NB-IoT組網(wǎng)以及規(guī)劃探討

丘繼平

（廣東南方通信建設(shè)有限公司）

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用比例的逐年提高，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）成為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商確定的典型高增長(zhǎng)業(yè)務(wù)。根據(jù)機(jī)構(gòu)對(duì)M2M/IoT連接分布評(píng)估預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，未來(lái)低速率（小于100kbit·s-1）物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的連接需求占比高達(dá)60%以上，因此，海量LPWA（LowPowerWide Area，低功率廣域）連接需求奠定了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（CIoT，Cellular Internet of Thing）的發(fā)展基礎(chǔ)。作為L(zhǎng)PWA的一項(xiàng)典型技術(shù)制式，NB-IoT已形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)明確需要達(dá)到的四個(gè)基本目標(biāo)為：①超強(qiáng)覆蓋，能夠加強(qiáng)室內(nèi)信號(hào)覆蓋，與GPRS系統(tǒng)相比，NB-IoT增加20dB的信號(hào)增益；②超大連接，一個(gè)NB-IoT扇區(qū)能夠滿足10萬(wàn)個(gè)用戶設(shè)備連接需求；③超低功耗，終端模塊能夠滿足長(zhǎng)達(dá)10年以上的電池壽命；④超低成本，終端芯片目標(biāo)約1美元左右，單個(gè)接連模塊不超過(guò)5美元。相比LoRa及SigFox兩種典型私有LPWA技術(shù)，NB-IoT同時(shí)可與現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)進(jìn)行融合演進(jìn)，且具備低功耗、低成本、低速率、廣深覆蓋、電信級(jí)高可靠性及高安全性等特征，因此NB-IoT具備良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是運(yùn)營(yíng)商后續(xù)建設(shè)發(fā)展的重要網(wǎng)絡(luò)。

目前NB-IoT正處于大范圍商用推廣階段，各地區(qū)對(duì)NB-IoT的規(guī)劃發(fā)展思路有所差異，因此，本文立足于規(guī)劃視角，從NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，重點(diǎn)研究分析如何進(jìn)行NB-IoT組網(wǎng)和規(guī)劃，并給出具體的站間距要求、網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建議和主要建設(shè)方式等。

1 NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)與規(guī)劃目標(biāo)

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

該技術(shù)具有覆蓋范圍廣，耗能較低，高性價(jià)比，以及速率低下等特點(diǎn)，其承接的業(yè)務(wù)能夠占據(jù)60%的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的新技術(shù)。NB-IoT技術(shù)主要應(yīng)用License頻段，在帶寬方面只需要使用200kHz，其部署方式可以應(yīng)用獨(dú)立載波，保護(hù)帶以及帶內(nèi)等方式，能夠在通用移動(dòng)通信系統(tǒng)，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)中直接部署，這樣能夠減少部署成本。NB-IoT技術(shù)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：①能夠連接海量數(shù)據(jù)，每個(gè)單元能夠連接上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)信息；②覆蓋范圍廣，在相同的頻段之下，該技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)效益能夠提升20dB以上，至少擴(kuò)大上百倍的覆蓋面積；③功耗較低，該技術(shù)所具備的終端模塊能夠滿足長(zhǎng)達(dá)十年的待機(jī)時(shí)間；④模塊成本較低，該技術(shù)的每一個(gè)連接模塊成本都在30元人民幣。

1.1.1 低成本

低成本是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，低成本主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩個(gè)方面，從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)看，相比LoRa等，NB-IoT無(wú)需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的。以移動(dòng)現(xiàn)有900MHz改造為例，只需要退出一部分現(xiàn)有2G頻段，就可以直接進(jìn)行LTE和NB-IoT的同時(shí)部署。從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)角度看，NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中則考慮了多種降低成本的策略，主要包括：

（1）單RF通路接收：不支持MIMO，只需要單個(gè)接收天線、單路RF器件、單個(gè)基帶器件，降低15～38%的成本；

（2）減少最大帶寬：支持的最大帶寬減少為1.4MHz或者3MHz，降低13.5～50%的成本；

（3）半雙工操作：去除雙工器，降低4～19%的成本；

（4）減少最大發(fā)射功率：減少發(fā)射功率或完全移除功率放大器，降低2～12%的成本；減少最大TBS尺寸、分配更少的PRB數(shù)、降3%～15%的成本；

（5）低支持的調(diào)制階數(shù)，降低3～21%的成本。

因此，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有改造成本低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)低速率、低功耗、低帶寬設(shè)計(jì)思路同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來(lái)低成本優(yōu)勢(shì)。

1.1.2 提高電池壽命技術(shù)

相比GPRS，NB-IoT最大的特點(diǎn)是低功耗。除了本身NB-IoT的傳輸速率比較低以外，NB-IoT引入新的節(jié)電技術(shù)及省電模式，即：①采用e-DRX省電技術(shù)，通過(guò)延長(zhǎng)終端在空閑模式下的睡眠周期，減少信號(hào)接收單元不必要的啟動(dòng)；②提供PSM（PowerSaving Mode）省電模式，針對(duì)時(shí)延不敏感業(yè)務(wù)，NB-IoT終端仍注冊(cè)在網(wǎng)，但不接受信令，從而使終端更長(zhǎng)時(shí)間駐留在深睡眠以達(dá)到省電的目的。以某設(shè)備廠家提供的NB-IoT在PSM模式下的終端使用年限評(píng)估為例，得出結(jié)果如圖1所示。

圖1 NB-IoT終端PSM模式下工作時(shí)間

由圖1可以看出：①隨著路損的增加，終端的使用壽命年限也隨之減少，特別在路損大的場(chǎng)景，終端壽命也是最短的，因此保障NB-IoT網(wǎng)絡(luò)良好覆蓋有利于提升終端的使用壽命；②在最大路損為164dB情況下，減少終端的上報(bào)間隔有利于大幅提升終端壽命。因此實(shí)際規(guī)劃中需要綜合考慮低速物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)上報(bào)時(shí)間間隔需求，同時(shí)在規(guī)劃進(jìn)一步提升NBIoT網(wǎng)絡(luò)本身的深度覆蓋。

1.2 NB-IoT規(guī)劃目標(biāo)

相比于傳統(tǒng)人工式連接網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT主要作用在于物與物之間的連接，能夠?yàn)閷?shí)際工作提供必要的數(shù)據(jù)信息，并且在此基礎(chǔ)之上，能夠有效提供優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，在規(guī)劃階段，其能夠有效解決出現(xiàn)的各項(xiàng)問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)以及長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行深度挖掘，針對(duì)性分析新型網(wǎng)絡(luò)建設(shè)并提出相應(yīng)的解決方案。NB-IoT規(guī)劃目標(biāo)主要包括方案建設(shè)，體系規(guī)劃，指標(biāo)規(guī)劃等方面。

1.3 NB-IoT規(guī)劃思路

此次探究NB-IoT規(guī)劃思路主要的指引工具為規(guī)劃目標(biāo)，需要利用業(yè)務(wù)需求對(duì)規(guī)劃指標(biāo)進(jìn)行全面分析，之后，將規(guī)劃指標(biāo)作為基礎(chǔ)性前提，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行容量規(guī)劃，覆蓋規(guī)劃，軟件功能規(guī)劃以及參數(shù)功能規(guī)劃等一系列工作，形成一套完整的規(guī)劃體系。最后，需要通過(guò)組網(wǎng)方案和規(guī)劃體系對(duì)工程建設(shè)方案進(jìn)行編制。完成之后需要對(duì)比分析各個(gè)方案，最后得出最優(yōu)質(zhì)的建設(shè)方案，全面應(yīng)用在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)當(dāng)中。

2 NB-IoT組網(wǎng)規(guī)劃

2.1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃

現(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)NB-IoT原則上不單獨(dú)新建站點(diǎn)，以GSM升級(jí)、GSM/TD-LTE共站新建為主，具體站址的規(guī)劃以GSM 900M/GSM 1800M+TDLTE全量站址作為NB-IoT的站點(diǎn)備選庫(kù)。GSM 900M/GSM 1800M/TDLTE共站址場(chǎng)景，在滿足規(guī)劃目標(biāo)需求前提下，優(yōu)選GSM 900M，次選GSM 1800 M，再次選TD-LTE（要求同廠家），最后考慮TD-LTE共站新建（異廠商）。室分系統(tǒng)建設(shè)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的實(shí)際需求部署，原則上不允許在無(wú)業(yè)務(wù)的場(chǎng)景中部署。

在合理的站間距區(qū)間內(nèi)設(shè)站，控制NB-IoT站間距偏移距離，既不存在弱覆蓋也不帶來(lái)過(guò)多的重疊覆蓋，NB-IoT站間距及站址偏離距離要求如表1所示?；菊局吩谀繕?biāo)覆蓋區(qū)內(nèi)盡可能平均分布，盡量符合蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的要求，一般要求基站站址分布與標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)的偏差應(yīng)小于站間距的1/4，避免出現(xiàn)超近站和超遠(yuǎn)站。

表1 NB-IoT站間距及站址偏離距離要求

NB-IoT天線選項(xiàng)不做特殊要求，2T2R天線即可滿足業(yè)務(wù)需求。對(duì)部分重要站點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者獨(dú)立優(yōu)化要求高的站點(diǎn)，在條件允許情況下，部署獨(dú)立天饋或獨(dú)立電調(diào)天線。為避免高站帶來(lái)的重疊覆蓋，室外宏基站掛高控制在20～40m，大于50m的站點(diǎn)原則上不得入網(wǎng)。NB-IoT天饋方向角原則上以GSM或者TDL站點(diǎn)規(guī)劃為準(zhǔn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響重大的站點(diǎn)，可部署獨(dú)立天饋或者獨(dú)立電調(diào)天饋。NB-IoT天饋下傾角原則上以GSM或者TDL站點(diǎn)規(guī)劃為準(zhǔn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響重大的站點(diǎn)，可部署獨(dú)立天饋或者獨(dú)立電調(diào)天饋。

2.2 NB-IoT1：N組網(wǎng)規(guī)劃

NB-IoT在物理層發(fā)送方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、信令流程等方面做了簡(jiǎn)化，在覆蓋上提出了在GSM基礎(chǔ)上增強(qiáng)23dB的覆蓋目標(biāo)，即MCL（MaximumCouplingLoss，最大耦合路損）要達(dá)到164dB，主要通過(guò)提高功率譜密度、重復(fù)發(fā)送、低階調(diào)制編制等方式實(shí)現(xiàn)。NB-IoT基于GSM站址1：1的方式建設(shè)，可提供較GSM增強(qiáng)23dB的深度覆蓋能力；基于1：2的方式建設(shè)，可提供較GSM增強(qiáng)17dB的深度覆蓋能力；基于LTEFDD目標(biāo)網(wǎng)規(guī)劃站址1：4的方式建設(shè)，可提供較GSM增強(qiáng)11dB的深度覆蓋能力。

理論上23dB可以用于增強(qiáng)深度覆蓋，可以從原網(wǎng)站點(diǎn)中按照1：N比例調(diào)整站點(diǎn)進(jìn)行NB-IoT的部署，其中N代表原網(wǎng)站點(diǎn)數(shù)，1代表NBIoT站點(diǎn)數(shù)。1：3組網(wǎng)如圖2所示，灰色標(biāo)識(shí)的是NB-IoT與GSM共站建設(shè)站點(diǎn)，其余站點(diǎn)為沒(méi)有NB-IoT站點(diǎn)，灰色虛線框內(nèi)劃定1：3組網(wǎng)架構(gòu)下NB-IoT與GSM站點(diǎn)形成的一個(gè)簇，可以看出1：3組網(wǎng)中NB-IoT站間距為GSM站間距的1.73倍。

圖2 NB-IoT與GSM按1：3比例組網(wǎng)

1：4組網(wǎng)如圖3所示，灰色虛線框內(nèi)劃定1：4組網(wǎng)架構(gòu)下NB-IoT與GSM站點(diǎn)形成的一個(gè)簇，可以看出1：4組網(wǎng)中NB-IoT站間距為GSM站間距的2倍。

1：N組網(wǎng)的影響因素有三大方面：業(yè)務(wù)要求、鄰頻保護(hù)帶要求（頻譜資源）、是否共天饋。從覆蓋深度、業(yè)務(wù)要求和鄰頻干擾保護(hù)帶來(lái)看，1：1組網(wǎng)在比GSM多10dB覆蓋深度情況下可達(dá)到99%覆蓋率，適用于智能抄表業(yè)務(wù)；1：4組網(wǎng)在比GSM相等覆蓋深度情況下可達(dá)到99%覆蓋率，適用于智能停車(chē)、路燈桿業(yè)務(wù)。

圖3 NB-IoT與GSM按1：4比例組網(wǎng)

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)，規(guī)劃目標(biāo)以及規(guī)劃思路等進(jìn)行分析研究。NB-IoT在覆蓋、功耗、成本和連接數(shù)等方面性能占優(yōu)，其特有的關(guān)鍵技術(shù)特性可滿足智能家居、智慧連接、智能抄表、市政物聯(lián)、物流追蹤、智能穿戴及廣域物聯(lián)等LPWA類物聯(lián)網(wǎng)的需求。從建設(shè)方案來(lái)看，NB-IoT可依托原有2G網(wǎng)絡(luò)或4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建設(shè)。NB-IoT邏輯上是獨(dú)立制式的網(wǎng)絡(luò)，但與LTEFDD共硬件設(shè)備，因此蜂窩物聯(lián)網(wǎng)與LTEFDD本質(zhì)上是同一張網(wǎng)絡(luò)，要進(jìn)行聯(lián)合規(guī)劃，所建基站未來(lái)只需開(kāi)啟軟件功能即可開(kāi)通LTEFDD網(wǎng)絡(luò)。本文通過(guò)分析各種區(qū)域和場(chǎng)景的差異化需求，可為后續(xù)NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、模型校正及發(fā)展演進(jìn)提供參考依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)NB-IoT組網(wǎng)規(guī)劃的目的。