四维法提升NBIoTRRC连接成功率.docx
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四维法提升NBIoTRRC连接成功率
“四维法”提升NB-IoTRRC连接成功率
【摘要】当前NB-IOT网络已初具规模，物联网应用前景非常广阔，但随之而来的NB网络优化也是一大难题。
本文通过对NB指标RRC连接建立成功率分析，从覆盖，干扰、容量、个性化参数设置四个维度出发，进行RRC连接低成功率小区的定位与优化方法的探讨，以解决NB网络存在的问题，为NB网络的健康发展提供助力。
【关键字】NB-IoT、RRC建立
【业务类别】NB-IoT
一、分析过程
NB-IoT网络中处于空闲状态的UE发起附着请求或业务请求时触发物理层初始随机接入，建立RRC连接，再通过初始直传建立传输NAS消息的信令连接，最后建立E-RAB的过程。
随机接入开始之前需要对接入参数进行初始化，此时物理层接受来自高层的参数、随机接入信道的参数以及产生前导序列的参数，UE通过广播信息获取RACH的基本配置信息。
RRC连接建立过程是物联网终端连接到网络的第一步，连接建立的成功与失败直接影响用户的感知。
NB-IoT网络将RRC连接建立过程设计发生在eNodeB和MME之间的S1连接建立前，也就是在eNodeB尚未从MME获得任何物联网终端上下文前，eNodeB需要将RRC连接建立完毕，因此该过程主要建立最基本的SRB1。
RRC连接建立成功意味着物联网终端与网络建立了信令连接，是进行其它业务的基础。
导致RRC连接建立失败的几个主要原因如下。
（1）干扰或覆盖原因，基站在下发RRC连接建立（RRCConnectionSetup）后，网络侧定时器内未收到RRC连接建立完成（RRCConnectionSetupComplete）消息，导致定时器超时。
（2）大量用户同时接入，网络侧调度分配空口资源时，由于物理上行链路控制信道（PUCCH）受限，造成基站CPU高负载，网络侧回复RRC连接拒绝（RRCConnectionReject），对RRC连接建立造成严重影响。
RRC连接建立失败主要与无线环境和同一站点用户数量有关。
（3）异常NB-IOT终端大量拨测导致。
二、优化方案
1.1.覆盖及网络结构优化方案
1.1.1.弱覆盖问题
1.1.1.1.弱覆盖优化方案
弱覆盖问题的优化流程图如下：
弱覆盖的优化，根据弱覆盖路段的长短，可分别采用故障处理功率优化、站址调优、新增站点，RF优化等手段。
（1）故障处理：
首先由原覆盖小区故障或邻近站点长期故障引起的覆盖问题，尽快推动故障处理。
（2）功率优化：
出现连续弱覆盖的路段长度小于100米，可以提升主服务小区功率3-6dB来优化，若出现连续弱覆盖的路段长度大于100米，则考虑其他优化手段。
具体功率调整需考虑实际情况，例如周围建筑是否阻挡、RRU功率余量是否充足等。
（3）站址调优：
针对站点位置不理想、或天线挂高不理想等原因无法在附近形成有效覆盖的问题点，而周边有更合理的站点能有效解决弱覆盖，建议进行站址调优。
站址调优需重点考虑换站后，是否会引入新的问题，以及能否对原站点主服务区域实现有效覆盖。
（4）新增站址（新增扇区）：
针对存在大范围弱覆盖的区域，采用新增站址，新增扇区。
（5）RF优化：
由于NB-IoT与CDMA共天馈的情况，RF优化需充分考虑到对CDMA网络的影响，避免CDMA指标波动。
1.1.1.2.重叠覆盖优化方案
重叠覆盖问题的优化流程图下所示。
叠覆盖问题优化，目的是改善SINR质差问题，建议采取小区功率优化、PCI模三优化，站址调优、RF优化、加站等。
（1）故障处理：
首先由原覆盖小区故障或邻近站点长期故障引起的覆盖问题，尽快推动故障处理，常见的影响覆盖的故障以及处理。
（2）PCI优化:
首先可以确定的是该区域存在模三干扰并且影响较为严重，可以尝试PCI调整和功率调整同时进行，因为PCI调整只能解决因重叠覆盖导致模三干扰问题，并不能解决重叠覆盖问题，所以PCI调整需要协同其他优化手段。
PCI模三优化的原则是尽量避免信号最强的3个小区的模三冲突。
（3）功率优化：
对于邻小区与主小区电平差较大（例如4-6dB左右）且重叠覆盖路段较短（100米甚至更短）的情况，可以考虑通过提升主小区功率或者降低邻小区的功率的方式优化。
功率提升或者降低不宜过大，一般在3dB，不建议超过6dB。
（4）站址调优：
当重叠覆盖路段长度大于200米且无法通过功率调整来优化，可以尝试站址调优方式，将重叠覆盖影响较大的站址搬迁到周边位置合适的站址，站址调优需重点考虑换站后，是否会引入新的问题，以及能否对原站点主服务区域实现有效覆盖。
站址调优比较适合于道路交叉口等位置的重叠覆盖问题优化，以及典型的三超站点。
（5）新增站址（新增扇区）：
对于重叠覆盖区域信号杂乱且主小区、邻小区RSRP均处于-80dBm左右时，可以选择新增站址或者新增扇区来优化，通过增加一个强电平信号成为新的主服小区来解决。
（6）RF优化：
对于上述几类方法均无法解决重叠覆盖的，可以考虑通过天馈优化方式解决。
1.2.干扰优化
1.2.1.NB干扰排查方案
NB-IOT属于窄带系统，与LTE宽带宽不同，难以通过干扰频谱特征初步判断干扰源。
实际上，NB-IOT所用频率原为CDMA使用的频率，因此大部分外部干扰源与CDMA干扰源一致。
总结归纳NB-IOT上行干扰排查流程如下：
（1）硬件故障排查解决方法
影响干扰指标的硬件故障主要有以下几个维度排查解决：
Ø通过网管查询解决各类可能造成干扰的告警：
RRU故障、天线通道告警等；
Ø排查天馈、无源器件是否异常；
Ø疑难问题需厂家配合采集RRU日志进行分析。
（2）外部干扰源排查解决方法
针对外部干扰源，可以利用传统扫频仪排查并定位干扰：
当多个小区的干扰同时出现并同时消失，说明多个小区被同一个干扰源干扰，我们可以依此判断干扰源的大致方位，并通过扫频仪采取逐步排查定位干扰源所在区域。
由于屏蔽器有固定信号放大频段，输出功率较为稳定，因此扫频测试波形一般呈直线抬升。
在排查过程中，需要重点关注搜索的区域是否有学校，政府机关，保密单位等可能使用干扰设备的单位。
发现干扰源后，协调整治是完成干扰处理的关键。
在协调整治工作中要遵循信号好的区域的干扰源进行协调拆除，信号较差的区域，采用微型替换的方式进行整治。
同时干扰源的整治工作优先级最高。
以下为整治流程：
1.3.容量/性能优化
1.3.1.NB-IoT容量优化
NB-IoT网络要求实现大连接战略部署，实现万物互联。
根据3GPPTR45.820的附录AnnexE:
TrafficModels容量模型评估计算每小区能够支持约5万个连接。
NB-IoT网络中大量的用户处于休眠状态中，用户的上下文信息由基站和核心网维持，一旦有业务要求，用户立即进入激活状态。
为满足NB-IoT网络海量连接用户数的业务需要，从基站并发接入处理能力和资源利用率与容量关系两个方面开展研究，提供相关容量参数设置，提升NB-IoT网络容量，为后续NB-IoT网络发展提供支撑。
1.3.1.1.NB-IoT网络并发接入处理能力
（1）关键功能、参数设置建议
参数名
参数名名称
建议值
rsrp-ThresholdsPrachInfoList
覆盖等级门限
-110，-120
nprach-Periodicity
nprach周期
{ms320,ms1280,ms2560}
nprach-NumSubcarriers
nprach占用子载波数
{12,12,12}
maxNumPreambleAttemptCE
每个覆盖等级中Preamble传输的最大尝试次数
{10,6,4}
nPrachRepetitionCount
nprach重复次数
{1,4,16}
preambleTransMax
Preamble传输的最大尝试次数
10
SystemInformationBlockType1-NB
SIB1重复次数
16
si-WindowLength
SI窗口长度
640ms
si-Periodicity
SI周期
5120ms
T300
UE等待RRC连接响应的定时器
6000
T310
UE监测无线链路失败的定时器
2000
p0-NominalPUSCH
初始前缀接收功率
-105
powerRampingStep
功率攀升步长
4dB
intraPmax
UE最大发射功率
23
随机接入Backoff机制开关
随机接入信道拥塞控制backoff功能
开启
其中，重点参数配置的原则如下：
1、结合现网的用户分布将覆盖等级划分为3个级别，门限设置为{-110，-120}，保证大部分用户处于CEL0覆盖等级下，防止CEL1与CEL2覆盖等级下用户过多减少小区的容量；
2、根据覆盖等级对NPRACH周期分别设置为320ms,1280ms与2560ms，CEL0用户较多需要更多的NPRACH资源，加速CEL0用户接入，CEL1与CEL2用户数较少，设置较长的PRACH周期减少上行资源的消耗，增加小区容量；
3、对不同覆盖等级的用户PREAMBLE设置，增加用户接入成功率，减少资源消耗；
4、综合考虑覆盖扩展与下行资源消耗，对SystemInformationBlockType1-NB、si-WindowLength与si-Periodicity进行设置，满足系统消息监听的需要，又减少下行资源的消耗；
5、开启随机接入信道拥塞控制backoff功能，控制用户接入防止发生雪崩效应，同时延长UE等待RRC连接响应的定时器等待时间到6000ms，防止UE等待接入时发生掉线；增加UE监测无线链路失败的定时器T310到2000ms，减少掉线后重建对资源消耗；
6、p0-NominalPUSCH设置为-105dbm与powerRampingStep设置为4，增加UE功率提升步长，减少接入尝试次数，缩短随机接入时延，提升随机接入成功率。
（2）并发接入能力
覆盖等级
并发接入能力探究结果
CEL0
并发接入30部终端时出现全部终端10s内未完成RRC接入；
18s可实现并发接入60部终端的RRC接入；
20s可实现并发接入60部终端的Attach接入；
CEL1
并发接入30部终端时出现全部终端10s内未完成RRC接入，20s内未完成Atatch接入；
36s可实现并发接入60部终端的RRC接入；
45s可实现并发接入60部终端的Attach接入；
CEL2
并发接入10部终端时出现全部终端10s内未完成RRC接入；≥20部终端时出现RRC与Attach接入重试。
150s可实现30部终端并发接入的RRC接入；
250s可实现30部终端并发接入的Attach接入；
仅能实现并发接入36部终端的Attach接入；
混合模型覆盖（CEL0/CEL1/CEL2终端比例6:
3:
1）
60s可实现60部终端的RRC接入；
65s可实现60部终端的Attach接入。
1.4.参数优化及配置
1.4.1.随机接入
参数名称
协议参数名称
参数级别
参数解释
设置建议
设置策略
循环前缀长度
nprach-CP-Length-r13
参数级别:
CELL
该参数表示PRACH循环前缀长度，标准支持66.7us和266.7us两种CP长度。
66.7us
当小区半径不超过10Km时，建议配置66.7us；当小区半径大于10Km小于35Km时，建议配置266.7us。
目前通配为66.7us
RSRP门限列表
rsrp-ThresholdsPrachInfoList-r13
参数级别:
CELL
该参数用于判断UE所处的覆盖等级，终端按照对应等级选取对应的参数配置进行随机接入过程。
NB-IoT最多可以配置2个RSRP门限列表（rsrp-Threshold1，rsrp-Threshold2），对应3个覆盖等级。
当UE实际RSRP测量值比RSRP一级门限值（rsrp-Threshold1）高时选择覆盖等级0发起随机接入，当UE实际RSRP测量值介于RSRP一级门限值（rsrp-Threshold1）和RSRP二级门限值（rsrp-Threshold2）之间时选择覆盖等级1发起随机接入，当UE实际RSRP测量值比RSRP二级门限值（rsrp-Threshold2）低时选择覆盖等级2发起随机接入。
rsrp-Threshold1=-107dBm~-112dBm；rsrp-Threshold2=-117dBm~-122dBm；
与功率设置与干扰余量挂钩,当前值域设置下接入性能较优。
NPRACH发送周期
nprach-Periodicity-r13
参数级别:
CE
NPRACH发送周期
SF640/SF1280/SF2560
NPRACH配置的周期越大，UE发起接入等待的时间越长，但是可供调度资源越充足（NPDCCH），且上行资源开销越小；反之亦然。
NPRACH周期不能低于最大覆盖等级配置的NPRACH时长加上最大覆等级的偏置，后一级覆盖等级的偏置不低于前一级覆盖等级的NPRACH时长加上前一级覆盖等级的偏置之和，后一级覆盖等级的偏置和前一级覆盖等级的偏置的差不低于40ms。
如果该参数配置较小导致不同覆盖等级间NPRACH资源重叠，则小区无法激活。
NPRACH频域子载波个数
NPRACHNUMSUBCARRIERS
参数级别:
CE
NPRACH资源配置的频域子载波个数
华为默认配置12/12/12，诺基亚、中兴建议24/12/12。
NRRACH周期与NPRACH频域偏移、频域资源需统筹配置，使得同一小区不同覆盖等级、不同小区间资源避开，从而降低NPRACH所受干扰。
NPRACH频域子载波个数包括竞争和非竞争资源。
PRACH起始时间
PrachStartTime
参数级别:
CE
该参数表示PRACH资源的起始时间。
64/256/512（对应前文发送周期）
寻呼的NPDCCH在2560毫秒周期中的分布为0_9、64_9、128_9、192_9，因此RAR的NPDCCH要与以上时刻错开以免造成冲突。
NPRACH前导重复次数
numRepetitionsPerPreambleAttempt-r13
参数级别:
CE
该参数表示对应覆盖等级前导发送的重复次数。
如果该参数配置不合理导致不同覆盖等级间PRACH资源重叠或者RA-RNTI相同，则小区无法激活。
当该参数配置时，需要关联配置参数PrachDetectionThld，以保证配置的PRACH重复次数对应合理的PRACH信号检测门限。
1,4,16
该参数设置越大，UE在对应覆盖等级发送的前导被基站正确接收的概率越大，但NRACH接入成功的时长可能越长，占用资源越大；该参数设置越小，UE在对应覆盖等级发送的前导被基站正确接收的概率越小，但NRACH接入成功的时长可能越短，占用资源越小。
前导最大尝试次数
MaxNumPreambleAttempt
参数级别:
CE
该参数表示对应覆盖等级前导最大尝试次数。
6;7;7
该参数设置越大，UE在对应覆盖等级发送的前导被基站正确接收的概率越大，NRACH接入成功的时长可能越长；该参数设置越小，UE在对应覆盖等级发送的前导被基站正确接收的概率越小，NRACH接入成功的时长可能越短。
前导最大传输次数
preambleTransMax-r13
参数级别:
CELL
NPRACH总的前导尝试最大发送次数。
7
若终端在前导最大传输次数仍未完成随机接入，则当前随机接入未成功完成。
该参数设置越大，UE发送的前导被基站正确接收的概率越大，但接入成功的时长可能越长。
随机接入响应窗口
ra-ResponseWindowSize-r13
参数级别:
CE
该参数表示终端接收随机接入响应RAR的时间窗口大小。
不同覆盖等级配置不同
10PP;10PP;10PP
NB-IoTRA响应窗单位从子帧改为NPDCCH周期，协议要求RA响应窗的最大长度不能超过10.24s。
该参数设置的过小，可能会影响覆盖差点的随机接入响应接收。
竞争解决定时器
mac-ContentionResolutionTimer-r13
参数级别:
CE
该参数表示随机接入过程中UE等待接收Msg4的有效时长。
单位为对应覆盖等级的NPDCCH周期。
当UE初传或重传Msg3时启动，在超时前UE收到Msg4或Msg3的NACK反馈，则定时器停止。
定时器超时，则随机接入失败，UE重新进行随机接入。
16PP;16PP;32PP
该参数设置越大，UE由于调度时延而不能成功接收Msg4得概率越小，UE重新发送前导的时延越大；该参数设置越小，UE由于调度时延而不能成功接收Msg4得概率越大，UE重新发送前导的时延越小。
1.4.2.定时器
参数名称
协议参数名称
参数级别
参数解释
设置建议
设置策略
T300
T300
CELL
该参数表示定时器300的时长，UE在发送RRCConnectionRequest时启动此定时器。
定时器超时前，如果收到RRCConnectionSetup或者RRCConnectionReject，则停止该定时器。
定时器超时后，UE进入RRC_IDLE态。
20000ms（配套当前NPRACH发送周期）
设置过小，RRC连接建立失败的概率越大，设置过大，RRC连接建立失败的概率越小，UE重新发起RRC连接建立的时延变大。
T301
T301
CELL
UE等待RRC重建响应的定时器长度
20000ms（参考T300,配套当前NPRACH发送周期）
增加该参数的取值，可以提高UE的RRC连接重建过程中随机接入的成功率。
但是，当UE选择的小区信道质量较差或负载较大时，可能增加UE的无谓随机接入尝试次数。
减少该参数的取值，当UE选择的小区信道质量较差或负载较大时，可能减少UE的无谓随机接入尝试次数。
但是，可能降低UE的RRC连接重建过程中随机接入的成功率。
T310
T310
CELL
该参数表示定时器T310的时长，当UE检测到物理层故障时，启动该定时器。
定时器超时前，如果UE检测到物理层故障恢复，则停止该定时器。
定时器超时后，UE进入RRC_IDLE态。
2000ms
该参数配置越大，UE检测到物理层故障恢复的允许时间越长；该参数配置越小，UE检测到物理层故障恢复的允许时间越短。
该参数配置的过大，会增大误包率，增大时延。
开始：
收到N310个连续失步指示；结束：
收到N311个连续同步指示；或者触发切换流程；或者开始RRC连接重建立流程超时后：
回到idle（安全性未被激活）或者开始RRC连接重建立流程（安全性被激活）"
N310
N310
CELL
UE接收下行失步指示的最大个数
10
N310设置的越大，UE对RL失步的判断就越不敏感，可能造成本来不可用的RL迟迟不能被上报RL失步进而无法触发后续的恢复或重建操作；该参数设置过小，会造成不必要的RRC重建。
T311
T311
CELL
UE监测到无线链路失败后转入idle状态的定时器长度
30S
设置值越大，UE进行小区选择过程中所被允许的时间越长，RRCConnectionReestablishment过程越滞后；如果该参数设置过小，可能在某些链路可以被挽救的情况下，却由于定时器设置不合理而进入IDLE状态，引起掉话，严重影响用户感知。
N311
N311
CELL
UE接收下行同步指示的最大个数
1
停止T310定时器所需要收到的最大连续“in-sync”指示的个数,N311设置的越大，越可以保证RL恢复下行同步的可靠性，但相应的也会增加导致T310超时的风险，一旦T310超时，就会触发RLFAILURE原因的连接重建流程；
UE不活动定时器
ue-InactiveTime
CELL
该参数表示eNodeB对NB-IoTUE是否发送或接收数据进行监测，如果NB-IoTUE一直都没有接收或发送数据，并且持续时间超过该定时器时长，则释放该UE。
10s
该参数配置越小，NB-IoTUE在没有业务情况下，越早被释放，会导致用户频繁发起RRC连接请求，且由于正常释放次数增多，会导致统计的掉话率等网络性能指标变好；该参数配置越大，NB-IoTUE在没有业务的情况下，越晚被释放，UE会保持更长的在线时间，占用无线资源，且由于正常释放次数减少，会导致统计的掉话率等网络性能指标恶化。
三、优化效果
问题分析
提取网管近一周日均指标查看，发现万江万鹰NBIOT_13和万江新兴工业区NBIOT_14，俩小区RRC连接建立成功率偏低，从指标上看失败原因全为NB-IoT小区UE无应答而导致RRC连接建立失败。
网元
NB-IoT小区RRC连接建立完成次数（无）
NB-IoT小区RRC连接请求次数（不包括重发）（无）
NB-IoT小区UE无应答而导致RRC连接建立失败次数（无）
NB-IoTRRC连接成功率
NB-IoT小区覆盖等级0下UE无应答而导致RRC连接建立失败次数
NB-IoT小区平均用户数
万江万鹰NBIOT_13
346
627
281
55.18%
281
33.21
万江新兴工业区NBIOT_14
259
578
319
44.81%
319
27.76
通过指标分析，失败原因为NB-IoT小区UE无应答而导致RRC连接建立失败，主要表现方式是等待RRCCONNECTIONSETUPCOMPLETETIMEOUT，导致等待建立完成定时器超时的原因很多，包括弱覆盖、上行干扰、硬件故障、以及参数配置不合理级终端异常等等。
查询现网RRCCONNECTIONSETUPCOMPLETE定时器UUMESSAGEWAITINGTIMER，设置为35，DCI子帧重复次数兼容开关:
开，T300定时器1000毫秒，参数均配置正常。
图：
定时器UUMESSAGEWAITINGTIMER
图：
DCI子帧重复次数兼容开关
图：
T300定时器
建立失败全在小区覆盖等级0，查询小区干扰情况，干扰水平正常，平均每PRB干扰噪声在-120dBm以下，说明主要不为覆盖，干扰导致RRC建立失败。
图：
连接失败覆盖等级
图：
干扰噪声
在排除覆盖及干扰问题后，安排人员进行现场测试，当测试终端行驶至万江万高路富美楼附近时，此区域主要接收到万江万鹰NBIOT（万江万鹰800M）扇区信号、万江新兴工业区NBIOT（万江万鹰800M）信号、万江母局NBIOT（万江母局800M）、万江石美NBIOT（万江石美800M）信号，且此路段区域范围内的RSRP良好，SINR值差，存在严重重叠覆盖及MOD3干扰情况。
测试情况如下：
首先通过EasyIoTNBsignal平台中的问题区域统计功能找到相应线问题点区域，并导出相应的采样点数据；
问题区域测试情况如下（SINR指标）：
同时通过查找该路段，在Mapinfo中找到相对应的区域的基站分布情况。
问题区域基站分布情况如下：
经过结合网管信息、基站工参信息及现网图层分析判断，万江石美和万江母局，属于越区覆盖，需下压下倾角，万江万鹰和万江新兴工业区由于两站站间距离较近，且挂高较高（万江万鹰站点挂高有42米，万江新兴工业区挂高为33米），功率过大，且下倾过小
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