第7章無線網絡規劃7.1無線覆蓋規劃7.2無線容量規劃

7.1無線覆蓋規劃

NB-IoT憑借其海量連接、低功耗等特點，逐漸戰勝其他多種物聯網技術，例如：SigFox、LoRa等。

作為衡量網絡質量的標準之一，覆蓋特性是保證用戶體驗的基礎，是高質量、高性能的移動通信網絡的根基與命脈。與LTE及GSM網絡相比，NB-IoT不僅自身基礎覆蓋性能得到了明顯提升，同時一系列特色創新技術更是為建設無死角、高標準網絡提供了得天獨厚的性能優勢。

我們知道NB-IoT設備的無線環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境中。這些環境不僅無法部署移動天線，而且對無線電信號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的各類場景下終端的覆蓋需求。

7.1.1覆蓋基礎特性分析

1.?MCL——衡量覆蓋能力的指標

在移動通信系統中，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域。當前移動通信網絡采用最大耦合路損(MaximumCouplingLoss)即MCL來表示覆蓋性能，最大耦合路損即為發射機到接收機的最大能量損耗。

基站接收靈敏度可理解為基站所能接收到的最小手機發射功率(即上行功率)；接收機靈敏度指的是終端所能接收到的最小基站發射功率(即下行功率)。在NB-IoT及多數其他網絡系統中，用路損來表示信號在空間傳播所產生的損耗。基站發射功率確定后，用RS發射功率來控制實際覆蓋距離，UE接收功率用RSRP表示，那么可得到路損如下：

路損?=?RS發射功率(eNodeB)?-?RSRP(UE） (7-3)

NB-IoT與GSM覆蓋性能對比，詳見表7-1。

2.覆蓋等級

3GPPR13協議中NB-IoT定義了3個覆蓋等級，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發射功率下，分別對應MCL?=?144?dB、MCL?=?154?dB、MCL?=?164?dB，針對不同覆蓋等級，系統可以配置不同的隨機接入參數，覆蓋等級見表7-2。

最多可以定義兩個RSRP門限，第一個門限被當做RSRPthreshold1，第二個門限被當做RSRPthreshold2。若只定義一個值，則RSRP大于該閾值對應CEL0，小于該閾值對應CEL1。若定義兩個RSRP閾值M，N(M?>?N)，則RSRP小于N對應CEL2，N?<?RSRP?<?M對應CEL1，RSRP?>?M對應CEL0。相關信令內容如圖7-1所示。圖7-1覆蓋等級取值范圍

在NB-IoT中，不同的覆蓋等級對應不同的接入參數以及門限，針對不同的CEL等級，小區會廣播一個所接收的參考信號的功率閾值表，相關參數在網管側可根據實際情況選擇。此外，不同的CEL對應不同的重傳次數，CEL為0時，信道質量條件最好，要達到MCL的要求所需要的重傳次數最少；相反CEL為2時，信道質量條件最差，所需要的重傳次數也就最多。終端根據接收到的下行參考信號強度，對比覆蓋等級門限，由終端判斷當前是處在哪個覆蓋等級內，然后再以該覆蓋等級的接入參數來發起隨機接入流程。相關流程如圖7-2所示。圖7-2覆蓋等級判決流程

3.?NB-IoT業務需求

根據實驗室仿真及運營商外場測試結果，各業務要適配速率及覆蓋需求，如表7-3所示。

4.覆蓋規劃

為滿足不同物聯網業務的覆蓋要求，NB-IoT網絡邊緣覆蓋目標建議按照CEL=1覆蓋等級規劃，如果只考慮較低的業務速率和覆蓋要求，則NB-IoT網絡邊緣覆蓋目標可以按照CEL=2覆蓋等級規劃，如圖7-3所示。圖7-3覆蓋等級CEL示意圖

7.1.2鏈路預算

鏈路預算是對系統的覆蓋能力進行評估，簡單地說就是計算能覆蓋多遠，計算的思路是在保證最低接收靈敏度的前提下，無線傳播的路徑上所能容忍的最大傳播損耗，這個傳播損耗也叫做最大允許路損。得到最大允許路損值后，結合傳播模型公式，就可以計算得到單小區的覆蓋半徑R。

鏈路預算又分為下行鏈路預算和上行鏈路預算，實際中，由于手機功率是定值，因此上行受限情況較多，我們優先考慮上行鏈路預算，然后再計算下行的鏈路預算，下文中都以業務信道鏈路預算為例。鏈路預算模型如圖7-4所示。圖7-4鏈路預算模型

1.傳播模型概述

傳播模型是移動通信網小區規劃的基礎，傳播模型的準確與否關系到小區規劃是否合理，運營商是否以比較經濟合理的投資滿足了用戶的需求。

在規劃和建設一個移動通信網時，從頻段的確定、頻率分配、無線電波的覆蓋范圍、計算通信概率及系統間的電磁干擾，到最終確定無線設備的參數，都必須依靠對電波傳播特性的研究、了解并據此進行的場強預測。而無線傳播模型是一種通過理論研究與實際測試的方法歸納出的無線傳播損耗與頻率、距離、環境、天線高度等變量的數學公式。

地球表面無線傳播環境千差萬別，不同的傳播環境的傳播模型也會存在較大差異。所以傳播環境對無線傳播模型的建立起關鍵作用。確定某一特定地區的傳播環境的主要因素有：自然地形(高山、丘陵、平原、水域等)；人工建筑的數量、高度、分布和材料特性；該地區的植被特征和天氣狀況；自然和人為的電磁噪聲狀況；系統工作頻率和移動臺運動狀況。

常見的經典傳播模型：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

無線電波在自由空間傳播時沒有損耗，此時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上行鏈路預算

上行鏈路預算圖如圖7-5所示。圖7-5上行鏈路預算圖

1.上行室內最大允許路損計算

以Hata模型為例計算上行隨機接入信道NPRACH和上行業務信道NPUSCH的覆蓋距離，計算表格如表7-4所示。

在以15?kHz子載波為單位進行調度的前提下，NPUSCH的室內最大允許路損計算如下：

2.小區覆蓋距離

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

如何能快速計算以上影響條件和修正因子呢？為方便計算，協議中通過仿真計算，得出頻率和路損的關系值(引自45.820的D1表，見表7-5)。

7.1.4下行鏈路預算

下行鏈路預算示意圖如圖7-6所示。圖7-6下行鏈路預算示意圖

1.下行室內最大路損計算

同樣以Hata模型來計算NB-IoT的下行信道的路損，NB-IoT下行信道NPBCH、NPDCCH、NPDSCH的鏈路預算總表如表7-6所示。

在以180?kHz帶寬單位進行調度的前提下，業務信道NPDSCH的室內最大允許路損計算步驟如下：

2.基站間距及基站覆蓋面積計算

NB-IoT系統的覆蓋模型與其他蜂窩無線系統類似，可理解為正六邊形的蜂窩形狀。其中常用的蜂窩組網有以下兩種類型，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的關系如表7-7所示。根據覆蓋半徑R，可推算出單小區的覆蓋面積。

7.2無線容量規劃

7.2.1用戶密度估算此處用戶密度基于兩個假設：假設模型城市為倫敦，假設每個家庭擁有40個NB-IoT設備。小區覆蓋范圍如圖7-8所示。圖7-8小區覆蓋范圍

協議中計算思路是：假設模型城市為倫敦，假設每個家庭擁有40個NB-IoT設備。則計算方法如下：

站間距(ISD)?=?1732?m(站間距)

小區半徑，R=ISD/3=577.3?m(覆蓋半徑)

小區覆蓋范圍(假定為規則的蜂窩六邊形)=0.86km2(覆蓋面積)

每小區終端數目?=?小區覆蓋面積?×?家庭密度?

×?每個家庭的用戶數

=52547

表7-8列舉了每個小區中不同設備密度。圖7-9蜂窩小區及基站覆蓋模型圖

小區覆蓋距離見表7-9。

7.2.2業務模型選擇

綜合外場實際業務包大小，選用100bytes為規劃標準，如表7-10所示。

據模型中業務請求周期及比例分布，可計算得每用戶每小時平均接入次數為．

7.2.3信道容量規劃

1.?NPRACH信道容量

NB-IoT采用基于競爭的隨機接入方式，UE在NPRACH上發送Preamble時給每個符號組選擇不同的子載波，即讓1個Preamble內4個符號組之間跳頻，但只能在起始位置(NPRACH-SubcarrierOffset-r13inSIB2-NB)以上的12個子載波內跳頻。4個符號12個子載波共48種跳頻方式，即同時支持48個用戶發起隨機接入請求，超過此數量會發生隨機接入沖突。

對于此類隨機接入引發的隨機沖突，可用泊松分布公式(7-27)來計算其發生概率。

其中：X為某事件發生的次數對應函數；n為事件發生次數；λ為單位時間(或單位面積)內隨機事件的平均發生次數。

在隨機接入過程中，設每秒接入總次數為N，每秒隨機接入總數為G，則

覆蓋特性章節提到，根據外場測試結果，不同覆蓋等級要達到MCL條件需要有不同的重傳次數，對應PRACH資源時長為單個Preamble時長?×?重傳次數，具體數據如表7-11所示。

2.全近點10∶0∶0模型(NPRACH)

所有用戶分布在近點，碰撞概率為1/10?=?10%，每秒接入次數為

每小時接入次數為

3600?×?G?=?113796

3.均勻分布5∶3∶2模型(NPRACH)

近、中、遠用戶均勻分布，碰撞概率為1/10?=?10%，外場實際PRACH周期近中遠點加權均值為640?ms，則每秒接入次數為

4.?NPUSCH信道容量

NB-IoT的上行開銷主要為NPRACH開銷、NPUSCHACK/NAK開銷、NPUSCHRRC連接請求/RRC連接建立完成信令開銷和NPUSCH業務數據開銷，其中NPRACH開銷占比最大。

NPUSCH信道容量為

NPUSCH信道采用靈活的時域資源組合RU進行調度。信道章節提及NPUSCH有兩種傳輸格式，格式1用來承載上行共享傳輸信道UL-SCH，傳輸用戶數據和信令，UL-SCH傳輸塊可通過一個或幾個物理資源單位RU來調度發送；格式2用來承載上行控制信息(物理層)，如ACK/NACK應答。3GPP協議36.211d2010.1.2章節對兩種格式下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。

當上行采用Single-Tone3.75?kHz模式時，物理層幀結構最小單位為基本時長2?ms時隙，Single-Tone和Multi-Tone15?kHz模式下，最小單位為時長0.5?ms時隙。Single-Tone以12個連續的子載波進行傳輸，Multi-Tone可按照3、6、12個連續子載波分組進行數據傳輸。相關協議內容如表7-12所示。

用戶接入網絡時，需完成MSG3/MSG4信令交互，通過信令統計，MSGRRC連接建立請求占用88?bit，MSG4RRC連接建立完成占用1304?bit。外場實際測試結果表明，各位置用戶相應重復次數和MCS對應如表7-13所示。

根據協議，MCS對應的TBS及NB-IoTNPUSCH信道對應TBS表格分別見表7-14、表7-15、表7-16。

表7-14IRU與NRU關系表

RU為整數調度，IRU對應總TBS數目大于需傳輸資源總數，各位置每次數據包傳送占用的NPUSCH時間計算方式如下：

各位置用戶NPUSCH信道開銷如表7-17所示。

5.全近點10∶0∶0模型(NPUSCH)

前面提到，CEL0時PRACH資源長CP下重復兩次對應的時長為12.8?ms，在所有用戶均分布在近點、PRACH周期設置為40?ms、NPRACH載波設置為12且NPURACH與NPUSCH信道預留15?kHz保護帶時，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，上行調度需考慮頻率資源，12個子載波每毫秒可用時域資源總數為

12?×?(1?-?8.3%)?=?11.004

調度效率為70%時，每小時NPUSCH容量為

6.均勻分布5∶3∶2模型(NPUSCH)

前面提到，CEL0時PRACH資源長CP下重復兩次對應的時長為12.8?ms，CEL1時PRACH資源長CP下重復4次對應的時長為25.6?ms，CEL2時PRACH資源長CP下重復32次對應的時長為204.8?ms。PRACH周期設置為640?ms、NPRACH載波設置為12且NPURACH與NPUSCH信道預留15?kHz保護帶時，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個子載波每毫秒可用時域資源總數為

12?×?(1?-?12.7%)?=?10.476

調度效率為70%?時，每小時NPUSCH信道容量為

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

7.?NPDSCH信道容量

NB-IoT的下行開銷包括由NPSS/NSSS、MIB、SIB1和SI系統消息組成的公共開銷、尋呼開銷、NPDCCH信道開銷、NPDSCHMSG2/MSG4/RRC連接釋放開銷和NPDSCH數據業務開銷。

公共開銷占比最大，此處僅考慮公共開銷，其計算方式為

實驗室結果統計，下行發送消息中，隨機接入響應占160?bit；RRC連接建立占用152?bit；RRC連接釋放占用64?bit。NB-IoT下行資源調度與LTE相同，但僅使用QPSK調度，Standalone模式下MCS范圍為0～12，參考協議中MCS索引與TBS索引對應關系表如表7-18所示。

根據協議中NB-IoT，ITBS與ISF的TBsize表格如表7-19所示。

結合ISF與NSF的對應關系(見表7-20)，可初步計算出下行消息單次數據包所用時長。

覆蓋特性章節提及，不同用戶位置所需重傳次數不同，根據外場實際測試結果，用戶位置、重傳次數、MCS等級關系如表7-21所示。

單用戶每次發包占用NPDCCH信道時間如下：

根據實驗結果，當用戶對應不同CEL時，一次數據傳輸全流程需要不同次