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用于智能计量的NB-IoT系统部署：覆盖范围和容量性能评估
Marco Pennacchioni, Maria-Gabriella Di Benedetto
信息工程系，罗马拉萨皮恩扎大学电子与电信大学，意大利
pennacchioni.1497658@studenti.uniroma1.it
mariagabriella.dibenedetto@uniroma1.it
Tommaso Pecorella
意大利佛罗伦萨大学信息工程系
tommaso.pecorella@unifi.it
Camillo Carlini, Pietro Obino
意大利电信有限公司 意大利罗马
camillo.carlini@telecomitalia.it
pietro.obino@telecomitalia.it
摘要：物联网为旨在改善我们生活质量的创新应用提供了广泛的机会。在能源领域，智能计量网络的发展使运营商和公司可以提高生产效率并为客户提供更好的服务。 3GPP在版本13中引入了窄带物联网（NB-IoT），这是一种新的蜂窝技术，可为物联网（IoT）和机器类型通信（MTC）提供广域覆盖。 在本文中，我们提出了用于智能电表的NB-IoT系统的部署分析。提供了该系统可以服务的UE的估计数量以及关于扩大LTE技术的覆盖的考虑。
关键词：物联网，LTE，NB-IoT，智能计量，ns-3
I．引言
物联网（IoT）的日益普及正在导致日常生活各个方面的深刻变革。目的是模糊数字世界和物理世界之间的界限，创建一个具有人工智能的互联设备的广泛网络。物联网服务提供的众多机会包括医疗保健，智能计量，跟踪，远程监控和维护。在这种背景下，领先的企业发现了使用高度连接的设备来改善业务绩效和用户生活质量的巨大机会。
以上大多数应用程序都是基于机器类型通信（MTC）的，它实现了设备之间的通信，而没有（或仅是有限的）人工交互。通过这种方式，设备能够自动生成，交换和处理数据。MTC不仅创建被动数据收集点，而且创建智能的机器间协调生态系统。
本文重点介绍了用于智能计量的MTC应用程序。由于MTC的传播，许多行业的业务流程将发生变化。特别是在能源领域，智能电表可提高业务效率并减少公司的运营支出。智能计量系统的关键特性是低功耗，移动性，时延容限以及不经常传输少量数据。
3GPP在版本13中将窄带IoT作为一种新的无线电接入技术引入，它支持LTE功能上的窄带机器类型通信。
这项工作分析了大型MTC场景下NB-IoT的性能，重点是评估覆盖范围和系统容量。目的是研究运营商如何利用此新功能满足客户需求，同时重用现有LTE技术的基础架构。本文的结构如下。在第二部分中，我们讨论了技术和部署方案。第三节介绍了方法和仿真，而第四节则介绍了获得的结果。 第五部分得出结论。
II. 技术与场景
机器类型通信的主要功能之一是功能强大。例如，诸如水，电和煤气消耗之类的用于抄表的设备通常是固定的（因此它们不需要切换），并且发送的数据量很少，大多数情况下仅在上行链路中。由于传输周期宽，因此传输具有时延。在密集的城市场景中，此类设备的数量可能会变得非常高，甚至达到高数量级。由于需要大量的设备，因此它们必须处于低成本范围内。此外，这些设备通常是在没有电源的情况下放置和安装的：为了保证设备有足够的工作时间，优化功耗至关重要。但是，覆盖范围通常很差，因此必须进行重大改进。
3GPP Rel-13[1]定义了NB-IoT的技术规范。NB-IoT可以以三种不同的操作模式进行部署-（1）使用LTE载波内的资源块进行带内传输;（2）利用LTE载波的保护带内未使用的资源块的保护带;以及（3）使用专用载体。这项工作侧重于第一种操作模式，旨在允许运营商使用现有频谱的一小部分来引入NB-IoT：通信站在LTE载波内的180 kHz的单个物理资源块（PRB）中[2]。在上行链路中，在资源块内，可以使用15 kHz或3.75 kHz副载波间隔和常规循环前缀来应用OFDM。结果，在间隔为15 kHz的情况下，单个时隙被分成7个OFDM符号，每个符号由12个子载波组成。在时域中，整个时隙占用0.5毫秒。对于3,75 kHz子载波间隔，每个OFDM符号由48个子载波组成，因此总时隙持续时间为2 ms。对空中接口进行了优化，以实现与LTE的共存，尽管不影响这两种技术的性能：NB-IoT小区连接只允许使用确定的PRB[3]，每个边各由10 kHz的保护带隔开。
该技术的目标是支持大量的低吞吐量设备并提高覆盖范围。与传统的GPRS相比，目标是实现20 dB的扩展覆盖范围。这等效于将最大LTE值从144 dBm的最大耦合损耗（MCL）提高到164dBm的目标MCL。180 kHz NB-IoT带宽也可以实现覆盖增强：节点保持相同的传输功率与LTE情况一样（43 dBm），但将其集中在减小的频率间隔中。这导致较高的功率谱密度（PSD），相对于GSM情况，PSD允许节点达到较高的覆盖距离。如[4]中所述，这导致定义3个覆盖增强（CE）级别，彼此间隔10 dB，最差的情况是从代表标准LTE覆盖的CE0到CE1和CE2。在附加的覆盖级别中，尽管相对于LTE情况而言，信道条件更糟，但通过在上行链路传输中执行重复操作，可以允许网络接收数据：根据测得的CE级别，UE将选择不同的数量重复次数，最多128。
在NB-IoT中，UE在需要建立无线电链路时启动随机访问过程以实现初始访问。RACH过程始终从随机访问前导码的传输开始。一个前同步码由4个符号组组成，每个符号组由一个循环前缀CP和5个符号组成，每个符号在3.75 kHz子载波上进行调制。EnodeB在每个RACH周期提供一组48个前同步码：为了启动随机接入过程，UE选择一个前同步码，并在窄带物理随机访问信道NPRACH上发送它。与UE相比，取决于其信道状况，UE从节点接收随机接入响应（RAR）。在未接收到RAR的情况下，UE知道前同步码传输不成功，并发送另一个：该过程在最大重复次数之前有效，具体取决于CE级别。如果UE在没有获得RAR的情况下达到了最大数量的前同步码传输，则会继续进行下一步的CE级别配置，或者最终向RRC报告失败连接消息。在NPRACH上发生冲突的情况下，在接收到随机接入响应之后发送Message3（msg3）以开始竞争解决过程：当两个（或多个）UE完全相同地发起随机接入过程时发生冲突时间，并且两者都碰巧选择了节点提供的集合的相同前导。在这种情况下，节点保证与设备的连接，从而导致更好的覆盖条件。一旦解决了争用，就将争用解决消息发送到UE，并且RACH过程成功完成。
图1.CE1激活
我们考虑在连接到商业蜂窝网络的NB-IoT原型上进行的测试结果，以验证随机接入过程中其他覆盖级别CE1和CE2的激活：UE根据测得的RSRP级别评估其信道状况。当RSRP降至-110 dBm以下时，将检测到CE1激活，如图1所示；否则，将检测到CE1激活。如图2所示，CE2保证最高RSRP值为-133 dBm的覆盖范围。激活覆盖范围的阈值和相应的重复次数是制造商指定的信息。
该分析的目的是对大规模窄带物联网系统的性能进行评估。 所选案例研究是一个智能电表系统，该系统位于人口稠密的城市场景中：我们要模拟一个城市区域，假设每四个人都有一个设备。检查欧洲主要城市的人口密度得出的平均值为15000 / km2，从而导致单个智能电表用例的UE密度为3750 / km2。该网络由五个站点组成，每个站点由三个扇区组成，平均半径为550 m，因此总覆盖面积为4.5 km2（每个站点0.9 km2）。由于我们正在考虑智能计量系统，因此通信主要基于上行链路端。这些设备以固定的传输周期进行通信。特别是，在这项工作中，我们考虑了三类不同的智能计量设备，每种设备的特点是传输频率不同，因此具有不同的周期性到达时间。
图2.CE2激活
- 1. A级–电能计量（例如，燃气计量）：此类用户设备放置在室内较深的场景中，因此，由于金属屏风或地下区域引起的衰减，它们会受到与室外传播有关的额外路径损耗的影响;安装后，将固定其位置。
- 2. B类–空气质量计量：该类计量器旨在监视家庭或公共场所的空气质量；假定它们静止不动并放置在室外区域。
- 3. C类–室外智能停车：这些设备是放置在圆柱或立杆上的传感器，用于监视室外停车区的行为；它们的位置是固定的，并且假定它们不受任何其他路径损耗的影响。
如[5]中所述，我们假定对于此类设备，固定定期到达时间分别为1天，2小时和1小时。 根据这些值，模拟时间固定为24小时。如[5]中所述，UE应该具有以下有效载荷大小分布：形状参数为2.5且最小应用程序有效载荷大小为20字节且截止值为200字节的Pareto分布（假定有效载荷大于200字节等于截止值）。在仿真中，我们可以根据实际商业网络中的情况为设备假定固定的数据包大小为200字节。UE天线以23 dBm的最大功率进行发射，并在800 MHz的LTE频段上工作。在密集的城市场景中，信道传播的建模方法如[6]。
III．分析与模拟
这项工作旨在评估NBIoT系统的性能，评估为所研究区域的所有用户提供服务的能力。在给定的时间段内，每个发送UE必须能够访问该小区并处理IP流量，
图3.模拟场景：站点位置和单元站点方向
根据预定的交通模型。特别是，我们有兴趣评估覆盖增强级别和重复的实施如何影响系统容量和整体传输性能。我们将效率定义为在考虑的时间段内节点正确接收的数据包数量与整个UE已传输到核心网络的数据包数量之比。
(1)
由于NB-IoT设备没有移动性和固定的传输频率，因此场景中的随机性仅是由于第j个UE开始传输的时刻所致，为此我们可以考虑统一的概率密度函数。和定义为：
(2)
(3)
表示第j个UE发送给核心网的第i个分组；S是分组大小，N是UE的数目，并且是相对于第j个UE的传输频率。
我们使用ns-3（针对Internet系统的离散事件网络模拟器）对这种情况进行了仿真[7]。Ns3按表示移动网络主要功能和层的模块进行组织。由于ns-3尚未用于专用的NB-IoT模块，因此我们已经在LTE模块上开发了系统，并在其上实现NB-IoT关键功能以及必要的假设。由于我们在LTE模块上工作，因此无法在传输中使用单个PRB：我们可以在广播中实际使用的PRB的最小数量为7，因为数量较少的UE无法完成随机接入过程，因此无法连接到网络。在仿真中，我们使用12个PRB来保持与NB-IoT上行链路中使用的12个子载波的频率比例。因为我们在带外操作模式下模拟NB-IoT而不同时实施LTE系统，所以可以选择这种实现方式：不使用通常专用于LTE的频率资源，因此我们可以将其用于NB-IoT传输。这导致我们必须在更大的带宽上传输的数据包分布：我们必须补偿在分组大小中引入的归一化因子12的这种影响。
我们在每个站点随机分配了500个UE，在所考虑的情况下，总共有2500个UE。每个小区的平均半径为550m，对应于0.9 km2的平均面积：这导致UE密度为555.6/km2。在模拟器中不可能实现更多数量的UE，因为最大SRS周期性值320 ms代表了它的上限。我们假设仿真时间为24秒，将每个UE类的分组间间隔的值分别缩放为-（1）A类：24 s，（2）B类：2 s，以及（3）C类：1 s。使用上述设置，得到的有效模拟时间等于10小时。
大量的传输设备代表了NB-IoT的关键限制。 由于随机访问过程是基于竞争的，因此PRACH上的冲突会影响系统性能，进而影响已连接UE的数量[8]。ns-3中的随机访问过程是基于非竞争的：如果两个UE之间发生冲突，则节点将丢弃这两个UE，从而不允许连接到网络。这样，通过仿真估计的流量就缺乏了在真实网络中遇到冲突并赢得竞争解决的所有用户发送的数据。为了评估此百分比的传输如何影响NB-IoT系统的流量，我们评估了随机访问信道上发生冲突的可能性。 通过描述的模拟设置，在节点每隔0.71 ms提供48
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