针对NB-IoT能耗优化的网络测量与自适应接入机制研究

作     者：张相会 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：常相茂

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：NB-IoT ECL 能量消耗 网络接入 时间序列预测 自适应方法 

摘      要：窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)技术是由3GPP提出的一种新型低功耗广域网物联网技术,属于移动蜂窝网络接入技术的范畴,它同时拥有低功耗、大连接、广覆盖以及低成本等特点。NB-IoT能够在短短几年时间内得到如此迅速的发展,其超低的终端模组能耗绝对是最主要的原因之一,诸如NB-IoT在远程抄表、智能水务以及共享单车等多种应用场景下的实现,都充分体现了其低功耗的特性。然而在真实应用场景下,NB-IoT模组的能耗表现却并未得到细致的刻画,而且那些在NB-IoT技术中新提出的技术手段与其模组能耗之间的关系,也并未得到深入的理解。因此能够严格量化NB-IoT网络技术在真实场景下的能耗性能,并细致地揭示模组在工作过程中各技术手段实现机制与其性能表现之间的内在联系,就显得尤为重要。本文的主要工作为:(1)首先设计和开发了能耗测试平台,包括软件实现和硬件搭建两个主要部分。紧接着本文借助该平台开展了一系列小规模、高精度的NB-IoT模组能耗测试实验,通过对相应实验结果的进一步分析,本文发现NB-IoT协议中全新实现的半静态链路自适应机制,即增强的覆盖等级(Enhanced Coverage Level,ECL)和模组的能耗密切相关,具体表现为随着所处ECL的不断升高,模组的能耗也逐步增加。进一步,通过得到实际应用场景下模组的ECL分布,便能相应地刻画出NB-IoT模组在这些场景中的具体能耗表现。为此,本文借助自主开发的大规模测试节点,在中国不同城市的多处NB-IoT典型应用场景下,进行了长时间的区域性测试。通过对大规模测试实验数据的分析,首先展示了在当前部署条件下,这些典型应用场景中的ECL表现,其次揭示了在网络接入过程中由于模组对参考信号(Narrow-Band Reference Signal,NRS)测量结果的利用不充分,而导致模组能耗次优的ECL选择机制,同时也发现了一种由于信号波动而导致模组短暂使用更大代价来进行数据传输,并最终造成不必要能耗浪费的现象。(2)为了改善在大规模测试中发现的两个问题对NB-IoT能耗造成的次优影响,本文提出了一种在模组端实现的自适应接入机制。该机制主要依靠对NRS测量结果的时间序列预测和推迟数据发送两个主要思想,做到了对NB-IoT上行接入时机的自适应控制,并且利用大规模测试的真实测量数据,对自适应方法做了全面的评估,最终验证了其可行性和有效性。