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NB-IoT容量规划研究:有效指导NB-IoT网络容量规划和网络扩容

引言

NB-IoT在帧结构、时隙结构、物理信道、数据传输过程等方面与传统的LTE网络都有较大的差别,为了增强下行和上行覆盖,NB-IoT的NPDCCH、NPDSCH、NPUSCH、NPRACH等物理信道可以根据覆盖等级进行多次传输,同时NPDCCH和NPDSCH在不同的子帧进行传输,NB-IoT需要采用与LTE完全不同的容量规划方法。本文接下来分析NB-IoT的下行数据传输进程和下行峰值速率以及上行数据传输进程和上行峰值速率,然后分析NB-IoT用户的业务模型和NB-IoT上行数据报告流程,最后给出NB-IoT容量规划的方法。

1  NB-IoT数据传输进程

由于NB-IoT终端的成本低、处理能力弱,3GPP协议规定,NB-IoT的UE只能进行单进程传输,即某一个时刻只有1个进程传输下行数据或者上行数据。

1.1  NB-IoT下行数据传输进程

NB-IoT的下行数据传输进程如图1所示,eNodeB通过NPDCCH信道发送DCI格式N1的调度消息给UE,通知UE接收下行数据,经过t1时间后,eNodeB通过NPDSCH信道发送下行数据给UE,UE接收NPDSCH信道并解码出下行数据后,经过t2时间,UE通过格式2的NUPSCH信道发送UL A/N消息给eNodeB,通知eNodeB是否正确接收下行数据,UE发送UL A/N消息后的t3时间内,UE不监听NPDCCH信道,同时下一个NPDCCH信道的发送时刻需满足:
 

图1 NB-IoT下行数据传输进程

图1 NB-IoT下行数据传输进程

 


NB-IoT的1次下行数据传输进程的持续时间为:

(1)

式中:
 

tNPDCCH——NPDCCH的传输时间,NPDCCH最多使用Rmax个下行子帧,Rmax在1到2 048之间共有12个取值

t1——NPDCCH结束传输到NPDSCH开始传输的间隔时间,固定为4个下行子帧,即4 ms

tNPDSCH——NPDSCH的传输时间,占用NSF×NRep个下行子帧,其中NSF为1个NPDSCH(对应1个下行传输块)占用的下行子帧数,取值为1,2,3,4,5,6,8,10,NSF由传输的数据块大小和调制方式共同决定,该值越大,信道编码速率越低,编码增益就越大;NRep为NPDSCH的重复次数,在1到2048之间共有16种取值

t2——NPDSCH传输结束到NPUSCH传输开始的间隔时间,上行子载波带宽为15 kHz时,占用12、14、16或17个下行子帧;上行子载波带宽为3.75 kHz时,占用12或20个下行子帧

tNPUSCH2——格式2的NPUSCH的传输时间,占用个上行时隙,为NPUSCH的重复次数,取值为1,2,4,8,16,32,64,128;为上行资源单元(RU)占用的时隙数,取值为4,上行子载波带宽为15 kHz时,上行时隙长为0.5 ms,个时隙的持续时间为2 ms,上行子载波带宽为3.75 kHz时,上行时隙长为2 ms,个时隙的持续时间为8 ms

t3——UE发送NPUSCH后不监听NPDCCH的间隔时间,占用3个下行子帧,即3 ms

T=Rmax×G,Rmax的取值见前文,G的取值为1.5,2,4,8,16,32,64,单位为ms[8]。

上述参数中的Rmax、NRep分别对应NPDCCH、NPDSCH、格式2的NPUSCH的重复次数,重复次数越多,信道增益越大,覆盖能力越强。

NB-IoT的下行速率计算公式如下:

NB-IoT的下行速率=TBS/T2   (2)

假设Rmax=1,G=8 ms,则T=Rmax×G=8 ms,下行传输块取最大值,TBS=680 bit,此时NSF=3,则式(1)中各个参数取值如下时,NB-IoT下行数据传输时间T1为最小值:

Rmax=1,tNPDCCH=1 ms,NRep=1,NSF=3,tNPDSCH=3 ms;t2=12 ms;=1,tNPUSCH2=2 ms;

则,T1=tNPDCCH+t1+tNPDSCH+t2+tNPUSCH2+t3  =1+4+3+12+2+3=25 ms。

下一个NPDCCH开始时间应大于25 ms,且为T=8 ms的整数倍,即T2=32 ms,因此可以计算出NB-IoT的下行峰值速率为680 bit/32 ms=21.25 kbit/s。

1.2  NB-IoT上行数据传输进程

NB-IoT的上行数据传输进程如图2所示,eNodeB通过NPDCCH信道发送DCI格式N0的调度消息给UE,通知UE发送上行数据,经过t4时间后,UE通过格式1的NPUSCH信道发送上行数据给eNodeB,UE发送NPUSCH数据后的t5时间内,不监听NPDCCH信道,eNodeB接收NPUSCH信道并解码出上行数据后,在满足(10nf+ns2)modT=αoffset·T]的时刻,通过NPDCCH信道里面的新数据指示信息,通知UE发送新的上行数据或重传上行数据。
 


NB-IoT的1次上行数据传输进程的持续时间为:

T3=tNPDCCH+t4+tNPUSCH1+t5    (3)

式中:

tNPDCCH——NPDCCH的传输时间


t4——NPDCCH结束传输到NPUSCH开始传输的间隔时间,占用8、16、32或64个下行子帧

tNPUSCH1——格式1的NPUSCH的传输时间,tNPUSCH1=NRepNRU]其中,NRep为NPUSCH的重复次数,取值为1,2,4,8,16,32,64,128,NRU为NPUSCH(对应1个上行传输块)占用的RU数,取值为1,2,3,4,5,6,8,10,为上行RU占用的时隙数,上行子载波带宽为15 kHz时,上行时隙长为0.5 ms,分配给UE的上行子载波数为1、3、6、12时,取值分别为16、8、4、2,个时隙的持续时间分别为8、4、2、1 ms;上行子载波带宽为3.75 kHz时,上行时隙长为2 ms,取值为16,个时隙的持续时间为32 ms

t5——UE发送NPUSCH后不监听NPDCCH的间隔时间,固定为3个下行子帧,即3 ms

NB-IoT的上行速率计算公式如下:

NB-IoT的上行速率=TBS/T4  (4)

假设Rmax=1,G=8 ms,则T=Rmax×G=8 ms,上行传输块取最大值,TBS=1 000 bit,此时NRU=4,则分配给UE不同的子载波数时NB-IoT的上行峰值速率如表1所示。

表1 NB-IoT上行峰值速率
 

表1 NB-IoT上行峰值速率
 

2   NB-IoT容量规划

NB-IoT业务的应用场景包括智能抄表、智能停车、智慧农业、海绵城市等,这些应用主要以传输上行数据为主,对传输下行数据无要求,因此本文的NB-IoT容量规划主要考虑上行容量。

上行子载波带宽有15和3.75 kHz 2种,参考文献[10]建议上行子载波带宽选择15 kHz,本文按照上行子载波带宽为15 kHz来计算上行容量,为了简化起见,假定每个用户只分配1个上行子载波。

2.1  NB-IoT用户的业务模型


除了系统开销外,NB-IoT的上行业务主要由两部分组成,分别是MAR(Mobile Autonomous Reporting)例外报告、MAR周期性报告。

MAR例外报告的应用包括烟雾告警、智能仪表的电力中断通知、非法修改通知等,该类应用基于事件报告机制,只有监测到某个特定事件发生后才发送一次上行数据,该类事件通常是非常稀少的,几个月或者数年才发生一次,因此流量很低,对NB-IoT网络的容量规划影响可以忽略不计,本文暂不考虑这部分流量。

MAR周期性报告的应用包括智能抄表(煤气、水表、电表)、智慧农业、智能停车、智慧环境等,该类应用周期性的向应用服务器发送上行数据,发送周期为半小时、数小时或者数天,NB-IoT的上行流量以MAR周期性报告为主。

根据3GPP 45.820协议[9],MAR周期性报告的业务模型如下:

应用层的负荷:假定应用层的负荷的大小服从于帕累托分布,k=2.5,最小的应用层负荷xmin=20 B,最大的应用层负荷为200 B,负荷高于200 B时被认为是200 B,根据该模型,可知应用层负荷的平均值为xmin×k/(k-1)=34 B,95%的负荷低于64 B。

传输层的负荷:根据3GPP 36.321、36.322、36.323,MAC层的头开销是2 B、RLC层的头开销是4 B、PDCP层的头开销是1 B,IP头采用压缩模式的头开销是4 B,则传输层的负荷是64+2+4+1+4=75 B,折算为600 bit[5-7]。

上报周期:上报周期为1天的占比为40%,上报周期为2h的占比为40%,上报周期为1 h的占比为15%,上报周期为30 min的占比为5%。

假设1个小区内的用户数是NMS,则一天内产生的上行报告次数是:

NReport=NMS×(40%×1+40%×12+15%×24+5%×48)=NMS×11.2   (5)

2.2  NB-IoT上行数据的报告流程

NB-IoT的业务以小的数据包为主,为了降低信令开销,3GPP定义了2种信令优化方案,分别是控制面(CP)CIoT EPS优化方案和用户面(UP)CIoT EPS优化方案[4]。

采用CP CIoT EPS优化方案时,NB-IoT的UE并不需要与eNodeB建立数据无线承载(DRB),只通过信令无线承载(SRB)即可以传输数据。

采用UP CIoT EPS优化方案时,RRC连接释放进入RRC IDLE态后,eNodeB和UE还会保留UE AS层的上下文信息,其中包括UE的能力信息;从RRC IDLE态到RRC CONNECTED态,使用RRC connection resume流程,eNodeB和UE使用以前保留的AS上下文信息即可恢复RRC连接,因此省去了Attach请求、UE能力上报、鉴权和加密等过程,节省了信令开销。

采用UP CIoT EPS优化方案时,NB-IoT上行数据的报告流程如图3所示。
 

图3 NB-IoT上行数据的报告流程

图3 NB-IoT上行数据的报告流程
 

UE需要发送上行数据给应用服务器时,首先通过NPRACH信道发送Random Access Preamble给eNodeB;eNodeB发送Random Access Response消息给UE,该消息包含了对NPUSCH信道的上行调度信息;UE发送RRC Connection Resume Request消息给eNodeB,该消息包含了Resume原因、Resume ID、shortResumeMAC-I等信息,请求恢复RRC连接;eNodeB发送RRC Connection Resume消息给UE,该消息包含了专用的无线资源配置信息;UE发送RRC Connection Resume Complet消息给eNodeB,该消息包含了可选的PLMN标识和可选的NAS数据;UE发送上行数据给eNodeB;eNodeB发送RRC Connection Release消息给UE,该消息属于RLC AM模式,不需要UE反馈确认信息,至此,NB-IoT的一次上行数据报告流程结束。

NB-IoT的一次上行数据的报告流程包括5个NPDCCH调度周期,5个NPDCCH调度周期之和,即为一次上行数据报告的持续时间。

2.3  NB-IoT的上行容量

NB-IoT不支持测量报告,3GPP根据最小路径损耗(MCL)的不同,定义了普通覆盖、扩展覆盖和极端覆盖3个覆盖等级,3个覆盖等级对应的MCL分别是不高于144 dB、不高于154 dB和不高于164 dB,不同的覆盖等级下,NPUSCH信道、NPDSCH信道、NPDCCH信道和NPRACH信道使用不同的MCS和/或重复次数。

在不同的覆盖等级条件下,假设式(1)和式(3)中的各个参数取值如下:

tNPDCCH、T:分别是NPDCCH的传输时间和NPDCCH的周期,在MCL为144、154、164 dB时,假设Rmax的取值分别是1、4、32,G的取值分别是8、8、4 ms,则对应的tNPDCCH分别是1、4、32 ms,对应的T=Rmax×G分别是8、32、128 ms。

tNPDSCH:NPDSCH的传输时间,占用NSF×NRep个下行子帧,假设NPDSCH的传输块大小是20 B,折算为160 bit,对应的TBS尺寸是176 bit,在MCL为144、154、164 dB时,假设NSF取值分别是1、3、6,NRep取值分别是1、4、32;则在MCL为144、154、164 dB时,tNPDSCH分别是1、12、192 ms。

tNPDSCH1:格式1的NPUSCH的传输时间,该时间由NRepNRU决定,[NULslots]个时隙的持续时间固定为8 ms,在MCL为144、154、164 dB时,假设NRep取值分别是1、4和32次。

根据上行传输块的大小,NRU取值分为2种情况,针对承载上行数据的NPUSCH信道,根据2.2节,传输块的大小是600 bit,在MCL为144、154、164 dB时,假设NRU的取值分别是3、6、10,对应的tNPUSCH1分别是24、192、2 560 ms;针对承载信令的NPUSCH信道,假设传输块的大小是20 B,折算为160 bit,对应的TBS尺寸是176 bit,在MCL为144、154、164 dB时,假设NRU取值分别是1、3、6,对应的tNPUSCH1分别是8、96、1 536 ms。

tNPUSCH2:格式2的NPUSCH的传输时间,该时间由决定,个时隙的持续时间固定为2 ms,在MCL为144、154、164 dB时,假设的取值分别是1、4、32,则tNPUSCH2分别为2、8、64 ms。


t1:NPDCCH结束传输到NPDSCH开始传输的间隔时间,固定为4个下行子帧,即4 ms。

t2:NPDSCH结束到NPUSCH开始的间隔时间,在MCL为144、154、164 dB时,假设t2的取值均为12 ms。

t3、t5:UE发送NPUSCH后不监听NPDCCH的间隔时间,固定为3 ms。

t4:NPDCCH结束传输到NPUSCH开始传输的间隔时间,在MCL为144、154、164 dB时,假设t4的取值分别是8、16、32 ms。

根据上述条件,可以计算出在不同覆盖等级下,NB-IoT UE发送1次上行数据的持续时间和1个子载波1天的上报次数如表2所示。

表2 NB-IoT在不同覆盖等级下,1个子载波1天的上报次数
 

表2 NB-IoT在不同覆盖等级下,1个子载波1天的上报次数
 

假设在MCL为144、154、164 dB时的用户数的比例是4∶4∶2,则1个上行子载波(15 kHz)每天可以发送上行数据的次数为:675 000×40%+142 105×40%+    12 500×20%=329 342次。

NB-IoT上行共计有12个带宽为15 kHz的子载波,假设有3个子载波用于NPRACH信道,则用于NPUSCH信道的子载波数有9个;NPUSCH信道除了承载上行数据外,还要承载Attach请求、UE能力上报、鉴权和加密等信令开销,假设业务和信令开销的比例为8∶2;假设重传率是10%,则1个小区1天可以发送上行数据的次数为:329 342×9×80%×(1-10%)=2 134 137次。

根据式(5),可知1个小区可以承载的用户数为:2 134 137/11.2=190 548。

实际网络的负荷不可能达到100%,网络利用率为10%、25%、50%时,单小区可以承载的用户数分别是19 055个、47 637个、95 274个。

3  结束语

由于目前处于NB-IoT网络部署的初期阶段,运营商还在持续的优化NB-IoT网络,上文给出的NB-IoT容量规划的方法,很多参数是通过假设的方法得出的。随着NB-IoT网络的完善和用户数的持续增长,运营商可以通过大数据手段收集NB-IoT用户的上报频率、安装位置等数据,进而对重复次数等关键参数提出有针对性的优化方案,再结合本文给出的容量规划方法,可以更有效的指导NB-IoT网络的容量规划和网络扩容。

参考文献:

[1]    Physical Channels and Modulation:3GPP TS 36.211[S/OL]. [2017-12-22].  ftp://3gpp.org/Specs/.

[2]    Multiplexing and channel coding:3GPP TS 36.212[S/OL]. [2017-12-22].  ftp://3gpp.org/Specs/.

[3]    Physical layer procedures:3GPP TS 36.213[S/OL]. [2017-12-22].  ftp://3gpp.org/Specs/.

[4]    Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN);Overall description;Stage 2:3GPP TS 36.300[S/OL]. [2017-12-22].  ftp://3gpp.org/Specs/.

[5]     Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Medium Access Control (MAC) protocol specification:3GPP TS 36.321[S/OL]. [2017-12-22].  ftp://3gpp.org/Specs/.

[6]    Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Radio Link Control (RLC) protocol specification:3GPP TS 36.322[S/OL]. [2017-12-22].  ftp://3gpp.org/Specs/.

[7]    Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification:3GPP TS 36.323[S/OL]. [2017-12-22].  ftp://3gpp.org/Specs/.

[8]    Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Radio Resource Control (RRC);Protocol specification:3GPP TS 36.331[S/OL]. [2017-12-22].  ftp://3gpp.org/Specs/.

[9]    Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network;Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT):3GPP TR 45.820[S/OL]. [2017-12-22].  ftp://3gpp.org/Specs/.

[10]  张建国. 中国移动NB-IoT部署策略研究[J]. 移动通信,2017,41(1):25-30.

[11]  张建国,徐福永,杨东来. LTE-M关键技术研究[C]//面向5G的LTE网络创新研讨会(2016). 2016:163-167.

[12]  戴博. 窄带物联网(NB-IoT)标准与关键技术[M]. 北京:人民邮电出版社,2016:53-54.

[13]  5G Americas. LTE and 5G Technologies Enabling the Internet of Things.[EB/OL].[2017-12-22].  http://www.5gamericas.org/files/3514/8121/4832/Enabling_IoT_WP_12.8.16_FINAL.pdf

[14]  Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);User Equipment (UE) procedures in idle mode:3GPP TS 36.304[S/OL]. [2017-12-22].  ftp://3gpp.org/Specs/.

作者简介:

张建国,毕业于南京邮电学院,高级工程师,硕士,主要从事无线网络的规划和设计工作。 

 来源:《邮电设计技术》2018年第2期
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