和SI系統(tǒng)消息組成的公共開(kāi)銷、尋呼開(kāi)銷、NPDCCH信道開(kāi)銷、NPDSCHMSG2/MSG4/RRC連接釋放開(kāi)銷和NPDSCH數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)開(kāi)銷。

公共開(kāi)銷占比最大，此處僅考慮公共開(kāi)銷，其計(jì)算方式為

實(shí)驗(yàn)室結(jié)果統(tǒng)計(jì)，下行發(fā)送消息中，隨機(jī)接入響應(yīng)占160?bit；RRC連接建立占用152?bit；RRC連接釋放占用64?bit。NB-IoT下行資源調(diào)度與LTE相同，但僅使用QPSK調(diào)度，Standalone模式下MCS范圍為0～12，參考協(xié)議中MCS索引與TBS索引對(duì)應(yīng)關(guān)系表如表7-18所示。

根據(jù)協(xié)議中NB-IoT，ITBS與ISF的TBsize表格如表7-19所示。

結(jié)合ISF與NSF的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)表7-20)，可初步計(jì)算出下行消息單次數(shù)據(jù)包所用時(shí)長(zhǎng)。

覆蓋特性章節(jié)提及，不同用戶位置所需重傳次數(shù)不同，根據(jù)外場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，用戶位置、重傳次數(shù)、MCS等級(jí)關(guān)系如表7-21所示。

單用戶每次發(fā)包占用NPDCCH信道時(shí)間如下：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)用戶對(duì)應(yīng)不同CEL時(shí)，一次數(shù)據(jù)傳輸全流程需要不同次