NB-IoT規(guī)劃部署策略研究

王磊，宋鍇，駱潤

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)陜西有限公司，西安 710077）

1 引言

4G網(wǎng)絡(luò)在萬物互聯(lián)業(yè)務(wù)快速發(fā)展下連接能力不足，藍(lán)牙、ZigBee等技術(shù)只具備短距離通信能力，而窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具備廣覆蓋、可移動(dòng)性以及大連接數(shù)等特性，使其可以廣泛應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，如遠(yuǎn)程抄表、智能停車、資產(chǎn)跟蹤、智慧農(nóng)業(yè)等豐富的應(yīng)用場景，成為運(yùn)營商優(yōu)先重點(diǎn)部署的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。本文在介紹NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過鏈路預(yù)算分析覆蓋能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)情況，研究NBIoT網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃思路，并用仿真結(jié)果和路測數(shù)據(jù)對比進(jìn)行效果驗(yàn)證，對NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署策略提出建議。

2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)）支持3 種不同的部署方式： SA（Standalone Operation，獨(dú)立部署）方式、GB（Guardband Operation，保護(hù)帶部署）方式、IB（In-band Operation，帶內(nèi)部署）。SA部署不依賴LTE，適合用于重耕GSM頻段，GSM的信道帶寬為200 kHz，剛好為NB-IoT 180 kHz帶寬留出空間，且兩邊留有10 kHz的保護(hù)間隔；GB部署利用LTE邊緣保護(hù)頻帶中未使用的180 kHz帶寬資源塊，不占用LTE資源；IB部署占用LTE的1個(gè)PRB資源，需保證與LTE PRBs的正交性，實(shí)際部署中有限制條件，只能使用某幾個(gè)PRB。

NB-IoT上下行有效帶寬為180 kHz，其中下行采用OFDM，子載波帶寬與LTE相同，為15 kHz；上行有兩種傳輸方式：單載波傳輸（Single-tone）和多載波傳輸（Multi-tone），其中Single-tone的子載波帶寬包括3.75 kHz和15 kHz兩種，Multi-tone子載波間隔為15 kHz，支持3、6、12個(gè)子載波的傳輸。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

NB-IoT是3GPP設(shè)計(jì)定義的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已在2016年凍結(jié)在R13版本。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

(1）覆蓋廣且深：比GPRS覆蓋增強(qiáng)20 dB+。

(3）低成本：芯片價(jià)格很低。

(4）大連接：50 k+用戶容量/200 kHz小區(qū)。

3 NB-IoT覆蓋能力分析

NB-IoT通過使用窄帶技術(shù)增強(qiáng)功率譜密度減少底噪、重復(fù)發(fā)送降低解調(diào)SINR要求的方式，獲得覆蓋增強(qiáng)，能夠較好的支持廣度、深度覆蓋要求高、電池續(xù)航要求高的業(yè)務(wù)。

3.1 窄帶增益

不同制式功率、帶寬、功率譜密度如表1所示。

從表1可以看出不同制式存在功率譜密度的差異，其中NB-IoT(3.75 kHz)比GPRS有7 dB增益：NBIoT(3.75 kHz)-GPRS=17.3-10≈7 dB。

3.2 重傳增益

相比傳統(tǒng)方式，NB-IoT支持更多次數(shù)的重傳，理論上，重傳次數(shù)每翻一倍，速率就會(huì)減半，同時(shí)帶來3 dB的增益。

表1 不同制式參數(shù)表

重傳增益（Repetition Gain)=10lg重傳次數(shù)（Repetition Times）

于化療前1天開始，2組均給予地塞米松(口服，4 mg/次，3次/天)，維生素B12(口服，1 mg/次，1次/天)和葉酸(口服，0.5 mg/次，1次/天)。

NB-IoT最大重傳次為上行128次，下行2 048次?？紤]到傳輸效率、邊緣場景下的速率以及小區(qū)容量，一般設(shè)置最大重傳次數(shù)為16次，即12 dB重傳增益。

根據(jù)前兩節(jié)內(nèi)容可以看出，NB-IoT比GPRS有7 dB(功率譜密度提升)+12 dB(重傳增益)+(0-3)dB（多天線增益)≈20 dB的覆蓋增強(qiáng)。

3.3 鏈路預(yù)算

NB-IoT系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是比GPRS覆蓋增強(qiáng)20 dB，體現(xiàn)在GPRS MCL=144 dB，而NB-IoT有三個(gè)覆蓋等級，MCL分別等于144 dB、154 dB和164 dB，后兩個(gè)等級有不同程度的覆蓋增強(qiáng)如表2所示。

表2 NB-IoT三種覆蓋等級

NB-IoT業(yè)務(wù)信道均可滿足164 dB的MCL要求，且滿足160 bit/s的最低速率要求，控制信道中NPBCHSA模式下可以滿足164 dB要求，但已無余量，其他兩種方式無法滿足要求，NPDCCH/NPRACH可以滿足164 dB要求，NRS在SA模式滿足164 dB的MCL要求，其他兩種模式僅滿足154 dB的MCL要求。

4 規(guī)劃思路

4.1 部署模式選取

NB-IoT三種部署模式中，首先SA不依賴于LTE，考慮FDD演進(jìn)需求，使用SA可避免頻繁調(diào)整，最大化利用優(yōu)質(zhì)頻譜資源；其次，使用SA可規(guī)避帶內(nèi)GSM/NB-IoT/FDD三模間，及帶外與鐵路和運(yùn)營商間的頻率干擾；另外，SA方式可獨(dú)立對發(fā)射功率及相關(guān)功率控制進(jìn)行設(shè)置，有利于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化。同時(shí)對于NB-IoT的三種組網(wǎng)模式，只有在SA模式下，各信道均滿足164 dB的MCL要求， 因此實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中建議采用獨(dú)立部署方式（SA）進(jìn)行規(guī)劃。

4.2 NB-IoT與LTE FDD協(xié)同規(guī)劃

NB-IoT與FDD協(xié)同規(guī)劃，可通過NB-IoT與FDD規(guī)劃效果的不同，對比展示出NB-IoT的覆蓋增強(qiáng)能力。

（1）更高的深度覆蓋能力：網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃按穿透3堵墻考慮（考慮抄表等業(yè)務(wù)需求，穿透損耗27 dB），比FDD規(guī)劃多穿透1堵墻。

（2）更大的覆蓋半徑（更少的站址和建設(shè)需求）：將NB-IoT與LTE FDD（邊緣1 m/4 m）的站間距進(jìn)行對比，兩者站間距之比約為2：1。覆蓋同樣面積的NB-IoT基站規(guī)模與LTE FDD基站規(guī)模之比約為1：4，通過鏈路預(yù)算得出理論站間距如表3所示。

表3 NB-IOT 理論計(jì)算站間距（1：4）

如果NB-IoT與FDD 1：1建設(shè)，覆蓋電平將再增強(qiáng)10 dB，可再進(jìn)一步增強(qiáng)深度覆蓋或提升容量。

（1）對抗更大的建筑物穿透損耗：穿透損耗可達(dá)37dB，可穿透部分地下室場景，有可能完全利用宏站覆蓋實(shí)現(xiàn)地下的抄表或停車。

（2）提升容量：MCL等級可提升至154 dB，減少重傳，增大小區(qū)吞吐量和用戶業(yè)務(wù)。

4.3 分階段部署

NB-IoT目前規(guī)劃頻段為900 MHz，邏輯上為獨(dú)立制式網(wǎng)絡(luò)，但與LTE FDD硬件共享度較高，因此NB-IoT和LTE FDD可聯(lián)合規(guī)劃，先進(jìn)行LTE FDD目標(biāo)網(wǎng)的規(guī)劃，NB-IoT基于LTE FDD目標(biāo)網(wǎng)規(guī)劃站址進(jìn)行靈活部署，實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。

階段一的目標(biāo)為前期室外實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，滿足基本業(yè)務(wù)需求。按NB-IoT最高覆蓋等級3（MCL=164 dB）和滿足穿透3堵墻連續(xù)覆蓋的要求推算NB-IoT理論站間距，利用站址規(guī)劃工具從LTE FDD目標(biāo)網(wǎng)規(guī)劃站址中選站（1：N，N約等于4），實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋。

階段二的目標(biāo)為后期根據(jù)深度覆蓋、更高容量和速率需求，逐步調(diào)整NB-IoT站址數(shù)量。全網(wǎng)按照NBIoT與LTE FDD 1：4的方式實(shí)現(xiàn)室外連續(xù)覆蓋后，局部可根據(jù)深度覆蓋需求的不同，調(diào)整NB-IoT與LTE FDD比例至1：2或者1：1。當(dāng)NB-IoT與LTE FDD 1：1建設(shè)時(shí)， NB-IoT若按等級3（MCL=164）規(guī)劃，將在與FDD同樣穿透2堵墻的基礎(chǔ)上有約20 dB覆蓋余量，可以再穿透2～3堵墻；NB-IoT可降覆蓋等級到MCL=144或154，減少重傳，兼顧覆蓋與容量需求。

NB-IoT建網(wǎng)初期，由于業(yè)務(wù)量低，主要滿足廣覆蓋要求，建議按照思路一規(guī)劃，后期隨著NB-IoT業(yè)務(wù)量增長，在局部業(yè)務(wù)需求大的區(qū)域可加密站點(diǎn)，滿足容量和更高速率要求，直至NB-IoT與FDD基站規(guī)模達(dá)到 1：1。

4.4 仿真與實(shí)測對比

某市NB-IoT初步規(guī)劃滿足室外連續(xù)覆蓋，采用與LTE TDD站址比例1：2組網(wǎng)，以滿足室外道路覆蓋的同時(shí)兼顧智能電表等深度覆蓋業(yè)務(wù)，通過仿真和方案落地后的實(shí)測對比驗(yàn)證在全網(wǎng)規(guī)劃前的仿真準(zhǔn)確度，仿真主要參數(shù)如表4所示。

表4 仿真參數(shù)

經(jīng)過對仿真（圖1所示）和實(shí)測數(shù)據(jù)（圖2所示）對比發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致（如表5所示），仿真結(jié)果可作為網(wǎng)絡(luò)部署前的效果預(yù)估參考。

圖1 規(guī)劃覆蓋仿真結(jié)果

圖2 開通后實(shí)際路測結(jié)果

表5 仿真與實(shí)測對比

5 NB-IoT設(shè)備部署策略

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)基站硬件是支持GSM/NB-IoT/LTE FDD共模的新型設(shè)備，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)有利于替換和淘汰落后產(chǎn)能，高效解決GSM老舊基站問題；有利于同步儲(chǔ)備LTE FDD能力，在未來提高4G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。NB-IoT建設(shè)應(yīng)綜合考慮建設(shè)成本、實(shí)施難度、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等因素，合理選擇建設(shè)方式。

5.1 建設(shè)方式分析

NB-IoT基站建設(shè)有三種方式：一是GSM升級，利舊GSM RRU、天線，新增BBU或基帶板，開通NB-IoT或LTE FDD軟件功能；二是TD-LTE升級，利舊TD-LTE基帶板，新增RRU、天線，開通NBIoT或LTE FDD軟件功能；三是新建，新建BBU和基帶板、RRU、天線等，開通NB-IoT和LTE FDD軟件功能。各建設(shè)方式如圖3所示。

6種部署方式在成本和后期優(yōu)化方面存在較為明顯的差異（如表6所示）。

圖3 建設(shè)方式示意圖

表6 6種部署方式對比

5.2 建設(shè)策略建議

GSM升級方案具備節(jié)省建設(shè)成本、實(shí)現(xiàn)快速部署的優(yōu)勢，在GSM現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備升級比例較高的城市可優(yōu)先選擇GSM同廠商設(shè)備。TD-LTE/LTE FDD同廠家組網(wǎng)具備接口統(tǒng)一、無線資源調(diào)度效率高、可部署載波聚合以提高客戶感知等優(yōu)勢，在GSM現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備升級比例低、工程實(shí)施難度較小、客戶感知要求高的城市，建設(shè)方案可優(yōu)先選擇TD-LTE同廠商設(shè)備。

6 結(jié)束語

本文在介紹NB-IoT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)、覆蓋加強(qiáng)原理、鏈路預(yù)算等級等方面基礎(chǔ)上，結(jié)合運(yùn)營商的業(yè)務(wù)發(fā)展需求，分析NB-IoT的規(guī)劃思路和部署策略，提出了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和部署方面的建議，即NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和LTE FDD進(jìn)行聯(lián)合規(guī)劃，在LTE FDD目標(biāo)網(wǎng)規(guī)劃站址基礎(chǔ)上，按需分步、分場景靈活規(guī)劃，并根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)GSM和TDLTE網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，確定NB-IoT設(shè)備廠商和建設(shè)方式，實(shí)現(xiàn)從初期滿足基礎(chǔ)業(yè)務(wù)需求的室外連續(xù)覆蓋、到后期滿足更高容量更快速率的局部深度覆蓋。