NB—IoT网络RRC连接成功率问题分析与处理
程闽明 叶蔼笙 陈潇
【摘 要】随着NB-IoT技术的快速发展，NB-IoT网络RRC连接成功率问题的分析与处理成为无线优化面临的难题。首先对日常影响NB-IoT网络RRC连接成功率的原因进行分析，然后提出定位原因的分析方法以及相应的处理方案，并以广州高沙村NB-IoT基站为例进行实践验证。通过大量实践，研究出一套实际可行的RRC连接成功率问题分析与处理方案。目前该方案已在广州得到全面应用，为NB-IoT业务项目售前评估提供了有力保障。
NB-IoT；RRC连接成功率；弱覆盖；同频/MOD 3干扰
1 引言
随着通信技术由2G、3G发展到如今的4G、5G阶段，人们的生活方式已悄然发生了巨变，生活中衣、食、住、行的方方面面都离不開移动通信技术。从早期的短信和语音电话，到现在的图片、视频、高清语音通话，甚至是同步互联网游戏，人与人之间已实现高速、高效的信息传递。
近几年，NB-IoT由于其低功耗、广覆盖及海量连接的优势，得到了快速发展。中国电信已在2017年开启NB-IoT商用阶段[1]，相关业务如智能抄表、智慧消防、停车等。
大量NB-IoT业务接入，亟需保障用户长期、稳定的网络服务质量。在实际的NB-IoT网络维护工作中，为了提升客户感知，需对NB-IoT网络的接入、保持、完整性能等各项关键指标进行定期监管[2]。NB-IoT无线网络的RRC连接成功率是检验NB-IoT网络接入性能的主要指标。因此，在实际场景中，遇到RRC连接成功率较低的情况该如何进行有效分析与处理的方案亟需完善。
2 RRC原理简介
NB-IoT是R13阶段LTE的一项重要增强技术，在蜂窝网络中构建，频段仅约180 kHz，上行采用SC-FDMA，下行采用OFDM。NB-IoT的设计原则都是基于“妥协”的态度，将LTE技术进行设计简化、信令简化，并降低功耗。因此，NB-IoT网络的RRC连接协议原理与LTE相似。
（1）RRC子层协议原理：RRC位于LTE协议栈层3，属于接入层与非接入层的主要控制中心，控制着各层间的主要接口，地位至关重要。RRC不仅要为上层提供网络侧的无线资源参数，还要控制下层的主要参数与行为。RRC子层功能包括接入层AS与非接入层NAS相关系统信息的广播，寻呼、建立以及维持/释放UE与E-UTRAN之间的RRC连接、临时标识的分配和用于RRC连接的信令[3]等。因此RRC层就是无线资源控制层，是终端协议的接入、非接入平面对话的桥梁。无线资源控制层的完善度与可靠性在很大程度上影响了整个LTE协议栈软件的性能。
（2）在NB-IoT中，与LTE类似，UE同样是在空闲模式和连接模式下进行随机接入过程，但是NB-IoT在R13（Release 13）中仅支持基于竞争的随机接入以及在下行数据到达情况下由PDCCH order触发的随机接入[5]。除此之外，它不支持PUCCH信道以及切换功能，因此在NB-IoT系统中触发随机接入的相关应用场景也被简化成如下4种[4-5]：
◆无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）空闲状态下的初始接入过程；
◆RRC连接重建过程；
◆RRC连接状态下，接收下行数据时（上行失步）；
◆RRC连接状态下，发送上行数据时（上行失步或者触发调度请求时）。
3 RRC连接问题分析与处理
3.1 LTE RRC连接问题分析
RRC连接是UE接入网络时网络为其分配无线资源，RRC连接建立成功率是RRC连接建立成功次数和尝试次数的比值，该指标体现了eNodeB或者小区的UE接纳能力[6]，是衡量呼叫接通率的重要指标。
目前主流设备（中兴/华为）厂家判定影响RRC建立失败的常见原因主要有“三大类”和“七因素”[7]。
“三大类”为：定时器超时、eNB接纳失败、其他原因。
“七因素”主要为以下七项：
◆基站故障；
◆PRACH参数配置，最小接入电平设置；
◆上行干扰太高，导致MSG3/MSG5/UCI解析失败；
◆弱场接入，RRC无法完成；
◆用户数多导致SR容量不足；
◆上行功控参数设置不合理；
◆CPU负荷过高。
针对“三大类”原因，存在不同的处理措施：
（1）定时器超时
◆检查CPU负荷是否偏高，用户数是否很多，如果是则调整SR容量进行优化；
◆检查上行/下行功控类参数；
◆检查干扰是否偏高；
◆检查RRU输出功率；
◆检查是否MR任务和其他实时跟踪任务导致接入定时器超时；
◆检查是否弱场导致接入定时器超时。
（2）eNB接纳失败
◆检查接纳控制类参数设置；
◆检查板件是否受限，如受限则需更换软件版本。
（3）其他原因
◆检查是否CPU冲高导致；
◆检查是否传输故障，进行传输ping包检测；
◆提交故障单交研发处理。
3.2 NB-IoT与LTE区别
（1）NB-IoT RRC连接信令流程与LTE基本一致，消息内容做了简化
NB-IoT引入了一个新的信令承载SRB1bis。SRB1bis的LCID为3，和SRB1的配置相同，但是没有PDCP实体。RRC连接建立过程创建SRB1的同时隐式创建SRB1bis[8]。对于CP来说，只使用SRB1bis，因为SRB1bis没有PDCP层，在RRC连接建立过程中不需要激活安全模式，SRB1bis不启动PDCP层的加密和完整性保护。图1为NB-IoT RRC连接信令流程：
（2）新增RRC挂起和恢复流程
考虑到在用户面承载建立/释放过程中的信令开销，对NB-IoT小数据包业务来说，显得效率很低。因此UP模式增加了一个新的重要流程——RRC连接挂起和恢复流程，即UE在无数据传输时，RRC连接并不直接释放，而是eNB缓存UE的AS上下行信息，释放RRC连接，使UE进入了挂起状态（Suspend），这个过程也称为AS上下文缓存。
当需要传输数据时，UE通过RRC Connection Resume Request消息通知eNodeB退出RRC-IDLE状态，eNodeB激活MME进入ECM-CONNECTED。
3.3 NB-IoT RRC连接问题分析
在日常NB-IoT运营支撑过程中，影响eNodeB或小区RRC连接成功率的原因主要包括弱覆蓋、同频/PCI MOD3干扰、外部干扰、基站隐性故障或者是客户终端异常等。针对RRC连接成功率较低的站点，需通过核查站点及周边情况并分析相关指标、定位原因。步骤如下：
（1）核查是否存在影响业务的告警，核查小区及周边站点是否存在外部干扰。干扰核查主要关注15k子载波0～11的平均噪声干扰值[11]。
（2）分析不同覆盖等级下用户分布、RRC连接次数与失败次数分布，定位是否存在弱覆盖。若用户集中分布在覆盖等级1/2，且接入次数与失败次数也集中在覆盖等级1/2，则可推断现场可能存在弱覆盖，可调整小区功率；若用户集中分布在覆盖等级0/1，且接入次数与失败次数集中在覆盖等级0/1，则现场可能存在同频干扰/PCI MOD3干扰，需根据周边小区频点/PCI分布进行相应调整[9-10]。
（3）通过调整小区功率，并观察周边小区指标情况，排查是否存在用户终端问题。关闭该小区，观察周边小区指标波动情况。若异常情况转移至其他小区，则为终端问题；若消失，则原站点存在隐性故障。
4 案例分析
（1）问题概况
网管统计F高沙村6号LTE-RRU01/GZV2277（80）小区6月16日～6月19日一周RRC建立成功率指标，周RRC请求3 673次，周建立成功1 272次，周失败2 401次，周RRC建立成功率指标34.63%<95%，为RRC建立成功率差TOP小区。剔除无RRC连接时段，详细指标如图2所示：
（2）问题分析
从6月16号开始，F高沙村6号LTE-RRU01/GZV2277（80）出现RRC建立成功率差，查询6月14日～6月20日的故障表，未发现小区有故障告警，且RSSI干扰平均值在-124 dBm，核查RRC建立相关参数均设置在正常范围。从Google地图看，小区覆盖方向为高楼层住宅区。小区频点为2509，PCI为173，天线挂高30 m，天线方向角30°，下倾角12°，功率29.2 dBm。图3为F高沙村6号及周边站点分布图。
分析RRC连接请求指标，覆盖等级（0、1、2）中RRC连接建立主要集中在覆盖等级0，建立失败也集中在覆盖较好的等级0，由此可初步判断该小区存在频点干扰或是PCI模三干扰导致RRC建立失败。指标分析如图4、图5所示。
结合MapInfow图层分析小区频点及PCI模三分布情况，F高沙村6号LTE-RRU01与周边多个小区同频对打且同模三，因此定位为同频同PCI模三干扰导致RRC建立失败，如图6所示：
（3）处理方案
NF高沙村6号LTE-RRU01/GZV2277（80）频点由2509改为2505。
NF高沙村6号LTE-RRU03/GZV2277（82）频点由2505改为2509
（4）成效
频点优化调整后，查询NF高沙村6号LTE-RRU01/GZV2277最新一周指标，6月30日～7月12日RRC建立成功率指标，0时至23时共计24个时段中，RRC建立成功率在100%左右波动，均值98.75%，指标提升明显，如图7示：
5 结束语
随着NB-IoT物联网技术和业务的快速发展，确定RRC连接成功率问题的原因与寻求最优的处理方案成为NB-IoT网络优化的重要课题。本文提出四大影响RRC连接成功率的原因分析与处理的具体方案，经实践验证可快速有效地定位问题原因，并提高NB-IoT基站RRC连接成功率，为客户提供高品质的NB-IoT网络服务。
参考文献：
[1] 孙宇，严斌峰. 运营商NB-IoT发展策略探讨[J]. 世界电信， 2017，30（3）： 42-49.
[2] 程日涛，邓安达，孟繁丽，等. NB-IoT规划目标及规划思路初探[J]. 电信科学， 2016（s1）： 137-143.
[3] 曲井致. NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展趋势[J]. 科技创新与应用， 2016（31）： 115.
[4] 3GPP TS 36.300 V13.4.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（EUTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（EUTRAN）； Overall description； Release 13[S]. 2016.
[5] 戴博，袁弋非，余媛芳. 窄带物联网（NB-IoT）标准与关键技术[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2016.
[6] 邹玉龙，丁晓进，王全全. NB-IoT关键技术及应用前景[J]. 中兴通讯技术， 2017，23（1）： 43-46.
[7] 陈发堂，周述淇，郑辉. NB-IoT随机接入过程的分析与实现[J]. 电子技术应用， 2018（2）： 75-79.
[8] Zhang W， Ting L U， Gao Y， et al. System Status and Development of NB-IoT[J]. Zte Technology Journal， 2017.
[9] 佘莎，黄嘉铭. 基于理论和实测的NB-IoT覆盖分析[J]. 移动信息， 2016（12）： 72-74.
[10] 徐娟. LTE网络RRC连接问题的排查与分析[J]. 湖南邮电职业技术学院学报， 2015（3）： 4-7.
[11] 李建军. NB-IoT组网方案研究[J]. 移动通信， 2017，
41（6）： 14-18.
【摘 要】随着NB-IoT技术的快速发展，NB-IoT网络RRC连接成功率问题的分析与处理成为无线优化面临的难题。首先对日常影响NB-IoT网络RRC连接成功率的原因进行分析，然后提出定位原因的分析方法以及相应的处理方案，并以广州高沙村NB-IoT基站为例进行实践验证。通过大量实践，研究出一套实际可行的RRC连接成功率问题分析与处理方案。目前该方案已在广州得到全面应用，为NB-IoT业务项目售前评估提供了有力保障。
NB-IoT；RRC连接成功率；弱覆盖；同频/MOD 3干扰
1 引言
随着通信技术由2G、3G发展到如今的4G、5G阶段，人们的生活方式已悄然发生了巨变，生活中衣、食、住、行的方方面面都离不開移动通信技术。从早期的短信和语音电话，到现在的图片、视频、高清语音通话，甚至是同步互联网游戏，人与人之间已实现高速、高效的信息传递。
近几年，NB-IoT由于其低功耗、广覆盖及海量连接的优势，得到了快速发展。中国电信已在2017年开启NB-IoT商用阶段[1]，相关业务如智能抄表、智慧消防、停车等。
大量NB-IoT业务接入，亟需保障用户长期、稳定的网络服务质量。在实际的NB-IoT网络维护工作中，为了提升客户感知，需对NB-IoT网络的接入、保持、完整性能等各项关键指标进行定期监管[2]。NB-IoT无线网络的RRC连接成功率是检验NB-IoT网络接入性能的主要指标。因此，在实际场景中，遇到RRC连接成功率较低的情况该如何进行有效分析与处理的方案亟需完善。
2 RRC原理简介
NB-IoT是R13阶段LTE的一项重要增强技术，在蜂窝网络中构建，频段仅约180 kHz，上行采用SC-FDMA，下行采用OFDM。NB-IoT的设计原则都是基于“妥协”的态度，将LTE技术进行设计简化、信令简化，并降低功耗。因此，NB-IoT网络的RRC连接协议原理与LTE相似。
（1）RRC子层协议原理：RRC位于LTE协议栈层3，属于接入层与非接入层的主要控制中心，控制着各层间的主要接口，地位至关重要。RRC不仅要为上层提供网络侧的无线资源参数，还要控制下层的主要参数与行为。RRC子层功能包括接入层AS与非接入层NAS相关系统信息的广播，寻呼、建立以及维持/释放UE与E-UTRAN之间的RRC连接、临时标识的分配和用于RRC连接的信令[3]等。因此RRC层就是无线资源控制层，是终端协议的接入、非接入平面对话的桥梁。无线资源控制层的完善度与可靠性在很大程度上影响了整个LTE协议栈软件的性能。
（2）在NB-IoT中，与LTE类似，UE同样是在空闲模式和连接模式下进行随机接入过程，但是NB-IoT在R13（Release 13）中仅支持基于竞争的随机接入以及在下行数据到达情况下由PDCCH order触发的随机接入[5]。除此之外，它不支持PUCCH信道以及切换功能，因此在NB-IoT系统中触发随机接入的相关应用场景也被简化成如下4种[4-5]：
◆无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）空闲状态下的初始接入过程；
◆RRC连接重建过程；
◆RRC连接状态下，接收下行数据时（上行失步）；
◆RRC连接状态下，发送上行数据时（上行失步或者触发调度请求时）。
3 RRC连接问题分析与处理
3.1 LTE RRC连接问题分析
RRC连接是UE接入网络时网络为其分配无线资源，RRC连接建立成功率是RRC连接建立成功次数和尝试次数的比值，该指标体现了eNodeB或者小区的UE接纳能力[6]，是衡量呼叫接通率的重要指标。
目前主流设备（中兴/华为）厂家判定影响RRC建立失败的常见原因主要有“三大类”和“七因素”[7]。
“三大类”为：定时器超时、eNB接纳失败、其他原因。
“七因素”主要为以下七项：
◆基站故障；
◆PRACH参数配置，最小接入电平设置；
◆上行干扰太高，导致MSG3/MSG5/UCI解析失败；
◆弱场接入，RRC无法完成；
◆用户数多导致SR容量不足；
◆上行功控参数设置不合理；
◆CPU负荷过高。
针对“三大类”原因，存在不同的处理措施：
（1）定时器超时
◆检查CPU负荷是否偏高，用户数是否很多，如果是则调整SR容量进行优化；
◆检查上行/下行功控类参数；
◆检查干扰是否偏高；
◆检查RRU输出功率；
◆检查是否MR任务和其他实时跟踪任务导致接入定时器超时；
◆检查是否弱场导致接入定时器超时。
（2）eNB接纳失败
◆检查接纳控制类参数设置；
◆检查板件是否受限，如受限则需更换软件版本。
（3）其他原因
◆检查是否CPU冲高导致；
◆检查是否传输故障，进行传输ping包检测；
◆提交故障单交研发处理。
3.2 NB-IoT与LTE区别
（1）NB-IoT RRC连接信令流程与LTE基本一致，消息内容做了简化
NB-IoT引入了一个新的信令承载SRB1bis。SRB1bis的LCID为3，和SRB1的配置相同，但是没有PDCP实体。RRC连接建立过程创建SRB1的同时隐式创建SRB1bis[8]。对于CP来说，只使用SRB1bis，因为SRB1bis没有PDCP层，在RRC连接建立过程中不需要激活安全模式，SRB1bis不启动PDCP层的加密和完整性保护。图1为NB-IoT RRC连接信令流程：
（2）新增RRC挂起和恢复流程
考虑到在用户面承载建立/释放过程中的信令开销，对NB-IoT小数据包业务来说，显得效率很低。因此UP模式增加了一个新的重要流程——RRC连接挂起和恢复流程，即UE在无数据传输时，RRC连接并不直接释放，而是eNB缓存UE的AS上下行信息，释放RRC连接，使UE进入了挂起状态（Suspend），这个过程也称为AS上下文缓存。
当需要传输数据时，UE通过RRC Connection Resume Request消息通知eNodeB退出RRC-IDLE状态，eNodeB激活MME进入ECM-CONNECTED。
3.3 NB-IoT RRC连接问题分析
在日常NB-IoT运营支撑过程中，影响eNodeB或小区RRC连接成功率的原因主要包括弱覆蓋、同频/PCI MOD3干扰、外部干扰、基站隐性故障或者是客户终端异常等。针对RRC连接成功率较低的站点，需通过核查站点及周边情况并分析相关指标、定位原因。步骤如下：
（1）核查是否存在影响业务的告警，核查小区及周边站点是否存在外部干扰。干扰核查主要关注15k子载波0～11的平均噪声干扰值[11]。
（2）分析不同覆盖等级下用户分布、RRC连接次数与失败次数分布，定位是否存在弱覆盖。若用户集中分布在覆盖等级1/2，且接入次数与失败次数也集中在覆盖等级1/2，则可推断现场可能存在弱覆盖，可调整小区功率；若用户集中分布在覆盖等级0/1，且接入次数与失败次数集中在覆盖等级0/1，则现场可能存在同频干扰/PCI MOD3干扰，需根据周边小区频点/PCI分布进行相应调整[9-10]。
（3）通过调整小区功率，并观察周边小区指标情况，排查是否存在用户终端问题。关闭该小区，观察周边小区指标波动情况。若异常情况转移至其他小区，则为终端问题；若消失，则原站点存在隐性故障。
4 案例分析
（1）问题概况
网管统计F高沙村6号LTE-RRU01/GZV2277（80）小区6月16日～6月19日一周RRC建立成功率指标，周RRC请求3 673次，周建立成功1 272次，周失败2 401次，周RRC建立成功率指标34.63%<95%，为RRC建立成功率差TOP小区。剔除无RRC连接时段，详细指标如图2所示：
（2）问题分析
从6月16号开始，F高沙村6号LTE-RRU01/GZV2277（80）出现RRC建立成功率差，查询6月14日～6月20日的故障表，未发现小区有故障告警，且RSSI干扰平均值在-124 dBm，核查RRC建立相关参数均设置在正常范围。从Google地图看，小区覆盖方向为高楼层住宅区。小区频点为2509，PCI为173，天线挂高30 m，天线方向角30°，下倾角12°，功率29.2 dBm。图3为F高沙村6号及周边站点分布图。
分析RRC连接请求指标，覆盖等级（0、1、2）中RRC连接建立主要集中在覆盖等级0，建立失败也集中在覆盖较好的等级0，由此可初步判断该小区存在频点干扰或是PCI模三干扰导致RRC建立失败。指标分析如图4、图5所示。
结合MapInfow图层分析小区频点及PCI模三分布情况，F高沙村6号LTE-RRU01与周边多个小区同频对打且同模三，因此定位为同频同PCI模三干扰导致RRC建立失败，如图6所示：
（3）处理方案
NF高沙村6号LTE-RRU01/GZV2277（80）频点由2509改为2505。
NF高沙村6号LTE-RRU03/GZV2277（82）频点由2505改为2509
（4）成效
频点优化调整后，查询NF高沙村6号LTE-RRU01/GZV2277最新一周指标，6月30日～7月12日RRC建立成功率指标，0时至23时共计24个时段中，RRC建立成功率在100%左右波动，均值98.75%，指标提升明显，如图7示：
5 结束语
随着NB-IoT物联网技术和业务的快速发展，确定RRC连接成功率问题的原因与寻求最优的处理方案成为NB-IoT网络优化的重要课题。本文提出四大影响RRC连接成功率的原因分析与处理的具体方案，经实践验证可快速有效地定位问题原因，并提高NB-IoT基站RRC连接成功率，为客户提供高品质的NB-IoT网络服务。
参考文献：
[1] 孙宇，严斌峰. 运营商NB-IoT发展策略探讨[J]. 世界电信， 2017，30（3）： 42-49.
[2] 程日涛，邓安达，孟繁丽，等. NB-IoT规划目标及规划思路初探[J]. 电信科学， 2016（s1）： 137-143.
[3] 曲井致. NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展趋势[J]. 科技创新与应用， 2016（31）： 115.
[4] 3GPP TS 36.300 V13.4.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（EUTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（EUTRAN）； Overall description； Release 13[S]. 2016.
[5] 戴博，袁弋非，余媛芳. 窄带物联网（NB-IoT）标准与关键技术[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2016.
[6] 邹玉龙，丁晓进，王全全. NB-IoT关键技术及应用前景[J]. 中兴通讯技术， 2017，23（1）： 43-46.
[7] 陈发堂，周述淇，郑辉. NB-IoT随机接入过程的分析与实现[J]. 电子技术应用， 2018（2）： 75-79.
[8] Zhang W， Ting L U， Gao Y， et al. System Status and Development of NB-IoT[J]. Zte Technology Journal， 2017.
[9] 佘莎，黄嘉铭. 基于理论和实测的NB-IoT覆盖分析[J]. 移动信息， 2016（12）： 72-74.
[10] 徐娟. LTE网络RRC连接问题的排查与分析[J]. 湖南邮电职业技术学院学报， 2015（3）： 4-7.
[11] 李建军. NB-IoT组网方案研究[J]. 移动通信， 2017，
41（6）： 14-18.
