案例-NB-IoT網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)影響的探討分析

1、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)影響的探討分析一、問題描述NB-IOT具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)，主要適用于無需移動(dòng)性、小數(shù)據(jù)量、對時(shí)延不敏感的業(yè)務(wù)，比如智能抄表、環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測等。2018年4月份，杭州市拱墅區(qū)某物聯(lián)網(wǎng)終端研發(fā)企業(yè)提出，該公司正在研發(fā)一款通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的智能設(shè)備，該設(shè)備用于停車位地鎖，需在用戶的汽車駛?cè)搿Ⅰ偝鐾?車位時(shí)實(shí)時(shí)響應(yīng)。由于該業(yè)務(wù)對時(shí)延敏感，要求立即響應(yīng)，不符合一般NB-IoT適用業(yè) 務(wù)特征（NB終端一般對時(shí)延不敏感）杭州電信無線片區(qū)前往該公司研發(fā)辦公室進(jìn)行NB-IoT覆蓋測試分析，并通過分步驟優(yōu) 化提升無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，探討不同

2、覆蓋質(zhì)量下NB業(yè)務(wù)時(shí)延大小變化，分析什么覆蓋條件下才 能實(shí)現(xiàn)用戶對NB網(wǎng)絡(luò)提出的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求，最終評估該公司研發(fā)的終端能否適用于NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)。用戶正在研發(fā)的智能地鎖（示意圖）要求通過NB網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性控制二、問題分析2.1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)特性及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延關(guān)系我們通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)特性，對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延以及實(shí)時(shí)性需求進(jìn)行分析。NB-IoT支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。設(shè)備電池壽命可以提高至 至少10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。NB-IoT具備四大特點(diǎn)：一是

3、廣覆蓋，將提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB，相當(dāng)于提升了 100倍覆蓋區(qū)域的能力；二是具備支撐海量連接的能力，NB-IoT 一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬個(gè)連接，支持低延時(shí) 敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長達(dá)10年；四是更低的模塊成本，企業(yè)預(yù)期的單個(gè)接連模塊不超過5美元。以上NB-IoT網(wǎng)絡(luò)介紹，可提取關(guān)鍵詞：廣覆蓋；用戶支持量大；低功耗；低成本。下面，從以上4點(diǎn)進(jìn)行NB業(yè)務(wù)時(shí)延分析。2.1.1廣覆蓋的實(shí)現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通過窄帶、重傳、低頻，三大特性實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋。窄帶：NB-IoT上行載波帶

4、寬為3.75/15KHZ，目前杭州電信使用的是15KHz帶寬的NB子載 波共12個(gè)子載波占用200KH(含保護(hù)帶寬占20Khz)。相比現(xiàn)有2G/3G/4G 上行200KHz 的 PRB，PSD 增益約為 11dB ：log(200mW/15KHz)/(200mW/180KHz) = 10.7dB。也就是說以單位帶寬攜帶能力計(jì)算，NB-IoT單位帶寬所攜帶的能量比2G/3G/4G高出 約11dB，因此同等情況下可覆蓋更遠(yuǎn)距離。重傳：相比傳統(tǒng)方式，NB-IoT支持更多次數(shù)的重傳。重傳次數(shù)每翻一倍，速率就會(huì)減半，同 時(shí)帶來3dB的增益，通俗點(diǎn)講就是說一遍聽不清，就多說幾遍，提高聽清的概率。標(biāo)準(zhǔn)中 定

5、義上行重傳次數(shù)最大可達(dá)128次，但考慮邊緣場景下的速率以及小區(qū)容量，上行重傳次 數(shù)最大一般限為16次，對應(yīng)9dB的增益(實(shí)際比理論低了約3dB)。低頻：中國電信的NB-IoT部署在800MHz B5頻段內(nèi)。相比高頻，低頻具有路徑損耗更低、 繞射能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，更加適合遠(yuǎn)距離覆蓋。以上NB網(wǎng)絡(luò)三大特征：窄帶、重傳、低頻，帶來了 11dB(PSD)+9dB(重傳)+低頻低 損耗20dB,共同保證了 NB-IoT技術(shù)的更強(qiáng)覆蓋，實(shí)現(xiàn)廣覆蓋。2.1.2廣覆蓋的對業(yè)務(wù)時(shí)延的間接影響根據(jù)統(tǒng)一部署，目前杭州電信主城區(qū)所有LTE800M網(wǎng)絡(luò)都同步開通了 NB-IoT業(yè)務(wù)， NB-IoT基站保有量已明顯提升。在

6、與LTE800基站數(shù)量一致的情況下，正由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)能帶來20dB以上電平值提 升，實(shí)現(xiàn)廣覆蓋的同時(shí)，在主城區(qū)也帶來了覆蓋范圍控制難度加大、易出現(xiàn)重疊覆蓋問題的 負(fù)面影響。重疊覆蓋直接影響SINR，而NB-IoT下行調(diào)度編碼，則與SINR直接關(guān)聯(lián)，主要影響 的是下行調(diào)度時(shí)延。下行調(diào)度時(shí)延主要包含以下組成：PDCCH(DCll)lm$175K: 12nwP2QmiMn, itm Um s下行汨鷹閭!備IM中由切tiEEde頃PD5到成兩+3述5+n（把效幀）3 ms AMC SmsA formatsPDSCH dataWU個(gè)數(shù)Ums)按協(xié)議規(guī)定，下行NPDCCH攜帶的DCI N1消息時(shí)長是

7、1ms。在NB-IOT中，PDCCH上的DCI數(shù)據(jù)如圖所示：也）NdikF1 理 far wrreu t NC-fijarat N1Q NO(UL)-1： X1(EL)NPDCCH cider iniitat-nr0耘磁 DCITltdiEEr-tixig3ZRtTml23：f中5 爻&4J2SERnas=12 %0.1632:64：12S： 256JUJ-Q24E.3 =.wf-2=! a&sigfttfaii3& . L A L 5r A E. 10fcHSrlattDn uiq cc&inz jctEflE4UBS = 11 皿i 12 is 孫ppartai aiy bi E-taii

8、dalana and vndband.Re-petiticai nutiibEdr41.14, tit E. M 1SS.1. % 3B4 512,763,1024 1536:20*8. NECSCHER 重展次戳Me d 眈 iniic aicr2-ffil不反塞值員珞 initial Uansmis-dcnRAMQ加擾時(shí)，為保留bit:AdcNadz csscrrcs-此3.1.4小節(jié)描述D*CI s-E-brcane rspetitiM nLftibsr2其中，下行DCI N1數(shù)據(jù)和接收下行數(shù)據(jù)塊的NPDSCH之間的時(shí)延有如下關(guān)系DCI N1的結(jié)束子幀為n,則NPDSCH開始子幀為n +

9、 5ms+k0。k0為有效子幀數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室單用戶測試的情況下一般k0取值為0，即NPDCCH和NPDSCH之間間隔4ms。NPDSCH上調(diào)度的最小單位是子幀（1ms），下行TB數(shù)據(jù)由多個(gè)子幀傳輸，同時(shí)TB數(shù)據(jù)支持重發(fā)，因此NPDSCH數(shù)據(jù)時(shí)長由TB數(shù)據(jù)長度*重復(fù)次數(shù)決定。子幀個(gè)數(shù)由Resource assignment字段決定，重復(fù)次數(shù)由Repetition number決定。在發(fā)送TBSize長度一定的情況下，編碼方式MCS越高，子幀個(gè)數(shù)越短，數(shù)據(jù)長度越短，同時(shí)選擇重復(fù)次 數(shù)為1，則NPDSCH數(shù)據(jù)時(shí)長最短，可以縮短調(diào)度的時(shí)延。以Ping 32Bytes為例，空口調(diào)度的字節(jié)約77Bytes，

10、如果編碼方式控制在MCS12，重復(fù)次數(shù)為1，則每次發(fā)送NPDSCH數(shù)據(jù)的長度為3ms。如果Ping 200字節(jié)為例，空口調(diào)度約235字節(jié)，按MCS12，重復(fù)1調(diào)度，需發(fā)送3個(gè)TB塊，時(shí)長9ms。而下行MCS編碼是系統(tǒng)根據(jù)下行SINR決定的，和無線質(zhì)量有關(guān)，故SINR值與下行編碼直接相關(guān)，并影響影響數(shù)據(jù)塊發(fā)送時(shí)延。所以NB-IoT網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋的同時(shí)，在基站密集區(qū)域也可能因覆蓋控制難度加大問題，間 接影響覆蓋質(zhì)量，并因覆蓋惡化導(dǎo)致下行調(diào)度時(shí)延加大，如下圖所示。窄武重傳、低特14匚實(shí)現(xiàn)強(qiáng)巍廣融SIN曜比 e Si占同等密集時(shí)覆蓋控制難度加大O影響MSC調(diào)度編碼| I影響數(shù)據(jù)塊傳輸時(shí)延NB-IoT廣覆蓋

11、特性對覆蓋質(zhì)量及時(shí)延的間接影響2.1.3用戶支持量大對時(shí)延的影響NB-IoT比2G、3G、4G有50-100倍的上行容量提升，在同一基站的情況下，NB-IoT 可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù) 200KHz頻率下面，根據(jù)仿真測試數(shù)據(jù)，單 個(gè)基站小區(qū)可支持5萬個(gè)NB-IoT終端接入。實(shí)際上，NB-IoT單小區(qū)僅有180KHz帶寬，僅相當(dāng)于LTE單個(gè)PRB的資源，NB-IoT 射頻帶寬為200KHz，下行速率:大于160kbps，小于250kbps，上行速率:大于160kbps， 小于250kbps，NB-IoT是一個(gè)名副其實(shí)的低速網(wǎng)絡(luò)。以5萬終端在線、下行250Kbps計(jì) 算，如同時(shí)

12、產(chǎn)生業(yè)務(wù)傳輸，平均下行速率僅5bps，傳輸1K數(shù)據(jù)需200秒以上，這在現(xiàn)實(shí) 中是不切實(shí)際的。之所以支持大量用戶同時(shí)在線，正是建立在NB業(yè)務(wù)低功耗、短暫喚醒、 對時(shí)延性不明感、且可大量重傳（最多可重傳200次）的基礎(chǔ)上。由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)低速網(wǎng)絡(luò)，以重傳、單用戶喚醒周期長來滿足支持大量用戶同 時(shí)在線，該特性導(dǎo)致NB-IoT是一個(gè)無法保證實(shí)時(shí)性的網(wǎng)絡(luò)，只適用于時(shí)延不敏感的終端。目前3GPPIoT設(shè)想允許時(shí)延約為10s，但實(shí)際可以支持更低時(shí)延，大概6s左右，如果 時(shí)延要求高于此數(shù)值類型的通信網(wǎng)絡(luò)也不適用。所以目前普遍認(rèn)為：NB-IOT適用于速率在 250Kbps以下，時(shí)延容忍度大于10秒的場

13、景。簡而言之，NB-IoT支持大容量的同時(shí)無法 保障實(shí)時(shí)性。2.1.4低功耗與時(shí)延的關(guān)系低功耗是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)特性之一，“NB-IoT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長達(dá)10年是以終 端平均每天傳送200字節(jié)數(shù)據(jù)、容忍較大時(shí)延評估，即本身即是針對時(shí)延不敏感用戶而言。 主要有以下業(yè)務(wù)參照：自主異常報(bào)告業(yè)務(wù)類型：如煙霧報(bào)警探測器、設(shè)備工作異常等，上行極小數(shù)據(jù)量十 字節(jié)量級），周期多以年、月為單位。自主周期報(bào)告業(yè)務(wù)類型：如公共事業(yè)的遠(yuǎn)程抄表、環(huán)境監(jiān)測等，上行較小數(shù)據(jù)量（百 字節(jié)量級），周期多以天、小時(shí)為單位。遠(yuǎn)程控制指令業(yè)務(wù)類型：如設(shè)備遠(yuǎn)程開啟/關(guān)閉、設(shè)備觸發(fā)發(fā)送上行報(bào)告，下行極小 數(shù)據(jù)量（十字節(jié)量級），周期

14、多以天、小時(shí)為單位。軟件遠(yuǎn)程更新業(yè)務(wù)類型：如軟件補(bǔ)丁/更新，上行下行較大數(shù)據(jù)量需求（千字節(jié)量級）， 周期多以天、小時(shí)為單位。簡而言之，NB-IoT低功耗不適用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。綜上分析，NB-IoT廣覆蓋、大容量、低功耗等特性，均是以考慮用戶容忍時(shí)延相對較 大來評估，不適用于實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。2.2用戶環(huán)境覆蓋優(yōu)化及時(shí)延評估2.2.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量與時(shí)延正相關(guān)此次依照用戶支撐需求，對該公司進(jìn)行不同NB-IoT網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下時(shí)延測試分析，以ping時(shí)延為參考，測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下：SINRj 進(jìn)SINRi勺RSRP 均是荒等皺。占比懿等我wee尊平此 NPRAC n M復(fù)況 散Ping 邑 或功率Ping 時(shí) 延(s

15、)RUNPUSC放NPDSCH亙愈 數(shù)1-079-33.385.83%68.45%25.7J%13.34887896L515.651.8220.882-0.01-77.3612.57%59.45%28. OQ13.1797.65%1.535.669.020.34-84.913.23%87.10%9.68%B.DO92.86%1J46.132.0063241.D&-77.3119,23%60.26%20.51%12,6594.59%1.266.58Z387.655.10由于用戶在主城區(qū)，基站密集，初步測試RSRP在-85dbm以上NB-IoT小區(qū)數(shù)據(jù)達(dá)到 4個(gè)以上，同時(shí)對這些小區(qū)臨時(shí)降低功率、臨

16、時(shí)鎖閉、臨時(shí)天饋調(diào)整（遠(yuǎn)程電調(diào)配合）等操 作下，使RSRP大于-85dbm以上的小區(qū)數(shù)目逐步下降（上表所示），測試辦公室SINR 均 值由0dB以下逐步提升到10以上，對應(yīng)NPRACH、NPUSCH、NPDSCH重復(fù)傳輸次數(shù) 則逐步下降，ping時(shí)延遞減。即證實(shí)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量與業(yè)務(wù)時(shí)延確實(shí)存在正相關(guān)的關(guān)系（此處僅考慮ping時(shí)延，不考慮用戶終端平臺(tái)流程及其他時(shí)延2.2.2 一般覆蓋條件不足以明顯影響終端響應(yīng)時(shí)延從以上測試評估情況來看，當(dāng)測試區(qū)域SINR值平均在0左右時(shí)，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋等 級集中在Level 1（占比68.45%），此時(shí)ping時(shí)延為1.51s，當(dāng)SINR提升至10以上，Level 0實(shí)現(xiàn)100%時(shí)，ping時(shí)延為0.74s，ping時(shí)延縮小至約一半，但ping時(shí)延縮短時(shí)間不足 1秒，即網(wǎng)絡(luò)覆蓋影響時(shí)間在1秒以內(nèi)。以上測試情況導(dǎo)入實(shí)際中時(shí)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)無時(shí)延，用戶下發(fā)指令經(jīng)過NB平臺(tái)到停車場智 能地鎖之間響應(yīng)時(shí)延為2秒，此時(shí)如果不同位置SINR在010之間時(shí)，那么總時(shí)延為 2.743.51秒，即在一般網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量下（SINR=0以上），網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量原因?qū)B物聯(lián) 網(wǎng)終端實(shí)際響應(yīng)的時(shí)延的影響很小。實(shí)際上，在SINR值變化提升情況下，現(xiàn)場用戶對研發(fā)中的設(shè)備進(jìn)行測試時(shí)，從遙控器 下發(fā)指令（通過NB網(wǎng)絡(luò)），到地面智能終端響