4G优化案例NBIoT R14覆盖增强特性分析应用.docx

1、4G优化案例NBIoT R14覆盖增强特性分析应用NB-IoT R14覆盖增强特性分析应用XXXX年XX月NB-IoT R14覆盖增强特性分析应用XX【摘要】XXNB-IoT业务发展迅猛，网络负荷加剧，为积极应对NB-IoT发展，省网优在无锡进行了NB-IoT R14协议覆盖增强特性的专题研究。本次试验根据NB-IoT R14协议中的“覆盖增强授权功能”，使得终端能够占用更多网络无线资源，最大程度的挖潜网络能力。从长远来看，NB-IoT R14协议的覆盖增强特性的应用，可为NB业务发展带来突破，实现终端覆盖增强特性的差异化计费，从而发挥出电信NB-IoT网络的自有优势。【关键字】NB-IoT

2、R14协议特性 覆盖增强特性 功能性问题【业务类别】NB、业务支撑、参数优化一、背景描述一.1.测试环境测试网元版本：BTS3900_5900 V100R013C10SPC210；核心网MME版本：V900R012C13SPH101；核心网UGW版本：V900R010C13SPH106；eNodeB关键参数配置：表 1 NB-IoT典型参数配置参数ECL 0ECL 1ECL 2备注PRACH前导重复次数2832CellRachCECfg - PrachRepetitionCountPRACH发送周期640640640PrbRachCeConfig - PrachTransmissionPeri

3、odPRACH子载波数121212PrbRachCeConfig - PrachSubcarrierNumber NPRACH子载波偏置363636PrbRachCeConfig - PrachSubcarrierOffset上行初始传输重复次数1232NbCellUlSchCEAlgo - UlInitialTransRptCount下行初始传输重复次数1116NbCellDlSchCEAlgo - DlInitialTransRptCountACK/NACK传输重复次数2232NbCellUlSchCEAlgo - AckNackTransRptCountMsg4的ACK/NACK传输重复

4、次数2864NbCellUlSchCEAlgo - AckNackTransRptCountMsg4上行MSG3初始MCSMSG3_MCS_2MSG3_MCS_1MSG3_MCS_0PRBULSCHCEALGO InitialMsg3Mcs上行初始MCS900NbCellUlSchCEAlgo - UlInitialMcs下行初始MCS410NbCellDlSchCEAlgo - DlInitialMcsPDCCH最大重复次数816128CellPdcchCECfg - PdcchMaxRepetitionCntPDCCH周期因子222CellPdcchCECfg - PdcchPeriodF

5、actorPDCCH初始传输重复次数因子1/81/81/4CellPdcchCECfg - PdcchTransRptCntFactor测试工具：终端版本：海思芯片V150R100C20B500SP1RC44。一.2.组网环境图1 测试组网图一.3.测试用例与结果评估分类测试用例测试结果速率增强R14特性终端接入流程PASS终端入网正常，Multi-Tone、扩展TBS和双HARQ等速率增强特性基本功能正常。R14特性上行单用户速率PASS1)R14速率增强打开后，Anchor载波单用户近点平均峰值速率120.1kbps。2)R13在只打开Multi-Tone功能时，Anchor载波单用户近点

6、平均速率49.7kbps。3)Non-Anchor载波上行单用户MAC层平均峰值速率147.0kbps（状态报告影响），瞬时峰值速率可达158.5 kbps（具体计算方法见4.2章节）。4)R14速率增强打开后，相比R13上行峰值速率，Anchor载波平均峰值速率提升1.4倍，Non-Anchor载波提升2倍。注： Anchor载波峰值速率与现网系统消息配置、随机接入信道NPRACH配置等有关系，本测试结果基于现网实际配置测试。实验室环境下，通过修改相关参数配置，峰值速率可以更高。R14特性下行单用户速率PASS1)R14速率增强打开后，Anchor载波单用户近点平均峰值速率70.1kbps（

7、仅统计大包调度时81.7 kbps）。2)R13情况下，Anchor载波单用户近点平均峰值速率16.2kbps。3)Non-Anchor载波下行单用户MAC层平均峰值速率84.7kbps，瞬时峰值峰值速率105.7 kbps。4)R14速率增强打开后，相比R13下行峰值速率，Anchor载波平均峰值速率提升3.3倍，Non-Anchor载波提升4.2倍。注：由于测试环境原因，下行采用每秒PING 1400字节模型测试下行速率，由于测试过程存在小包、以及对上行PING的下行应答，会拉低平均速率，导致平均峰值速率偏低。二、测试分析二.1.R14特性终端接入流程二.1.1.测试用例项目:R14速率增

8、强分项目:R14速率增强测试地点建议实验室/外场测试目的:1、验证UE R14速率增强相关能力查询，配置，生效流程；预置条件:1.E-UTRAN版本V100R13C10SPC210以及以上系统正常工作；2.EPC系统V9R10C11版本以及以上版本正常工作；3.NB R14终端，支持eTBS和Harq测试步骤:1.UE开机，发起Attach接入流程，eNB获取UE能力；2.UE完成附着后，等待RRC连接释放；3.在IDLE状态下，发起CP业务，触发UE进入R14速率增强传输；输出数据要求及预期结果1.UE开机附着流程正常，存在空口UE能力查询流程，在终端上报的UE Capability Inf

9、ormation消息中，UE类别为Category NB2，并携带twoHARQ-Processes-r14 字段，且该字段为supported；2.UE完成附着后，因业务而再次发起随机接入过程中，eNB收到msg3后，向MME发起S1AP的RETRIEVE UE INFORMATION流程，向MME获取UE能力信息；3.MME通过UE INFORMATION TRANSFER流程，把UE能力信息提供给eNB，UE信息中包含UE Capability，且UE类别为Category NB2， twoHARQ-Processes-r14 字段为supported；4.eNB得到UE能力后，在MSG

10、4 RRC Connection Setup消息中，配置twoHARQ-ProcessesConfig = TRUE，双HARQ调度生效；5.终端进行CP上下行业务传输，观察DCI N0和DCI N1中HARQ process number（1bit）字段是否正确。二.1.2.测试结论特性开通后，终端可以正常入网，基本功能生效，符合测试预期。二.1.3.测试结果1）UE开机，终端建立RRC连接后，eNodeB通过能力查询流程可以获取到终端能力，支持R14速率增强的扩展TBS(终端能力类型定义为ue-Category-NB: NB2)和twoHARQ特性，能力字段分别为ue-Category-N

11、B-R14和 twoHARQ-Processes-R14 ，显示分别为nb2和supported。eNodeB获取到终端能力后，通过S1AP_UE_CAPASBILITY_INFO_IND消息将终端能力信息发送给MME，MME进行存储。终端再次入网时，eNodeB可以直接从MME获取终端能力，而不需要再从空口获取。图 2 UE初次入网eNodeB从空口获取UE能力并传递给MME图 3 RRC_UE_CAP_INFO_NB消息中显示终端支持扩展TBS和twoHARQ2）UE完成附着后，因业务需要而再次发起随机接入过程中，eNB收到RRCConnectionRequest（携带m-TMSI）后，向

12、MME发起S1AP的RETRIEVE UE INFORMATION流程，向MME获取UE能力信息。3）MME通过UE INFORMATION TRANSFER流程，把UE能力信息提供给eNB，UE信息中包含UE Capability，且UE类别为Category NB2， twoHARQ-Processes-R14 字段为supported，见图4。支持Multi-Tone的终端会在RRCConnectionRequest消息中携带multiCarrierSupport-R13信元为true，见图5。图 4 eNodeB从MME获取终端能力图 5 eNodeB获取UE支持Multi-Tone4

13、）eNB得到UE能力后，在 RRCConnectionSetup消息中，配置twoHARQ-ProcessesConfig = TRUE，双HARQ调度生效。图 6 eNodeB使能twoHARQ调度5）终端进行上下行业务传输，分别观察DCI N0（上行调度）和DCI N1（下行调度）中two_harq_process_number（1bit）字段，显示有两个HARQ进程（two_harq_process_number 0和1），说明eNodeB使用twoHARQ进行调度，两HARQ生效。6）上下行均采用MCS13调度，而3GPP R13的最大MCS为MCS12，说明扩展TBS生效。7）观测上

14、行调度信息中的subcarrier ind len字段，显示为12和6，即上行使用了12tone和6tone调度，Multi-Tone生效。图 7 上行Multi-Tone & eTBS & twoHARQ调度生效图 8 下行eTBS & twoHARQ调度生效二.1.4.结果分析基本功能正常。二.2.R14特性上行单用户速率二.2.1.测试用例项目:R14速率增强分项目:R14速率增强测试地点建议实验室/外场测试目的:1、验证R14速率增强UE上行用户速率；预置条件:1.E-UTRAN版本V100R13C10SPC210以及以上系统正常工作；2.EPC系统V9R10C11版本以及以上版本正常

15、工作；3.NB R14终端，支持eTBS和Harq测试步骤:1.UE附着接入网络；2.调节终端位置使UE工作在好点，MCL=110dB左右，在终端侧发起上行UDP灌包业务，持续3分钟，截图并记录上行平均速率，同时保存log。3.调节终端位置使UE工作在中点，MCL=144dB左右，在终端侧发起上行UDP灌包业务，持续3分钟，截图并记录上行平均速率，同时保存log。4.调节终端位置使UE工作在差点，MCL=154dB左右，在终端侧发起上行UDP灌包业务，持续3分钟，截图并记录上行平均速率，同时保存log。5.调节终端位置使UE工作在极差点，记录掉话前MCL，在终端侧发起上行UDP灌包业务，持续3

16、分钟，截图并记录上行平均速率，同时保存log。输出数据要求及预期结果1.终端接入网络成功；2.终端速率稳定后，记录统计的上行物理层（MAC TBS）速率；3.记录终端侧信道配置相关参数，包括NPRACH配置参数，PDCCH配置参数；4.统计UE的RSRP，上行SINR，上行速率，UE用户面上行时延，上行PRB利用率，NPDSCH/NPUSCH信道MCS，RU，重复次数，双HARQ调度比例，NPDCCH重复次数；二.2.2.测试结论1)R14速率增强打开后，Anchor载波单用户近点平均峰值速率120.1kbps。2)R13在只打开Multi-Tone功能时，Anchor载波近点单用户平均峰值速

17、率49.7kbps。3)Non-Anchor载波上行单用户MAC层平均峰值速率147kbps，瞬时峰值速率可达158.5 kbps。4)R14速率增强打开后，相比R13上行峰值速率，Anchor载波平均峰值速率提升1.4倍，Non-Anchor载波提升2倍。二.2.3.测试概述本测试用例验证速率增强特性开通后的速率增益，包括Anchor载波和Non-Anchor载波。UE入网后，每20ms 发送1350字节数据包，进行上行发包。在eNodeB通过性能监测观测MAC层速率。其中：MAC层上行速率 = MAC层上行传输的总数据包大小 / MAC 层上行传输持续的总的时间。二.2.4.测试结果1)A

18、nchor载波单用户上行速率Anchor载波下，NB-IoT上行速率测试结果如下，可知R14特性打开，Anchor载波上行峰值速率120.1 kbps，相比速率增强前的R13峰值速率49.7kbps提升1.4倍。在RSRP-100dBm情况下，均可达到单用户峰值。图 9 Anchor载波单用户上行MAC层速率表 2 Anchor载波单用户上行MAC层速率RSRP（dBm）3GPP R14速率增强3GPP R13速率上行SINR覆盖等级速率（kbps）上行SINR覆盖等级速率（kbps）-7021.70120.022.7049.6-7522.40120.122.2049.8-8023.00120

19、.223.2049.8-8522.80120.022.9049.8-9021.00120.222.7049.7-9520.90120.021.2049.7-10020.90120.421.0049.7-10517.00117.920.9049.7-11010.4155.513.8123.1-1156.6128.49.4122.0-1203.024.46.023.4-125-2.921.8-1.022.72)Non-Anchor载波单用户上行峰值速率 下图为Non-Anchor载波上行MAC层峰值速率测试记录，平均峰值速率为147.0kbps，相比R13 提升2.0倍。图 10 Non-Anch

20、or载波单用户上行MAC层峰值速率二.2.5.结果分析当Multi-Tone、扩展TBS和twoHARQ打开时，单用户上行峰值会出现在12tone，MCS13和twoHARQ全生效的时候。按照基站的配置，不考虑各种开销和打断情况下，单用户上行的理论峰值为158.5 kbps，即2536bits * 2/ 32ms = 158.5 kbps。其中：2536 bits为MCS 13最大的TBS，12tone 时时域上消耗10个子帧。32ms为覆盖等级0调度周期16ms的整数倍。此时调度的位图示例如下。1/2分别表示twoHARQ进程图 11 理想模型下单用户上行峰值位图该种情况仅会出现在Non-A

21、nchor载波下，因为Non-Anchor载波没有NPSS、NSSS、MIB和SIBx等公共信道开销，调度不会被打断。下图为本次测试结果中eNodeB记录的Non-Anchro载波一次上行峰值速率的调度位图，与图 11类似，在32ms内调度了2个HARQ进程，可见Non-Anchor载波上行瞬间峰值可以达到158.5kbps。图 12 Non-Anchor载波上行调度位图图 13 Non-Anchor载波上行调度位图由于协议要求传输一段时间后，RLC层必须进行数据确认，即需要进行下行调度，对终端上行数据进行确认，由于NB采用半双工，下行调度期间无法传输上行数据，从而上行平均峰值速率会被拉低。下

22、图为RLC层下行确认的调度图，约调度24个上行调度（协议约束RLC层每8Kbytes会有一次状态报告），需要进行1次RLC层下行反馈。下行调度期间，上行调度被打断，从而导致平均峰值速率降低，约147kbps。图 14 RLC层数据传输状态确认Anchor载波下，由于下行信道的#0，#4，#5，#9号子帧需要传输NPSS，NSSS，MIB，SIB1等公共信道消息，且其他子帧也会周期性地被系统消息块SIBx所使用，所以下行NPDCCH的调度可能会被打断，调度次数会比Non-Anchor载波少。同时，由于上行会周期性地出现NPRACH，导致Multi-Tone无法全部调度12tone，只能调度6to

23、ne，所以Anchor载波的平均峰值会低于Non-Anchor载波的峰值。如下图 15和图 16分别为Anchor载波和Non-Anchor载波的调度情况。可知，Anchor载波下每秒平均调度47次，其中12Tone调度 34次，占比72%，6Tone 调度13次，占比28%。Non-Anchor载波平均每秒调度58次，相比Anchor载波调度次数提升23.4%，且100%采用12Tone调度。图 15 Anchor载波Multi-Tone调度图 16 Non-Anchor载波Multi-Tone调度二.3.R14特性下行单用户速率二.3.1.测试用例项目:R14速率增强分项目:R14速率增强

24、测试地点建议实验室/外场测试目的:1、验证R14速率增强UE下行用户速率预置条件:1.E-UTRAN版本V100R13C10SPC210以及以上系统正常工作；2.EPC系统V9R10C11版本以及以上版本正常工作；3.NB R14终端，支持eTBS和Harq测试步骤:1.UE附着接入网络；2.调节终端位置使UE工作在好点，MCL=110dB左右，在终端侧发起下行UDP灌包业务，持续3分钟，截图并记录下行平均速率，同时保存log。3.调节终端位置使UE工作在中点，MCL=144dB左右，在终端侧发起下行UDP灌包业务，持续3分钟，截图并记录下行平均速率，同时保存log。4.调节终端位置使UE工作

25、在差点，MCL=154dB左右，在终端侧发起下行UDP灌包业务，持续3分钟，截图并记录下行平均速率，同时保存log。1.调节终端位置使UE工作在极差点，记录掉话前MCL，在终端侧发起下行UDP灌包业务，持续3分钟，截图并记录下行平均速率，同时保存log。输出数据要求及预期结果1.终端接入网络成功；2.终端速率稳定后，记录统计的下行物理层（MAC TBS）速率；3.记录终端侧信道配置相关参数，包括NPRACH配置参数，PDCCH配置参数；4.统计UE的RSRP，下行SINR，下行速率，UE用户面下行时延，下行PRB利用率，NPDSCH/NPUSCH信道MCS，RU，重复次数，双HARQ调度比例，

26、NPDCCH重复次数；二.3.2.测试结论1)R14速率增强打开后，Anchor单用户近点平均峰值速率70.1kbps。2)R13版本情况下，Anchor单用户近点平均峰值速率16.2kbps。3)Non-Anchor载波下行单用户MAC层平均峰值速率84.7kbps，瞬时峰值速率105.7 kbps。4)R14速率增强打开后，相比R13上行峰值速率，Anchor载波平均峰值速率提升3.3倍，Non-Anchor载波提升4.2倍。二.3.3.测试概述本测试用例验证速率增强特性开通后的速率增益，包括Anchor载波和Non-Anchor载波。由于测试服务器无法向终端进行满灌包测试，改用PING包

27、方式进行下行速率测试，服务器每秒 PING 1次1400bytes的数据包。在eNodeB通过性能监测观测MAC层速率。其中：MAC层下行速率 = MAC层下行传输的总数据包大小 / MAC 层下行传输持续的总的时间。二.3.4.测试结果1)Anchor载波单用户下行速率Anchor载波下，NB-IoT下行速率测试结果如下，可知Anchor载波下行峰值速率70.1 kbps，相比速率增强前的R13峰值速率16.2 kbps提升3.3倍。在RSRP-95dBm情况下，均可达到单用户峰值。该测试项由于测试环境无法采用下行灌包测试，而是采用PING测试替代，PING测试小包数据和上行PING的反馈，

28、会拉低测试结果，详细见4.3.4结果分析章节描述。仅对满包数据进行统计时，下行单用户峰值速率约81.7 kbps。图 17 Anchor载波单用户下行MAC层速率RSRP（dBm）3GPP R14速率增强3GPP R13速率下行SINR覆盖等级速率（kbps）下行SINR覆盖等级速率（kbps）-72 22.0 073.6 18.8 016.3 -75 20.8 068.8 17.5 016.2 -80 21.8 069.1 20.0 016.0 -85 21.6 070.2 19.3 016.3 -90 21.4 068.0 20.3 016.1 -96 20.4 070.9 20.2 01

29、6.1 -101 17.8 065.6 19.0 015.9 -105 13.7 053.4 15.3 014.5 -110 13.2 142.8 12.6 19.4 -115 9.2 132.4 9.6 16.2 -120 4.6 25.6 5.0 22.1 -124 0.9 21.8 0.0 21.5 2)Non-Anchor载波单用户下行峰值速率如下图为Non-Anchor载波监测的下行吞吐率，平均峰值速率为84.7 kbps。图 18 Non-Anchor载波单用户下行峰值速率二.3.5.结果分析当扩展TBS和twoHARQ打开时，Non-Anchor载波单用户下行峰值会出现在MCS13和twoHARQ全生效的时候。按照基站的配置，不考虑各种开销和打断情况下，单用户下行的理论峰值为105.7 kbps，即2536bits * 2/ 48ms = 105.7 kbps。其中：2536 bits为MCS 13最大的TBS，时域上消耗10个子帧。48ms为覆盖等级0调度周期16ms的整数倍。此时调度的位图示例如下。图 19 理想模型下单用户下行峰值位图该种情况仅会出现在Non-Anchor载波下。下图为本次测试的Non-Anchro载波一次下行峰值速率的调度位图，与图 19类似，可见Non-An