Измерение сигналов NB-IoT-анализатором VIAVI CellAdvisor для оценки качества и эффективности сетей IoT

Оценка качества несущей LTE

При анализе внутриполосного сигнала NB-IoT рекомендуется начать тестирование с проверки соответствующей широкополосной несущей LTE. Процедура начинается с рассмотрения общей формы радиочастотного сигнала и завершается более подробным демодуляционным анализом, включая распределение ресурсных блоков и т. д. Успешная проверка общих характеристик несущей LTE обеспечит наилучшие условия для последующего более подробного анализа сигнала от нового сервиса NB-IoT.

Перед активацией нового сервиса IoT основное внимание при проверке сигнала NB-IoT в полевых условиях уделяется всестороннему анализу возможного влияния нового сигнала на существующую LTE-несущую, которая в обычном режиме передается с базовой станции eNodeB (по терминологии LTE). Каким бы ни был новый сигнал NB-IoT — потенциальным агрессором или жертвой по отношению к несущей LTE, — существуют разные сценарии, которые учитываются при работе во внутриполосном и автономном режимах или в защитной полосе сети.

Канал восходящей связи сети NB-IoT во внутриполосном режиме является наиболее чувствительным к помехам, из-за которых ухудшается производительность всей сети.

Спектральный анализ

Основываясь на характеристиках узкополосного сигнала, при тестировании передатчика NB-IoT следует проверить поведение сигнала в радиочастотной среде с использованием классического анализа спектра (рис. 1, 2).

Рис. 1. Спектр сигнала по нисходящей линии связи LTE и NB-IoT

Заметим, что спектрограмма нисходящей линии связи, приведенная на рис. 1, показывает сигнал LTE с удержанием усредненных значений Max и Min Hold, что является очень удобной формой для визуализации максимальных и минимальных значений реального LTE-сигнала во времени. Эта простая проверка наличия сигнала NB-IoT в спектре позволит установить значения мощности сигнала, принимаемого модемом (RX), и SINR (Signal Interference + Noise Ratio — отношение уровня полезного сигнала к уровню шума), в частности в местах с проблемами покрытия.

Рис. 2. Спектр сигнала по восходящей линии связи LTE и NB-IoT

Кстати, при исследованиях спектра в случае использования режима защитной полосы сети или в автономном режиме следует отличать сигнал NB-IoT от несущей GSM в рассматриваемой зоне покрытия, поскольку радиочастотные сигналы обоих типов занимают почти одинаковую полосу частот, хотя и различаются по форме.

Анализ идентификатора соты (Cell ID)

Современные анализаторы базовых станций, например платформа VIAVI CellAdvisor, сканируют идентификатор соты (Cell ID), определяя отношение сигнал/шум пилотного сигнала LTE (RS-SINR), чтобы обнаружить помехи и оценить эффективность соты (ячейки сети).

Если соседние LTE-ячейки используют одинаковую радиочастоту, но разделены кодом идентификатора соты, абонентское устройство, например смартфон, принимает сигналы со всех сотовых узлов с одинаковой радиочастотой, что загрязняет пилотные сигналы LTE-каналов и символы. Пример результатов измерений значения RS-SINR как уровня помех пилотного сигнала представлен на рис. 3.

Рис. 3. Пример анализа канала для идентификаторов ячеек № 109 и 319

В идеальном случае хотелось бы, чтобы значения RS-SINR превысили 10 дБ для заданного идентификатора Cell ID с активированной услугой NB-IoT. Например, идентификатору Cell ID № 109 на рис. 3соответствует значение 16,88 дБ, указывающее на оптимальные условия для дальнейшего анализа. Измеренное значение для идентификатора Cell ID ячейки № 319 в этом же примере составляет 7,46 дБ, что не обеспечивает благоприятных условий для проведения дальнейших измерений, особенно для более чувствительного к уровню мощности внутриполосного сигнала NB-IoT. Как правило, значения RS-SINR выше 10 дБ обеспечивают более высокую достоверность и стабильность результатов при проведении измерений и анализа сигналов для сети LTE и сети NB-IoT, в частности во внутриполосном режиме.

Анализ дейтаграмм

Спектрограммы — еще один оптимальный способ для контроля изменения радиочастотных сигналов во времени, что особенно полезно для проверки уровней мощности узкополосного сигнала по сравнению с широкополосной несущей LTE (рис. 4).

Рис. 4. Дейтаграмма PRB для LTE и NB-IoT (внутриполосный режим) для нисходящей линии связи

На рис. 4 показана спектрограмма в режиме LTE Datagram, который позволяет быстро идентифицировать и контролировать все изменения во времени для ресурсного блока (PRB), назначенного для сигнала NB-IoT. Динамический диапазон мощности блока NB-IoT PRB, или усиление мощности NB-IoT, представляет собой разность между мощностью несущей NB-IoT (занимающей один блок PRB несущей LTE в полосе частот или 180 кГц в защитной полосе) и средней мощностью по всем несущим (и LTE, и NB-IoT).

Согласно требованиям стандарта 3GPP динамический диапазон мощности NB-IoT должен быть больше или равен 6 дБ. По сути, эта величина является определяющей и в режиме работы в полосе сети LTE, и в защитной полосе сети LTE.

Карта распределения данных LTE

Другой способ идентификации конкретного блока PRB, выделенного для предоставления сервисов NB-IoT во внутриполосном режиме, — использование карты распределения данных, предлагаемой в наборе инструментов анализатора сигналов VIAVI CellAdvisor. Карта распределения данных (рис. 5)быстро оценивает фактическое применение блоков PRB LTE-сети, включая те, что назначены для вновь развернутого сервиса NB-IoT.

Рис. 5. Карта распределения данных в анализаторе сигналов VIAVI CellAdvisor

Карта распределения данных, приведенная на рис. 5, показывает состояние использования каждого блока PRB в одном полном кадре (10 мс). Такое графическое представление позволяет легко определить, какой PRB активен в тот или иной момент времени. Это очень эффективный способ быстро проверить конкретный активный PRB-блок, назначенный для передачи сигнала NB-IoT.

Каналы синхронизации и управления LTE

Следует учитывать также общую производительность каналов управления LTE. Скажем, в типичных внутриполосных конфигурациях NB-IoT узкополосный сигнал использует одни и те же каналы синхронизации, что и несущий кадр LTE. Например, этот сценарий получил широкое распространение в ранних версиях внутриполосной технологии NB-IoT.

Рис. 6. Каналы управления LTE

Анализатор сигналов VIAVI CellAdvisor предоставляет возможность анализа сигналов для демодуляции несущей LTE и быстрой оценки производительности каналов управления и передачи данных (рис. 6, 7).

Рис. 7. Каналы данных LTE (PDSCH — физический канал для передачи информации по нисходящему каналу с разделением пользователей)

Для выявления возможных помех, распространяющихся в соседние ресурсные блоки, осуществляются также измерения мощности канала данных, формат модуляции и показателя EVM каждого отдельного PRB-блока.

Эти измерения очень полезны, поскольку на практике сигнал NB-IoT занимает только один PRB-блок, и потому такой анализ канала данных позволяет понять и выявить любые возможные искажения между PRB-блоками.

Установив, что несущая LTE предоставляет оптимальные условия по мощности передаваемого сигнала, распределению ресурсных блоков, производительности каналов управления и передачи данных, можно перейти к следующему этапу, чтобы выполнить аналогичный ряд измерений конкретного внутриполосного сигнала NB-IoT, связанного с несущей LTE-сети.

Промежуточные итоги

Итак, проверка работы новых физических каналов и сигналов, вводимых в нисходящую и восходящую линию связи, необходима для того, чтобы сеть NB-IoT не создавала помехи в сети LTE, и наоборот.

Рассмотренные нами тесты позволяют проверить наличие сигнала NB-IoT и убедиться в том, что широкополосные LTE- и узкополосные NB-IoT-несущие корректно транслируются в радиочастотной среде с установленными уровнями мощности и шума.

В частности, используя эффективный анализ дейтаграмм с анализатором сигналов VIAVI CellAdvisor, можно идентифицировать соответствующий узкополосный ресурсный блок и точнее выполнить предварительный демодуляционный анализ внутриполосного сигнала NB-IoT.

Качество внутриполосного сигнала NB-IoT

При запуске сервиса NB-IoT одной из основных проблем становятся перекрестные помехи между ресурсными блоками. Карта распределения данных демонстрирует состояние использования каждого блока в одном полном кадре LTE, позволяя быстро определить, какой блок активен в любой момент времени и не мешает ли он соседним блокам (рис. 8).

Рис. 8. Влияние паразитного излучения от соседнего PRB-блока

На рис. 8показано влияние паразитного излучения на соседний блок PRB. Эта помеха ухудшает качество сигнала в соседнем канале (и наоборот, несколько PRB-блоков из передающего канала LTE могут влиять на качество канала NB-IoT).

Анализ пилотного сигнала

Одной из общих процедур измерения качества сигнала является анализ так называемых пилотных, или опорных, сигналов несущей LTE. Во время работы в сети базовая станция (eNodeB) и абонентские устройства (UE) непрерывно измеряют качество сигнала с помощью этих пилотных сигналов. Например, станция eNodeB определяет качество передаваемого абоненту сигнала путем измерения пилотных сигналов UE и запроса по обратной связи индикаторов качества канала (Channel Quality Indication, CQI).

Узкополосный пилотный сигнал NRS

Один из самых эффективных способов начать оценку сигналов NB-IoT состоит в более детальном анализе качества пилотного сигнала в узкополосной нисходящей линии связи (Narrowband Reference Signal, NRS).

Для определения того, что сигнал NB-IoT корректно передается базовой станцией, измеряется величина модуля вектора ошибок (Error Vector Magnitude, EVM) (рис. 9). Модуль вектора ошибки — весьма полезный показатель качества сигнала, на который воздействуют шумы, мешающие сигналы, искажения, в том числе даже уровень нагрузки трафика. Как правило, EVM выражается в децибелах. Согласно стандартам 3GPP, показатель EVM модуляции NRS-сигнала не должен превышать 17,5%, что легко проверяется с помощью анализатора сигналов VIAVI CellAdvisor.

Рис. 9. Оценка качества внутриполосного сигнала NB-IoT и характеристик модуляции

Тест по оценке EVM должен выполняться для каждой несущей NB-IoT по всем выделенным ресурсным блокам и подкадрам нисходящей линии связи в течение 1 мс. Заметим, что узкополосные пилотные сигналы не передаются в подкадрах, содержащих каналы синхронизации NPSS или NSSS Narrowband Primary/Secondary Synchronization Signal (первичный/вторичный сигнал синхронизации).

Результаты проведенных испытаний продемонстрировали, что использование показателя EVM позволяет эффективно измерять мощность и выявлять любое потенциальное взаимодействие между PRB-блоками или оценивать влияние помех от сторонних источников радиочастотного излучения.

При этом анализ радиопомех должен осуществляться в режиме фактической нагрузки NB-IoT- и LTE-сети.

Практические примеры анализа

Пример 1. Перекрестные помехи внутри узла сотовой связи

При тестировании базовой станции LTE с новым сервисом NB-IoT сначала проверяется любое возможное влияние активного сигнала NB-IoT на соседние PRB-блоки, с помощью которых, например, передается голос по LTE (VoLTE) или другие данные на устройства, не относящиеся к IoT, в частности смартфоны, обслуживаемые тем же узлом базовой станции (рис. 10).

Рис. 10. Влияние повышения мощности NB-IoT на соседние PRB-блоки того же узла сотовой связи

В этом случае необходимо, чтобы значительная часть мощности блока NB-IoT не попадала в соседние PRB-блоки, назначенные другим абонентам и обслуживаемые той же базовой станцией.

Одна из наиболее эффективных процедур тестирования для обнаружения перекрестных помех в комбинированном узле сотовой связи LTE/NB-IoT состоит в использовании карты распределения данных в анализаторе сигналов VIAVI CellAdvisor, измерении мощности по каналу беспроводной связи (over-the-air, OTA) и показателя EVM соседних PRB-блоков в поддерживаемом динамическом диапазоне.

Пример 2. Взаимное влияние двух ближайших базовых станций

В этом случае узел ячейки NB-IoT создает сигнал, покрытие которым накладывается на покрытие другой рядом расположенной базовой станции, передающей стандартный сигнал LTE (рис. 11).

Рис. 11. Покрытие сигналом от сети NB-IoT накладывается на покрытие другой рядом расположенной базовой станции, передающей стандартный сигнал LTE

В этом случае определяется изменение фактического покрытия базовой станции LTE при активации сигнала сервиса NB-IoT в соседней базовой станции и соответствующего ресурсного блока PRB в режиме передачи.

Кроме того, устанавливается качество сервиса, предоставляемого базовой станцией NB-IoT устройству «Интернета вещей», которое может оказаться в области перекрытия двух базовых станций. Этот анализ позволяет идентифицировать любые возможные проблемы, связанные с помехами от LTE-сети, ухудшающими качество сигнала NB-IoT.

Необходимо также проанализировать, как влияет чрезмерно высокий уровень усиления передаваемой мощности (для повышения ее спектральной плотности) ресурсных блоков в NB-IoT-сети на соседние абонентские устройства, в которых могут возникать перекрестные помехи при использовании того же PRB или даже соседних блоков, но другой базовой станции LTE.

На рис. 12 представлена типичная ситуация возможного влияния сигнала, передаваемого по нисходящей линии связи от PRB NB-IoT в тот же ресурсный блок рядом расположенного сотового узла, обслуживающего смартфон.

Рис. 12. Типичный случай на практике, когда сигнал от блока NB-IoT в нисходящей линии связи, передаваемый в тот же блок рядом расположенного сотового узла, может создавать помехи

Аналогичная ситуация с возможным ухудшением качества сигнала может возникать и в восходящем канале, если спектральная плотность мощности устройства NB-IoT чрезмерно высока, или даже в случае повторенной передачи сигнала для улучшения доступа к базовой станции. В результате может уменьшиться чувствительность соседней базовой станции LTE и значительно ухудшиться качество предоставляемого обслуживания.

Выводы

Анализатор сигналов CellAdvisor от компании VIAVI Solutions представляет собой оптимальное, экономичное и портативное решение, которое поддерживает приемочные испытания на местах эксплуатации согласно рекомендациям 3GPP с акцентом на следующих требованиях стандарта:

• максимальная выходная мощность физического ресурсного блока с сигналом и каналами NB-IoT;
• определение общего динамического диапазона мощности активного PRB-блока NB-IoT, который не должен быть меньше 6 дБ;
• измерение показателя EVM канала NPDSCH (физический нисходящий канал с разделением пользователей) и других каналов управления и синхронизации;
• мощность нисходящего канала NRS и измерение EVM;
• измерение отклонений частоты.

Прежде всего, для активации нового сервиса NB-IoT требуется обнаружить перекрестные взаимодействия между физическими ресурсными блоками. Проверка такого взаимного влияния блоков путем измерения EVM является наиболее точной и экономически эффективной процедурой. Аналогично PRB-блоки, используемые в LTE-сетях, также могут влиять на качество канала NB-IoT.

В сочетании с традиционными возможностями анализа LTE-сигналов анализатор CellAdvisor предоставляет подробную информацию
о каналах NB-IoT в кадре или в подкадре, позволяя найти источник возникновения проблем.

Анализируя и проверяя упомянутые выше показатели на этапе ввода в эксплуатацию новой сети NB-IoT, а также при техническом обслуживании, операторы мобильной связи получают возможность гарантировать оптимальные условия для предоставления новых сервисов «Интернета вещей».