NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)分析與優(yōu)化實(shí)踐

0 NB-IoT概述

物聯(lián)網(wǎng)世界存在大量的傳感類、控制類連接需求，這些連接對(duì)速率要求很低，但對(duì)功耗和成本非常敏感，且分布很廣、海量，現(xiàn)有的3/4G技術(shù)從成本上無(wú)法滿足需求。目前2G雖然已在承擔(dān)一部分對(duì)功耗要求相對(duì)不高的業(yè)務(wù)需求，但明顯還有大量需求無(wú)法得到滿足，也不是長(zhǎng)期發(fā)展的方案。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）成為萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

1 NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)

“低功耗”是NB-IoT技術(shù)具備的最大優(yōu)勢(shì)之一。物聯(lián)網(wǎng)終端的工作環(huán)境相比較個(gè)人終端的工作環(huán)境要復(fù)雜得多，有些物聯(lián)網(wǎng)終端會(huì)部署在高溫高壓的工業(yè)環(huán)境中，有些則遠(yuǎn)離城市、放置在人跡罕至的邊遠(yuǎn)地區(qū)，還有一些可能深嵌地下或落戶在溪流湖泊之中，很多設(shè)備需要電池的長(zhǎng)期供電來(lái)工作，由于地理位置和工作環(huán)境無(wú)法向它們提供外部電源，所以更換電池的成本也異常高昂，因此“低功耗”是保證他們持續(xù)工作的一個(gè)關(guān)鍵需求。在不少應(yīng)用場(chǎng)景中，一小粒電池的電量需要維持某個(gè)終端“一生”的能量供給，因此能夠降低功耗的技術(shù)在NB-IoT中尤為重要。

1.1 PSM省電模式

PSM（PowerSaving Mode，省電模式），是3GPP R12引入的技術(shù)，其原理是允許UE在進(jìn)入空閑狀態(tài)一段時(shí)間后，關(guān)閉信號(hào)的收發(fā)和AS（接入層）相關(guān)功能，這相當(dāng)于關(guān)機(jī)，在此模式下，終端仍舊注冊(cè)在網(wǎng)但信令不可達(dá)，從而使終端能夠更長(zhǎng)時(shí)間駐留在深睡眠，減少通信元器件（天線、射頻等）的能源消耗，達(dá)到省電的目的。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，終端的一個(gè)TAU周期最大可達(dá)310H（小時(shí)）；“空閑狀態(tài)”的時(shí)長(zhǎng)最高可達(dá)到3.1小時(shí)（11160s）。

從技術(shù)原理可以看出，PSM適用于那些幾乎沒(méi)有下行數(shù)據(jù)流量或?qū)ο滦袠I(yè)務(wù)時(shí)延沒(méi)有要求的應(yīng)用場(chǎng)景。云端應(yīng)用和終端的交互，主要依賴于終端自主性地與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。在絕大多數(shù)情況下，云端應(yīng)用是無(wú)法實(shí)時(shí)“聯(lián)系”到終端的。

表1 T3324參數(shù)配置取值表

配置原則和建議：

（1）如果對(duì)于下行業(yè)務(wù)有實(shí)時(shí)性要求，不建議開(kāi)通PSM功能；如果不開(kāi)通PSM功能，則不應(yīng)有T3324參數(shù)。

（2）對(duì)于上報(bào)業(yè)務(wù)建議配置PSM，PSM Active Timer配置為8秒（包含三次尋呼機(jī)會(huì)）。

（3）對(duì)于有下行業(yè)務(wù)但不要求實(shí)時(shí)性的，PSM Active Timer配置為2分鐘并且配置eDRX周期為20.48s（提供多次下行傳輸機(jī)會(huì)）。

1.2 差異化TAU

終端需要周期性地做TAU，向網(wǎng)絡(luò)報(bào)告終端的在網(wǎng)狀態(tài)。但TAU過(guò)程耗電（紅色、藍(lán)色、黑色）遠(yuǎn)大于PSM態(tài)的耗電（灰色），周期性的TAU會(huì)造成功耗增加，因此可以考慮結(jié)合業(yè)務(wù)及現(xiàn)網(wǎng)情況，配置差異化的TAU周期，來(lái)達(dá)到省電的目的。TAU與功耗相關(guān)的參數(shù)為T3412。

圖1 差異化TAU運(yùn)行機(jī)制圖

配置原則和建議：

（1）T3412決定終端向網(wǎng)絡(luò)報(bào)告在網(wǎng)狀態(tài)的時(shí)間間隔，同時(shí)需兼顧功耗，在配置PSM模式且無(wú)主動(dòng)觸發(fā)下行業(yè)務(wù)場(chǎng)景時(shí)，初步建議盡可能配置大的T3412（例如大于業(yè)務(wù)周期）。

（2）T3412（TAU周期）在標(biāo)準(zhǔn)中共217個(gè)值，綜合考慮業(yè)務(wù)情況和現(xiàn)網(wǎng)情況，在標(biāo)準(zhǔn)值基礎(chǔ)上進(jìn)行篩選得出90個(gè)值，取值范圍54min～310小時(shí)，排除粒度過(guò)小值（秒級(jí)），同時(shí)遵循取值大于等于現(xiàn)網(wǎng)數(shù)值（54min）。

表2 T3412參數(shù)配置取值表

1.3 eDRX省電模式

eDRX（Extended idle mode DRX，擴(kuò)展不連續(xù)接收模式），是3GPP R13引入的技術(shù)。R13之前已經(jīng)有DRX技術(shù)，終端在待機(jī)態(tài)周期監(jiān)聽(tīng)尋呼消息，在PTW窗口內(nèi)，終端監(jiān)聽(tīng)尋呼消息，在PTW窗口外，終端不監(jiān)聽(tīng)尋呼消息。eDRX是對(duì)原DRX技術(shù)的增強(qiáng)，支持的尋呼周期更長(zhǎng)，從而達(dá)到節(jié)電的目的。

從技術(shù)原理可以看出，eDRX適用于下行數(shù)據(jù)傳送的需求相對(duì)較多，但允許終端接受消息有一定的延時(shí)，可根據(jù)設(shè)備是否處于休眠狀態(tài)決定緩存消息或者立即下發(fā)消息，如智能穿戴設(shè)備。

配置原則和建議：

（1）eDRXCycle建議基于業(yè)務(wù)的時(shí)延敏感度配置。對(duì)于時(shí)延小于20.48s的MT業(yè)務(wù)，不配置eDRX。建議eDRX周期根據(jù)業(yè)務(wù)需求分為20.48s、81.92s及163.84s三種。

（2）對(duì)于配置eDRX的業(yè)務(wù)，建議PTW配置為10.24秒，包含一次尋呼消息重發(fā)的機(jī)會(huì)（考慮核心網(wǎng)尋呼消息重發(fā)間隔6s）。

2 NB-IoT實(shí)踐與案例

2.1 A市智慧路燈優(yōu)化案例

2.1.1 智慧路燈優(yōu)化背景

目前A市在中南西路與環(huán)湖路路口部署了8個(gè)路燈，進(jìn)行智慧路燈業(yè)務(wù)試點(diǎn)。分別在8個(gè)路燈下進(jìn)行定點(diǎn)無(wú)線環(huán)境測(cè)試，信號(hào)良好，8個(gè)路燈全在覆蓋等級(jí)0的范圍。電平達(dá)到-70dbm，SINR達(dá)到20左右。

在調(diào)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在打開(kāi)省電模式后，由于此場(chǎng)景并不適用，導(dǎo)致路燈上電后，嘗試對(duì)路燈進(jìn)行控制時(shí)，發(fā)現(xiàn)下了指令之后，路燈響應(yīng)時(shí)延普遍較長(zhǎng)，有時(shí)候甚至無(wú)響應(yīng)。

2.1.2 智慧路燈優(yōu)化思路

圖2 A市智慧路燈試點(diǎn)分布

通過(guò)信令分析，發(fā)現(xiàn)下發(fā)了paging消息之后，會(huì)存在UE無(wú)響應(yīng)的情況，等到周期性上報(bào)心跳數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)把指令帶下來(lái)并響應(yīng)。

圖3 智慧路燈信令消息一

圖4 智慧路燈信令消息二

而在初始附著的時(shí)候，MME下發(fā)attach accept的消息里，攜帶了PSM和eDRX的狀態(tài)。

圖5 智慧路燈信令消息三

因此初步懷疑是開(kāi)啟PSM、eDRX狀態(tài)導(dǎo)致UE有不應(yīng)答的情況，懷疑PSM、eDRX的開(kāi)啟導(dǎo)致路燈響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，甚至長(zhǎng)至超時(shí)定時(shí)器，故而導(dǎo)致無(wú)應(yīng)答的情況。

2.1.3 智慧路燈調(diào)整建議

為了不耽誤演示進(jìn)度，將PSM與EDRX同時(shí)關(guān)閉，進(jìn)行復(fù)測(cè)，此時(shí)在attach accept消息里，不再攜帶PSM與EDRX的設(shè)定。

圖6 智慧路燈信令消息四

復(fù)測(cè)后，沒(méi)有再出現(xiàn)問(wèn)題。

圖7 智慧路燈信令消息五

總結(jié)：PSM、eDRX技術(shù)能夠減少消息的交互，繼而節(jié)省能耗，這是NB-IoT中的關(guān)鍵技術(shù)。可與此同時(shí)，也犧牲了部分應(yīng)用性能。所以，PSM、eDRX技術(shù)并不是在所有場(chǎng)景下均可適用，不可盲目開(kāi)啟，需要根據(jù)實(shí)際情況配置，或可關(guān)閉或可修改計(jì)時(shí)器參數(shù)以適應(yīng)目標(biāo)場(chǎng)景。

2.2 C市智能水表優(yōu)化分析

2.2.1 業(yè)務(wù)場(chǎng)景

規(guī)模：智能水表應(yīng)用位于麗都城市花園和新橋東方花苑，總數(shù)約500個(gè)。

覆蓋距離：

新橋東方花苑：主要由2小區(qū)（分屬2個(gè)基站）覆蓋，基站距終端覆蓋距離分別約170米、420米。

麗都城市花園：主要由3小區(qū)（分屬2個(gè)基站）覆蓋，基站距終端覆蓋距離分別約310米、580米。

2.2.2 話務(wù)模型

通過(guò)核心網(wǎng)針對(duì)水表終端的IMSI跟蹤抓包，水表行為如下：

（1）UE分別在05：14及17：14主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，通過(guò)Control Plane Service Request，應(yīng)用數(shù)據(jù)嵌入在InitialUEMessage中，上報(bào)兩次，數(shù)據(jù)包大小196字節(jié)和168字節(jié)。

（2）水表應(yīng)用平臺(tái)收到終端上報(bào)數(shù)據(jù)后，發(fā)下行確認(rèn)包，數(shù)據(jù)包大小55字節(jié)。終端如果收不到下行的確認(rèn)數(shù)據(jù)，會(huì)每2秒搜索一次下行數(shù)據(jù)，一共搜索20次，共40秒，如果40秒都沒(méi)有收到下行數(shù)據(jù)，會(huì)間隔20分鐘后再重新上報(bào)，重復(fù)的次數(shù)為三次。

（3）UE在 15：15發(fā) 起 Tracking area update， 距 上 次UeContext Release 10小時(shí)。終端擴(kuò)展TAU周期為10小時(shí)。

2.2.3 節(jié)電模式

水表在attach和TAU的過(guò)程中，會(huì)主動(dòng)上報(bào)活動(dòng)定時(shí)器T3324=10s，擴(kuò)展TAU周期T3412_ext=20.48s，以及擴(kuò)展eDRX=81.92s。

圖8 TAU Request消息

現(xiàn)網(wǎng)MME側(cè)設(shè)定：T3412=34min，T3324=60s。

通過(guò)與MME協(xié)商后，在TAU accept消息中下發(fā)T3324=120s，以避免PSM與eDRX參數(shù)沖突，T3412_ext=10h。

2.2.4 水表性能統(tǒng)計(jì)

通過(guò)提取后臺(tái)統(tǒng)計(jì)，水表區(qū)域的情況如下：

（1）覆蓋等級(jí)分布：CE0/CE1/CE2的分布分別為48.46%、33.04%、18.51%，覆蓋偏弱。

（2）RRC成功率：CE0/CE1/CE2的RRC成功率分別為97.31%、85.06%、44.44%。RRC總成功率83.48%。

統(tǒng)計(jì)顯示覆蓋偏弱，且RRC成功率偏低，尤其是CE2的成功率偏低。

2.2.5 參數(shù)優(yōu)化

由于天線性能的差異，水表模組接收到的信號(hào)會(huì)比測(cè)試終端低20dB左右，加上現(xiàn)場(chǎng)水表鐵箱導(dǎo)致的信號(hào)衰減，致使水表接收到的信號(hào)普遍比較弱。因此初步懷疑模組在搜索網(wǎng)絡(luò)信號(hào)過(guò)程中，到了T3324設(shè)定的時(shí)間，還沒(méi)有完成接入就進(jìn)入了PSM狀態(tài)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)上報(bào)不成功。

修改建議：

（1）通過(guò)調(diào)整T3324，讓水表有更多的時(shí)間進(jìn)行小區(qū)選擇，增加其數(shù)據(jù)上報(bào)的成功率。

（2）通過(guò)修改T3324，能夠增加模組的搜網(wǎng)時(shí)間，增加在網(wǎng)絡(luò)附著的成功率，提升上報(bào)率。

（3）通過(guò)修改小區(qū)駐留門限，可以改善模組駐留小區(qū)的無(wú)線環(huán)境，從而提升數(shù)據(jù)上報(bào)成功率。

12月29號(hào)針對(duì)覆蓋水表的2個(gè)小區(qū)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，調(diào)整后RRC連接成功率如下圖所示。

圖9 調(diào)整前后RRC連接成功率趨勢(shì)

圖10 調(diào)整前后水表上報(bào)率趨勢(shì)

從指標(biāo)統(tǒng)計(jì)可以看出RRC連接成功率均有提升，其中CE2的較為明顯；水表上報(bào)率也有明顯改善。

3 結(jié)束語(yǔ)

NB-IoT技術(shù)可滿足對(duì)低功耗、長(zhǎng)待機(jī)、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業(yè)務(wù)，更適合靜態(tài)業(yè)務(wù)，以及對(duì)時(shí)延低敏感、非連續(xù)移動(dòng)、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，適合于小數(shù)據(jù)量、低頻次、終端主動(dòng)上報(bào)模式的應(yīng)用，能夠充分利用低功耗的特性。

本文對(duì)NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了剖析，重點(diǎn)結(jié)合現(xiàn)有的試驗(yàn)網(wǎng)實(shí)踐結(jié)果，對(duì)實(shí)踐中遇到的問(wèn)題及優(yōu)化思路進(jìn)行了分析，著重對(duì)低功耗、廣覆蓋方面的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了詳細(xì)分析。隨著NB-IoT對(duì)行業(yè)的不斷滲透，生態(tài)體系的不斷完善，其發(fā)展將給當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)層面帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。