梁松柏，于長(zhǎng)松，許 強(qiáng)（.中國(guó)聯(lián)通河南省分公司，河南鄭州 450008；.中訊郵電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 概述

NB-IoT 技術(shù)工作在180 kHz 帶寬、提供低功耗設(shè)備的蜂窩數(shù)據(jù)連接，廣泛應(yīng)用于智慧城市中停車(chē)、水、電、氣表等業(yè)務(wù)。為保證終端電池壽命，NB-IoT 技術(shù)要求終端不進(jìn)行MR 上報(bào)。一旦海量級(jí)、分散的連接點(diǎn)應(yīng)用需求發(fā)起時(shí)，將無(wú)法快速、有效、精準(zhǔn)評(píng)估每個(gè)需求點(diǎn)上網(wǎng)絡(luò)對(duì)市場(chǎng)需求的滿(mǎn)足度，從而無(wú)法提出NB-IoT精準(zhǔn)的基站、小區(qū)規(guī)劃方案。

在此背景下，構(gòu)建NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與市場(chǎng)滿(mǎn)足度評(píng)估算法及體系以解決如下幾大痛點(diǎn)：

a）現(xiàn)場(chǎng)人工摸排工作導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本居高不下、效率低下的問(wèn)題。

b）NB-IoT網(wǎng)絡(luò)柵格級(jí)覆蓋水平精準(zhǔn)評(píng)估問(wèn)題。

c）市場(chǎng)海量的、分散的連接點(diǎn)應(yīng)用需求滿(mǎn)足度評(píng)估問(wèn)題。

d）滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的基站、小區(qū)開(kāi)通規(guī)模最小化問(wèn)題。

e）無(wú)覆蓋區(qū)域的規(guī)劃支撐問(wèn)題。

2 評(píng)估思路和方法

2.1 總體思路

利用4G 網(wǎng)絡(luò)MR 數(shù)據(jù)中的攜帶經(jīng)緯度的A-GPS數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、4G 和NB-IoT 的DT/CQT 測(cè)試數(shù)據(jù)以及2 個(gè)系統(tǒng)間的覆蓋差異構(gòu)建NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和需求滿(mǎn)足度評(píng)估體系，總體思路和流程如圖1所示。

圖1 構(gòu)建NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與市場(chǎng)滿(mǎn)足度評(píng)估體系流程圖

2.2 覆蓋迭代評(píng)估

2.2.1 A-GPS數(shù)據(jù)柵格化

MR 數(shù)據(jù)包含帶經(jīng)緯度的A-GPS 數(shù)據(jù)，為用戶(hù)手機(jī)GPS 定位算法算出的經(jīng)緯度，位置精度可以達(dá)到1 m。由于手機(jī)能夠搜到衛(wèi)星，基本上可以認(rèn)為是在室外環(huán)境中上報(bào)的MR 數(shù)據(jù)。因此，與參考文獻(xiàn)［3］的處理方法不同，本文只保留A-GPS 數(shù)據(jù)。因?yàn)椴煌瑘?chǎng)景，室內(nèi)外用戶(hù)比例不同，穿透損耗不同，排除掉室內(nèi)外用戶(hù)占比不明、穿透損耗不明的室內(nèi)用戶(hù)上報(bào)的數(shù)據(jù)，留下“清一色”的室外用戶(hù)上報(bào)的MR 數(shù)據(jù)，可以更加精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)同柵格NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的室外覆蓋。然后再根據(jù)需求點(diǎn)建筑物類(lèi)型和穿透損耗預(yù)測(cè)其室內(nèi)覆蓋。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)制式覆蓋差異常量因子

限于篇幅，本文只討論NB-IoT1800與LTE1800之間的覆蓋差異。

20 W情況下參考信號(hào)功率：

NB-IoT1800 參考信號(hào)功率=10×lg（20×1 000/12）=32.2 dBm

LTE1800 參考信號(hào)功率=10×lg（20×1 000/100/12）=12.2 dBm

N1800 與L1800 同頻段，同位置測(cè)試共站小區(qū)，實(shí)際路徑損耗（大氣、遮擋、穿透損耗等）基本一樣，可認(rèn)為兩者路徑損耗等同。N1800 與L1800 參考信號(hào)功率配置不同影響終端接收RSRP，終端接收機(jī)靈敏度與芯片、接收天線增益和天線安裝方式等因素相關(guān)，在不考慮終端接收機(jī)靈敏度的情況下：

網(wǎng)絡(luò)制式差異常量因子a1=N1800 參考信號(hào)功率-L1800參考信號(hào)功率=20 dB （1）

2.2.3 場(chǎng)景覆蓋差異常量因子

根據(jù)用戶(hù)使用習(xí)慣和NB-IoT 應(yīng)用類(lèi)型進(jìn)行場(chǎng)景分類(lèi)，選取典型場(chǎng)景做穿透損耗測(cè)試。分別對(duì)典型場(chǎng)景室外、室內(nèi)近點(diǎn)和室內(nèi)遠(yuǎn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)選用同一個(gè)小區(qū)進(jìn)行定點(diǎn)CQT 測(cè)試，分別記錄室外、室內(nèi)近點(diǎn)和室內(nèi)遠(yuǎn)點(diǎn)RSRP，每個(gè)場(chǎng)景測(cè)試20個(gè)點(diǎn)，可計(jì)算出各場(chǎng)景的穿透損耗如表1所示。

表1 典型場(chǎng)景穿透損耗

由表1可知，各場(chǎng)景穿透損耗存在明顯差異，室內(nèi)近點(diǎn)損耗相比室內(nèi)遠(yuǎn)點(diǎn)損耗差異很大，考慮用戶(hù)實(shí)際使用行為，選取室內(nèi)近點(diǎn)無(wú)法完全模擬全部用戶(hù)的使用環(huán)境，綜合考慮用戶(hù)實(shí)際的使用行為及活動(dòng)區(qū)域，選取室內(nèi)遠(yuǎn)點(diǎn)損耗作為典型場(chǎng)景覆蓋差異常量因子a2，不同場(chǎng)景選取不同的常量a2作為覆蓋迭代模型常量因子。同時(shí)考慮實(shí)際測(cè)試與用戶(hù)行為存在一定的差異，統(tǒng)一向上取整作為覆蓋評(píng)估模型常量因子，N1800具體取值如下：

a）設(shè)備安裝井：20 dB。

b）居民樓：25 dB。

c）寫(xiě)字樓、商場(chǎng)：30 dB。

d）停車(chē)場(chǎng)（負(fù)一層）：40 dB。

2.2.4 覆蓋迭代評(píng)估公式及結(jié)果呈現(xiàn)

基于LTE1800柵格級(jí)A-GPS MR 數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋迭代評(píng)估：

各場(chǎng)景NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)RSRP=場(chǎng)景柵格內(nèi)4G MR的RSRP+a1-a2（2）

考慮頻率之間的差異因子a3，有如下公式：

各場(chǎng)景NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)RSRP=場(chǎng)景柵格內(nèi)4G MR的RSRP+a1-a2+a3（3）

其中，室外RSRP=柵格內(nèi)4G MR 的RSRP+a1，a3=log（f1/f2）基于該公式某市NB-IoT 室外覆蓋情況如圖2所示，其中白色區(qū)域?yàn)槿鄙貯-GPS MR數(shù)據(jù)區(qū)域。

圖2 某市A-GPS MR的N1800室外覆蓋評(píng)估

2.3 覆蓋預(yù)測(cè)評(píng)估

在無(wú)A-GPS MR 數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，利用玄武平臺(tái)，利用A-GPS MR 數(shù)據(jù)以及現(xiàn)有基站工參，進(jìn)行場(chǎng)景的傳播模型校準(zhǔn)，建立基于射線跟蹤模型的室外覆蓋預(yù)測(cè)，并導(dǎo)出柵格級(jí)覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果，形成NB-IoT室外覆蓋預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3.1 仿真結(jié)果導(dǎo)出方式

打開(kāi)玄武平臺(tái)仿真結(jié)果，選擇signal level export插件，選擇導(dǎo)出范圍、最小RSRP、柵格大小和導(dǎo)出文件，保存到服務(wù)器，然后下載到本地。

2.3.2 覆蓋預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)果呈現(xiàn)

導(dǎo)出柵格級(jí)仿真結(jié)果，篩選出所有無(wú)A-GPS MR的空柵格，覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 某市基于仿真的室外覆蓋預(yù)測(cè)

2.4 總體覆蓋評(píng)估結(jié)果呈現(xiàn)

將以上覆蓋迭代評(píng)估和覆蓋預(yù)測(cè)評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，能夠精準(zhǔn)反映NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，將以上2層數(shù)據(jù)映射到20×20的地理柵格位置，就形成了NBIoT全網(wǎng)柵格化覆蓋底層數(shù)據(jù)庫(kù)，為下一步求取市場(chǎng)離散的、海量的NB-IoT終端模組部署位置網(wǎng)絡(luò)覆蓋滿(mǎn)足度提供了底層覆蓋數(shù)據(jù)。評(píng)估結(jié)果地理化呈現(xiàn)如圖4所示。

圖4 室外覆蓋迭代+覆蓋預(yù)測(cè)評(píng)估地理化

在考慮穿透損耗的情況下，不同場(chǎng)景下N1800 的RSRP 差異較大。各場(chǎng)景NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)RSRP=場(chǎng)景柵格內(nèi)柵格4G MR的RSRP+a1-a2，某市各場(chǎng)景RSRP柵格數(shù)占比劃分如下：

設(shè)備安裝井：RSRP＞-90 dBm 占比為98%，覆蓋良好。

居民樓：RSRP＞-85 dBm 占比為95.41%，覆蓋一般。

商場(chǎng)/寫(xiě)字樓：RSRP＞-80 dBm 占比為90.27%，覆蓋不足。

地下停車(chē)場(chǎng)（負(fù)一樓）：RSRP＞-70 dBm 占比為67.37%，覆蓋嚴(yán)重不足。

2.5 覆蓋評(píng)估體系結(jié)果驗(yàn)證

為確保覆蓋評(píng)估體系準(zhǔn)確可靠，項(xiàng)目組對(duì)本市的1 000 個(gè)需求點(diǎn)抽取了分布于不同場(chǎng)景的100 個(gè)點(diǎn)，經(jīng)評(píng)估可靠率達(dá)到95%以上，且平均誤差不超過(guò)3 dB。

在惠文教育移動(dòng)附近的醫(yī)院里進(jìn)行CQT 測(cè)試，測(cè)試收到惠文教育移動(dòng)1 小區(qū)信號(hào)，RSRP 在-75 dBm 左右，記錄此測(cè)試點(diǎn)的經(jīng)緯度，輸入覆蓋評(píng)估體系平臺(tái)中，查看評(píng)估結(jié)果是否與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，以驗(yàn)證覆蓋評(píng)估的準(zhǔn)確性。測(cè)試驗(yàn)證點(diǎn)與周邊小區(qū)關(guān)系如圖5所示。

圖5 測(cè)試驗(yàn)證點(diǎn)與周邊NB-IoT小區(qū)位置關(guān)系

CQT 測(cè)試主要占用NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的惠文教育移動(dòng)1 小區(qū)，覆蓋評(píng)估結(jié)果收到的LTE 站點(diǎn)為惠文教育移動(dòng)_1、太龍醫(yī)藥_3 和合歡街與熒屏路_7，加上系統(tǒng)差異因子a1后，RSRP 預(yù)測(cè)值在-75 dBm 左右，與CQT 測(cè)試數(shù)據(jù)吻合，評(píng)估結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相符，評(píng)估結(jié)果誤差不大（見(jiàn)表2）。

2.6 覆蓋門(mén)限

為了模擬用戶(hù)實(shí)際使用情況，需要測(cè)試上傳達(dá)到極限速率（2 kbit/s）時(shí)的覆蓋情況，在無(wú)干擾場(chǎng)景下，實(shí)測(cè)邊緣極限覆蓋門(mén)限（2 kbit/s上傳）約為-115 dBm，干擾場(chǎng)景下實(shí)測(cè)邊緣極限覆蓋門(mén)限明顯提升，綜合考慮不同底噪水平，分為正常、輕微干擾和嚴(yán)重干擾3種場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，各場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果如表3所示。

獲取某市全網(wǎng)N1800 小區(qū)底噪情況，根據(jù)全網(wǎng)N1800 小區(qū)底噪情況，小區(qū)占比分段后進(jìn)行加權(quán)平均得出全網(wǎng)NB-IoT覆蓋感知臨界門(mén)限為-111.18 dBm。

98.28 %×-115-1.2%×（-115-105）/2-0.45%×（-105-95）/2-0.07%×-95=-111.18 dBm （4）

綜合用戶(hù)的實(shí)際使用環(huán)境，覆蓋越好感知越好，考慮不同干擾極限速率時(shí)覆蓋的多樣性，本市全網(wǎng)N1800覆蓋門(mén)限約為-110 dBm。

3 平臺(tái)構(gòu)建及算法實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖6所示。

3.2 市場(chǎng)需求滿(mǎn)足度算法

表2 測(cè)試點(diǎn)所在柵格MR數(shù)據(jù)情況及覆蓋評(píng)估電平

表3 滿(mǎn)足邊緣速率時(shí)不同干擾程度下最低RSRP電平

以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以A-GPS MR 數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果映射的20×20柵格級(jí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，匹配市場(chǎng)需求，如果柵格內(nèi)有至少1 個(gè)小區(qū)的覆蓋電平大于覆蓋門(mén)限，說(shuō)明該需求能夠獲得滿(mǎn)足。如果沒(méi)有一個(gè)這樣的小區(qū)，則說(shuō)明該市場(chǎng)需求無(wú)法滿(mǎn)足，則提出滿(mǎn)足該需求的新建站址清單（見(jiàn)圖7）。

3.3 最小規(guī)模評(píng)估算法

圖6 平臺(tái)整體架構(gòu)圖

圖7 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與市場(chǎng)需求滿(mǎn)足度算法

將所有滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的NB-IoT 小區(qū)和市場(chǎng)需求建立一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，把NB-IoT小區(qū)按照滿(mǎn)足不同市場(chǎng)需求的數(shù)量大小降序排列并按照需求去重，留下能夠服務(wù)更多需求的小區(qū)清單，從而輸出滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的最小規(guī)模。

驗(yàn)證河南電力公司抄表1 000 個(gè)需求，通過(guò)NBIoT 網(wǎng)絡(luò)與市場(chǎng)滿(mǎn)足度評(píng)估體系平臺(tái)共輸出需開(kāi)通290個(gè)小區(qū)。

4 結(jié)束語(yǔ)

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)與市場(chǎng)滿(mǎn)足度評(píng)估體系相比傳統(tǒng)方法具有精準(zhǔn)、快速、實(shí)用等優(yōu)勢(shì)，依據(jù)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)20×20 m 柵格級(jí)覆蓋庫(kù)，當(dāng)海量級(jí)、分散的連接點(diǎn)應(yīng)用需求發(fā)起時(shí)，可以精準(zhǔn)、有效、快速評(píng)估網(wǎng)絡(luò)對(duì)市場(chǎng)需求的滿(mǎn)足度。

按照本評(píng)估體系，借助IT 化工具，最終形成評(píng)估平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)一鍵式輸入輸出各地（市）柵格級(jí)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋評(píng)估、市場(chǎng)滿(mǎn)足度評(píng)估、滿(mǎn)足需求的最小NBIoT站點(diǎn)和小區(qū)清單、重點(diǎn)保障小區(qū)清單以及規(guī)劃建設(shè)站址等。

該項(xiàng)目解決5G 的mMTC 場(chǎng)景應(yīng)用NB-IoT 技術(shù)的五大痛點(diǎn)；未來(lái)將加快5G 的mMTC 場(chǎng)景應(yīng)用業(yè)務(wù)推廣，促進(jìn)NB 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)自動(dòng)、智能、智慧轉(zhuǎn)型。