NB-IoT主設(shè)備選擇方案及其優(yōu)劣勢分析

王祖陽，楊傳祥

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司山東分公司，山東 濟(jì)南 250101）

NB-IoT主設(shè)備選擇方案及其優(yōu)劣勢分析

王祖陽，楊傳祥

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司山東分公司，山東 濟(jì)南 250101）

NB-IoT具有大連接、廣覆蓋、低功耗、低成本的特點，備受各電信運(yùn)營商關(guān)注。分析論述了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分類及網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)要求、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)趨勢、NB-IoT主設(shè)備及天饋建設(shè)方案，并重點對NB-IoT主設(shè)備選擇需要考慮的因素，不同NB-IoT主設(shè)備選擇方案及其優(yōu)劣勢進(jìn)行了分析，為相關(guān)工程建設(shè)提供參考。

NB-IoT 主設(shè)備選擇 網(wǎng)絡(luò)融合 GSM LTE FDD

1 引言

移動通信正在從人和人連接，向人與物以及物與物連接的領(lǐng)域邁進(jìn)，萬物互聯(lián)的時代即將到來。萬物互聯(lián)創(chuàng)造了歷史新機(jī)遇，物聯(lián)時代的到來為電信運(yùn)營商帶來新的市場空間。從行業(yè)發(fā)展規(guī)律來看，拓展連接范疇、創(chuàng)新連接應(yīng)用是電信運(yùn)營商最成熟和有效的發(fā)展模式。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)按速率可分為高、中、低三類，適用不同的無線接入技術(shù)去承載，如圖1所示。

根據(jù)專業(yè)分析機(jī)構(gòu)預(yù)測，低速率需求將占據(jù)未來IoT連接數(shù)的60%以上，中速率約占30%，高速率連接僅占10%。對于多數(shù)電信運(yùn)營商而言，傾向于選擇基于標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的、使用授權(quán)頻段、覆蓋范圍廣、蜂窩體制的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。具體而言，對于車聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療等高速率物聯(lián)接入場景，選擇4G/4.5G/5G技術(shù)實現(xiàn)接入；中等速率需求的物聯(lián)接入場景，選擇eMTC技術(shù)實現(xiàn)接入；未來預(yù)期規(guī)模最大的廣域、低功耗、低速、低移動性物聯(lián)網(wǎng)市場業(yè)務(wù)（LPWA），選擇NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)接入。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分類及網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)要求

2016年6月，NB-IoT、eMTC主要標(biāo)準(zhǔn)已凍結(jié)，國內(nèi)外各大運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)步伐明顯加快，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈也不斷成熟，快速發(fā)展。為實現(xiàn)“大連接”戰(zhàn)略，搶占物聯(lián)網(wǎng)新興市場，中國移動已根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需要適時啟動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)路線選擇、技術(shù)試驗等前期準(zhǔn)備工作。中國移動目前沒有LTE FDD運(yùn)營牌照和網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)只能采用新建的方式，而無法采用基于LTE FDD網(wǎng)絡(luò)的直接升級方案。2016年4月工信部已允許運(yùn)營商基于現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)頻率開展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。對于中國移動而言，新建NB-IoT系統(tǒng)雖然不受是否有FDD牌照的影響，但仍需提前考慮應(yīng)對NB-IoT與未來LTE FDD網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建設(shè)及演進(jìn)等問題。此外，對具體建設(shè)方式上的一些問題，如NB-IoT系統(tǒng)主設(shè)備的選擇（是基于現(xiàn)網(wǎng)2G主設(shè)備升級/替換升級還是基于現(xiàn)網(wǎng)4G主設(shè)備新建）、工作頻點選擇與GSM頻率重耕策略、天饋建設(shè)方案等必須提前規(guī)劃和落實。本文將重點對NB-IoT主設(shè)備選擇方案及其優(yōu)劣勢進(jìn)行分析。網(wǎng)絡(luò)共存。從本質(zhì)上看，可以認(rèn)為NB-IoT是一種某些方面做了簡化和改進(jìn)的LTE FDD技術(shù)。對無線側(cè)而言，NB-IoT與LTE FDD可共用硬件平臺，NB-IoT系統(tǒng)可由LTE FDD系統(tǒng)軟件升級建成，同樣，新建NB-IoT系統(tǒng)可以為LTE FDD系統(tǒng)做出功能預(yù)留。NB-IoT、LTE FDD無線網(wǎng)可以被看作是同一個物理網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)的兩個邏輯網(wǎng)絡(luò)。此外，適用于中等速率需求的物聯(lián)場景的eMTC技術(shù)實際上可以基于LTE FDD或TD-LTE網(wǎng)絡(luò)軟件平滑升級建設(shè)，兩種建設(shè)方式實現(xiàn)難度差別不大，但是建網(wǎng)成本、網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果差別會較大。考慮到中國移動目前TD-LTE網(wǎng)絡(luò)工作頻段較高，如果通過TD-LTE網(wǎng)絡(luò)軟件平滑升級建設(shè)eMTC系統(tǒng)，則會面臨著建網(wǎng)成本高、深度覆蓋效果不理想等問題，因此，中國移動選擇不采用基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)軟件平滑升級方式建設(shè)eMTC系統(tǒng)，而是采用基于LTE FDD網(wǎng)絡(luò)軟件平滑升級建設(shè)eMTC系統(tǒng)。另一方面，TD-LTE與LTE FDD融合組網(wǎng)是未來LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的趨勢。隨著4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展和GSM網(wǎng)絡(luò)承載負(fù)荷的降低，中國移動未來將已有的GSM頻率資源翻頻用于LTE FDD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將成為趨勢。因此，中國移動即將啟動的NBIoT物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)必須放眼未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，提前考慮與未來的LTE FDD、eMTC、TD-LTE與LTE FDD融合、5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等協(xié)同，做到未雨綢繆。NB-IoT建設(shè)及網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)路線如圖2所示。

NB-IoT包含了頻段內(nèi)（In-Band）、保護(hù)頻段

2 NB-IoT融合演進(jìn)的必然性分析

圖2 NB-IoT建設(shè)及網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)路線

NB-IoT支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被稱作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA），是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。NB-IoT具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點。NB-IoT使用License頻段，上下行的頻率帶寬僅為200 kHz，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨立載波等三種部署方式與現(xiàn)有（Guard-Band）和獨立（Stand-alone）三種部署場景。In-Band和Guard-Band都是使用LTE的載波來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中In-Band是使用LTE載波內(nèi)的PRB傳輸，Guard-Band是使用LTE載波內(nèi)的保護(hù)頻段進(jìn)行傳輸。這兩種部署場景適合利用現(xiàn)網(wǎng)LTE網(wǎng)絡(luò)頻段進(jìn)行部署，可以使頻譜資源利用率高度最大化，但同時也存在與LTE網(wǎng)絡(luò)的共存問題，如與LTE網(wǎng)絡(luò)之間的干擾規(guī)避、射頻指標(biāo)配置等。因此需著重考慮對LTE系統(tǒng)的兼容性問題。Stand-alone不使用LTE頻段傳輸，獨占頻譜資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此不存在與現(xiàn)有LTE系統(tǒng)的共存問題，適合運(yùn)營商進(jìn)行NB-IoT網(wǎng)絡(luò)快速部署。

3 NB-IoT主設(shè)備選擇及建設(shè)方案分析

理論上分析，NB-IoT主設(shè)備選擇可以有多種方案，既可以與現(xiàn)有2G、3G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定，也可以與4G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定?？紤]到中國移動的3G網(wǎng)絡(luò)是TDD制式，無法直接升級支持NB-IoT，故將重點對基于2G或4G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定的NB-IoT主設(shè)備選擇進(jìn)行分析對比。

（1）方案一：NB-IoT主設(shè)備與現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定。由于LTE FDD同GSM采用相同的頻段，因此具備共用射頻模塊和天線的條件。故可通過升級GSM的方式支持NB-IoT/LTE FDD建設(shè)，實現(xiàn)快速建設(shè)，并最大限度利用現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)資源的目的。此方式下，原有GSM R R U設(shè)備需支持平滑升級，RRU剩余功率要足夠滿足多個系統(tǒng)的功率需求。與現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定的NB-IoT具體建設(shè)方式主要包括現(xiàn)網(wǎng)GSM直接升級、部分新建、替換新建三種，其主要判別標(biāo)準(zhǔn)如下：RRU利舊原有設(shè)備，則為直接升級方案；在利舊原有一個單通道RRU的基礎(chǔ)上，又新增一個新的單通道RRU則為部分新建；替換原有不支持升級的老舊設(shè)備，新增RRU或BBU+RRU則為替換新建方案。其中，GSM直接升級方案需要新增FDD基帶板、GPS同步源、LTE傳輸設(shè)備，具體如圖3所示。

GSM直接升級方案、部分新建方案、替換新建方案的綜合對比如圖4所示。

（2）方案二：NB-IoT主設(shè)備與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定。不考慮現(xiàn)網(wǎng)GSM主設(shè)備廠家情況，采用與現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE 4G主設(shè)備相同的廠家來新建NB-IoT主設(shè)備。具體建設(shè)方案分為：

圖3 GSM直接升級建設(shè)方案

圖4 GSM升級方案對比

◆如果與TD-LTE同站址，則采用與TD-LTE共BBU機(jī)框，新增FDD BBU基帶板、新增RRU及配套光纖、天線等的方案，如圖5所示。

◆如果與TD-LTE非同站址，則新增本區(qū)域內(nèi)廠家的BBU、RRU、天線等，相對于TD-LTE同站址的情況，需要新增BBU、GPS及其天饋配套等。

4 不同NB-IoT主設(shè)備選擇方案優(yōu)劣勢分析

◆NB-IoT主設(shè)備與現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定的優(yōu)勢能共用部分現(xiàn)網(wǎng)GSM設(shè)備機(jī)框、RRU、天饋線系統(tǒng)等，節(jié)約了天面資源，且可避免合路器損耗，工程實施便捷，可最大化利舊現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)資源。

圖5 基于4G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定的建設(shè)方案

◆NB-IoT主設(shè)備與現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定的劣勢

升級方案可能會受現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備支持能力限制。根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)網(wǎng)GSM中支持升級的RRU設(shè)備比例并不高，僅有百分之十幾。另有約20%左右的RRU盡管支持升級，卻因為是單通道RRU，需要另外新增一個單通道RRU雙拼來實現(xiàn)2T2R能力，工程投資及工程實施復(fù)雜性隨之增加。此外，現(xiàn)網(wǎng)GSM RRU功率能否滿足多系統(tǒng)共用也是制約能否實現(xiàn)升級的一個重要因素。根據(jù)測算，GSM RRU預(yù)留給NB-IoT/LTE FDD使用的功率至少應(yīng)達(dá)到2×40 W/20 MHz以上?，F(xiàn)網(wǎng)升級方案與GSM系統(tǒng)共天饋，不僅天饋無法獨立調(diào)整，而且由于GSM網(wǎng)絡(luò)異頻組網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對較差），會對NBIoT/LTE FDD網(wǎng)絡(luò)布局帶來不利的影響。

◆NB-IoT主設(shè)備與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定的優(yōu)勢

可以繼承TD-LTE網(wǎng)絡(luò)整改的優(yōu)秀成果。TD-LTE網(wǎng)絡(luò)在規(guī)劃部署時充分考慮了同頻干擾問題，排除了超高站、超近站，調(diào)整了天線方位角、俯仰角等工參，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化布局較為合理，NB-IoT/LTE FDD選擇TD-LTE站址可以繼承TD-LTE網(wǎng)絡(luò)整改的優(yōu)秀成果。對于與TD-LTE同廠家的新建站，可進(jìn)行LTE FDD/TDD深度的融合組網(wǎng)，能夠有效利用FDD/TDD制式間CA等新技術(shù)；對于與TD-LTE同廠家的新建站，聯(lián)合網(wǎng)優(yōu)網(wǎng)管較同GSM共廠家簡單，容易實現(xiàn)。此外，未來可以反向替換現(xiàn)有的功耗較大的老舊GSM設(shè)備，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)綜合效益最大化，基于4G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定的建設(shè)方案及GSM反向更新示意圖如圖6所示。

◆NB-IoT主設(shè)備與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定的劣勢

工程實施難度大，需新建天饋，部署周期長，不能有效利用已有GSM網(wǎng)絡(luò)資源。如果反向更新替換GSM老舊設(shè)備，需要新增BSC設(shè)備，同時，還要考慮新、舊GSM設(shè)備覆蓋邊緣交匯處的不同廠家設(shè)備無線參數(shù)的配合問題。

5 結(jié)束語

圖6 基于4G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備綁定的建設(shè)方案及GSM反向更新

隨著萬物互聯(lián)時代的到來以及移動通信網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)發(fā)展，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為中國移動近期工程建設(shè)的一個重點內(nèi)容。根據(jù)中國移動網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀與網(wǎng)絡(luò)牌照的實際情況，中國移動將采用面向LTE FDD 900 MHz目標(biāo)網(wǎng)，一步規(guī)劃、分步建設(shè)NB-IoT/LTE FDD/eMTC網(wǎng)絡(luò)的策略。為了兼顧眼前利益和長遠(yuǎn)利益，NB-IoT/LTE FDD主設(shè)備的選擇不僅要考慮當(dāng)下工程建設(shè)的便捷性、工程投資、建設(shè)難度等，還要考慮未來網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)可能帶來的影響，然后再綜合考慮已有2G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備投資的最大化保護(hù)與面向未來的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保證。從系統(tǒng)演進(jìn)、融合發(fā)展、未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)角度看，NB-IoT主設(shè)備選擇采用與4G主設(shè)備同廠家的方案，對網(wǎng)絡(luò)性能、用戶感知的提升更為有利。此外，結(jié)合NB-IoT網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)，著眼未來完成現(xiàn)網(wǎng)能耗較大的GSM老舊設(shè)備替換，對于中國移動綠色節(jié)能減排工作將會有很大的促進(jìn)作用。

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NB-IoT Main Equipment Selection Scheme and Analysis of its Advantages and Disadvantages

WANG Zuyang, YANG Chuanxiang
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Shandong Branch, Jinan 250101, China)

NB-IoT is featured by massive connectivity, broad coverage, low power consumption and low cost, attracting the attention of telecommunication operators. The service classi fi cation and technical requirements of network access for IoT, the integrated evolution trend of NB-IoT, as well as the main equipment and antenna feeder solution of NBIoT were analyzed and discussed. The factors of NB-IoT main equipment selection to be considered were addressed.Different NB-IoT main equipment selection schemes and the advantages and the disadvantages were analyzed to provide the reference to the corresponding engineering construction.

NB-IoT main equipment selection network integration GSM LTE FDD

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.21.012

TN929.5

A

1006-1010(2017)21-0058-06

王祖陽,楊傳祥. NB-IoT主設(shè)備選擇方案及其優(yōu)劣勢分析[J]. 移動通信, 2017,41(21): 58-63.

2017-06-24

文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

王祖陽：教授級高級工程師，碩士畢業(yè)于解放軍武漢通信學(xué)院，現(xiàn)任職于中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司山東分公司，主要從事移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計工作。

楊傳祥：高級工程師，學(xué)士畢業(yè)于南京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司山東分公司，主要從事移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計工作。