L'integrazione dell'Internet of Things (IoT) nelle reti cellulari esistenti richiede una conoscenza approfondita delle modalità con cui le risorse radio vengono allocate all'interno dello spettro LTE. Uno degli aspetti meno immediati riguarda l'identificazione della reale posizione delle risorse NB-IoT, poiché alcune implementazioni non risultano immediatamente riconducibili alla griglia LTE standard, rendendo l'analisi complessa anche dal punto di vista strumentale.
Per questo motivo è stata condotta un'attività di analisi sperimentale mediante strumentazione dedicata, con l'obiettivo di verificare il posizionamento delle risorse NB-IoT all'interno di un canale LTE e correlare le misure ottenute dai diversi strumenti utilizzati.
Approccio metodologico di misura
Per analizzare il comportamento dell’NB-IoT è stato adottato un approccio basato su misure incrociate ottenute tramite tre differenti tipologie di strumentazione:
- uno scanner IoT dedicato all’analisi dei segnali NB-IoT: Siretta Snyper IoT
- un analizzatore LTE per la mappatura delle Resource Block: CellAdviso Viavi
- un analizzatore di spettro: Agilent/Keysight ESA E4407B
L'utilizzo combinato di strumenti con caratteristiche differenti ha permesso di correlare l'osservazione del segnale NB-IoT, la struttura delle Resource Block LTE e l'occupazione spettrale complessiva.
L’obiettivo è stato quello di correlare la presenza del segnale NB-IoT con la struttura della griglia LTE, verificando eventuali disallineamenti o posizionamenti non immediatamente evidenti all’interno della banda nominale.
Setup
La campagna di misura è stata inizialmente condotta su siti radio situati fuori dal comune di Bologna, selezionando specificamente stazioni base in aree a bassa densità abitativa o in campo aperto.
Questa scelta è stata motivata dalla necessità di:
- ridurre al minimo le riflessioni multipath
- favorire la ricezione del segnale diretto da un unico eNodeB
- migliorare la stabilità delle misure radio
L'antenna di misura è stata posizionata ad un’altezza di circa 3 metri da terra, in corrispondenza di una distanza di circa 400 metri dalla BTS, in posizione quasi centrale tra due settori, in modo da ricevere due diversi contrubuti NB-IoT di intenità molto simile.
Il canale analizzato è una portante LTE da 10 MHz alla frequenza di centro banda di 816MHz, che corrisponde al EARFCN 6400. La larghezza di banda effettivamente occupata per questa configurazione corrisponde a 9MHz più i contributi NB-IoT.
Le strumentazioni sono state sincronizzate tramite riferimento GPS, al fine di garantire coerenza temporale tra le acquisizioni.
Prime osservazioni sul posizionamento NB-IoT
Le misure iniziali hanno permesso di identificare la posizione in frequenza delle portanti NB-IoT per i diversi operatori analizzati.
Nel caso specifico della rete Vodafone, è stato osservato che le risorse NB-IoT risultavano collocate in configurazione di riutilizzo delle frequenze per settori differenti.
- PCI 168, Settore 0: Frequenza di centro banda 811,40 MHz (EARFCN 6354)
- PCI 83, Settore 2: Frequenza di centro banda 820,60 MHz (EARFCN 6446)
L’identificazione del TAC, che risulta identico per le celle osservate, la potenza analoga tra le portonti e la progressione degli ID di cella tra i diversi settori rilevati confermano che le celle appartengono allo stesso sito radio (eNodeB), organizzato in configurazione settoriale, piuttosto che a siti distinti.
Dalle prime analisi è emerso anche che le portanti LTE corrispondenti ai due settori hanno lo stesso PCI di quello rilevato per le portanti NB-IoT, ovvero PCI 168 per il settore 0 e PCI 83 per il settore 2, con la seguente configurazione per LTE:
- PCI 168, Settore 0: Frequenza di centro banda 816 MHz (EARFCN 6400)
- PCI 83, Settore 2: Frequenza di centro banda 816 MHz (EARFCN 6400)
Nell'immagine seguente viene riportata la misurazione effettuata con lo scanner NB-IoT
Un elemento rilevante emerso dall’analisi è che tali allocazioni risultavano esterne alla griglia PRB LTE nominale, ma collocate all’interno della banda di guardia.
Prime considerazioni tecniche
Questo comportamento suggerisce una strategia di allocazione volta a:
- ridurre possibili interferenze co-canale tra portanti NB-IoT
- ridurre possibili collisioni con risorse LTE tradizionali
- mantenere separata l'allocazione NB-IoT dalle risorse LTE convenzionali
- ottimizzare l’utilizzo complessivo dello spettro disponibile senza impattare le portanti LTE attive
In particolare, l’utilizzo di porzioni di spettro interne alla guard band consente agli operatori di massimizzare l’efficienza spettrale, grazie alla separazione logica tra traffico broadband LTE e traffico IoT. In questa specifica configurazione è presente una separazione di circa 10 kHz tra il bordo della portante LTE utilizzata e la portante NB-IoT.
Complessità della misura NB-IoT con analizzatori LTE
Uno degli aspetti più critici nell’analisi dell’NB-IoT riguarda la rilevazione delle risorse radio quando queste risultano collocate al di fuori della griglia LTE standard. Gli analizzatori LTE, infatti, sono progettati per operare su una struttura ben definita di Resource Block (RB) da 180 kHz, rendendo meno immediata la misura di risorse non allineate alla griglia nominale.
Approccio adottato per l’estensione della griglia RB
Per superare questa limitazione, è stato adottato un approccio basato sull’estensione della griglia di analisi dello strumento.
È stata effettuata una riconfigurazione della larghezza di banda di analisi introducendo ulteriori Resource Block da 180 kHz.
La misura è stata impostata sul subframe 0, caratterizzato da una maggiore densità di canali di controllo e sincronizzazione.
La seguente immagine mostra la misura effettuata con la griglia LTE estesa, nella quale sono evidenziate tramite frecce le Resource Block associate alla trasmissione NB-IoT.
In questa configurazione lo strumento ha rilevato la presenza simultanea dei due Physical Cell Identity (PCI), conseguenza diretta della posizione del punto di misura in una regione di sovrapposizione tra due settori radio adiacenti.
In particolare, il segnale dominante risulta associato al PCI 83, mentre è visibile anche la presenza del PCI 168, con livelli di potenza lievemente inferiori.
Questa condizione spiega la sovrapposizione delle due strutture di griglia LTE visualizzate nello strumento, che riporta simultaneamente le risorse dei due settori nella stessa rappresentazione spettrale estesa.
Correlazione con la griglia LTE estesa configurata sullo strumento di analisi dei PRB
Le frequenze coincidono con le posizioni osservate nella griglia LTE estesa:
- RB -1 e -2 per un settore
- RB 50 e 51 per l’altro settore
Questa corrispondenza conferma la presenza delle portanti NB-IoT ai margini della griglia LTE.
Il fatto che lo strumento evidenzi due RB per ciascuna portante NB-IoT non significa che la portante occupi due Resource Block completi.
Nel caso considerato, la portante NB-IoT ha frequenza centrale pari a 820,60 MHz e larghezza di banda pari a 180 kHz, estendendosi quindi da 820,51 MHz a 820,69 MHz. La griglia LTE da 10 MHz, costituita da 50 PRB da 180 kHz, termina invece a 820,50 MHz. Tra il bordo superiore della griglia LTE e l'inizio della portante NB-IoT è quindi presente una zona di guardia di 10 kHz, priva di segnale.
La presenza di questa zona di guardia determina uno shift di 10 kHz della portante NB-IoT rispetto alla griglia dei PRB utilizzata dallo strumento. Estendendo la griglia oltre il bordo della portante LTE, l'RB 50 si estende da 820,50 MHz a 820,68 MHz, mentre l'RB 51 da 820,68 MHz a 820,86 MHz.
Di conseguenza, la portante NB-IoT non risulta allineata con un singolo RB, ma viene intercettata dalla griglia dello strumento in corrispondenza di due RB consecutivi. La porzione compresa tra 820,51 MHz e 820,68 MHz, pari a circa 170 kHz, ricade nell'RB 50, mentre i rimanenti 10 kHz della portante, compresi tra 820,68 MHz e 820,69 MHz, ricadono nell'RB 51 e costituiscono la parte residua della portante.
La portante mantiene quindi la propria larghezza complessiva di 180 kHz, ma la sua posizione, traslata di 10 kHz rispetto alla griglia dei PRB, ne modifica la distribuzione tra i due RB rilevati dallo strumento. L'analizzatore evidenzia entrambi gli RB poiché rileva, all'interno di ciascuno di essi, una componente di potenza superiore al proprio fondo di rumore, sopra il livello di sesibilità. L'evidenziazione di due RB deve quindi essere interpretata come conseguenza del criterio di rilevazione e della posizione della portante rispetto alla griglia di analisi, e non come un'occupazione di due RB completi.
Correlazione tra la griglia LTE estesa e la misurazione di una delle portanti IoT con l'analizzatore di spettro
Per confutare la reale larghezza di banda delle portanti NB-IoT è stata misurata quella avente EARFCN 6446, corrispondente alla frequenza di 820,60 MHz.
L'immagine seguente mostra chiaramente che la portante ha una larghezza di banda pari a 180 kHz
L'analizzatore di spettro mostra che, nella regione di frequenza occupata dal segnale NB-IoT, la potenza trasmessa risulta superiore rispetto a quella del traffico LTE adiacente. È inoltre plausibile che la larghezza di banda complessiva occupata sia pari alla somma della portante LTE (9 MHz), dei contributi NB-IoT dei due settori e dalla banda di guardia, che in questo caso è risultata di 10KHz
Quindi; 9 MHz + (180 kHz + 10 kHz) × 2 = 9,380 MHz
Da precisare che, qualora la misura fosse stata effettuata in una posizione caratterizzata dalla ricezione prevalente di un solo settore, la larghezza di banda complessiva rilevata sarebbe stata teoricamente pari a 9,190 MHz.
A questo punto è stata effettuata anche una misura dell'occupazione di banda, al fine di verificare sperimentalmente se la larghezza di banda complessiva risultasse effettivamente pari a quella teoricamente prevista, ossia 9,380 MHz in questo caso. Per fare questa verifica è stato usato nuovamente l'analizzatore di spettro, ma stavolta in modalità "Occupied Bandwidth" con acquisizione "Max Hold".
Come possiamo vedere dalla seguente immagine, la misura ha restituito un valore di larghezza di banda complessivo molto vicino a quello stimato, ovvero 9,388 MHz. Il valore misurato risulta lievemente superiore a quello teorico di 9,380 MHz, con una differenza di circa 8 kHz. Tale scostamento risulta compatibile con una misurazione di questo tipo, nella quale la determinazione della larghezza di banda occupata può includere anche contributi spettrali dovuti al rumore di fase e alle emissioni laterali dei segnali presenti.
L'analisi svolta evidenzia come la reale implementazione dell'NB-IoT possa differire dalla rappresentazione offerta dagli strumenti LTE convenzionali. La correlazione tra scanner NB-IoT, analizzatore LTE e analizzatore di spettro ha permesso di interpretare correttamente l'allocazione delle risorse radio, confermando che l'impiego della banda di guardia rappresenti una soluzione efficace per integrare i servizi IoT all'interno delle reti LTE senza compromettere l'utilizzo delle risorse destinate al traffico broadband.
Importante chiarire che le misure presentate sono state effettuate su una specifica implementazione di rete LTE. Configurazioni differenti possono adottare modalità di allocazione NB-IoT diverse, in accordo con le specifiche 3GPP.
Questo tipo di analisi può risultare utile nelle attività di caratterizzazione e verifica delle reti cellulari, anche nell'ambito delle misure CEM effettuate con tecnica di estrapolazione a banda stretta. L'identificazione delle portanti NB-IoT e della loro effettiva collocazione nello spettro può infatti contribuire a interpretare correttamente i segnali presenti durante le misure e a individuare eventuali contributi che non risultino immediatamente riconducibili alla configurazione LTE osservata attraverso i tradizionali strumenti di monitoraggio. Le informazioni ottenute possono inoltre essere utilizzate nelle attività di ottimizzazione e troubleshooting della rete, soprattutto nei casi in cui l'occupazione spettrale rilevata sul campo non risulti immediatamente interpretabile.
È possibile scaricare il file in PDF nel sito dell'autore a questo indirizzo:
www.coppolella-sebastiano.it/portfolio/
Autore: Sebastiano Coppolella
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