蜂窩物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)與組網(wǎng)實(shí)踐

仇 勇 楊錫繼 郝 雋 張 晶 宋嘯天

1.中國移動通信集團(tuán)江蘇有限公司；2.鎮(zhèn)江市審計(jì)局

0 引言

隨著社會的發(fā)展，移動通信技術(shù)已經(jīng)逐步從人與人之間的信息交流擴(kuò)展到人與物、物與物之間信息互通的時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會的各個行業(yè)中。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸與擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是信息化時(shí)代的重要發(fā)展階段。根據(jù)2016年6月份愛立信發(fā)布的移動報(bào)告，到2021年全球約有53.6%的終端連接為物聯(lián)網(wǎng)連接。

區(qū)別于傳統(tǒng)的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，LPWA（Low Power Wide Area，廣覆蓋、低功耗）作為典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景之一，要求可提供廣域覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)?；诖?，在3GPP組織的第69次RAN全會上通過了NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）立項(xiàng)并于2016年6月份完成了NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)。

1 NB-IoT的原理與關(guān)鍵技術(shù)

相對于傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)功能上NB-IoT不支持：切換、不同系統(tǒng)間的互操作、測量報(bào)告、Relay、CSFB等業(yè)務(wù)。但是在幀結(jié)構(gòu)、物理信道、時(shí)隙結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了增強(qiáng)。

根據(jù)規(guī)范要求，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)帶寬相同，均為200kHz，NB-IoT的傳輸帶寬為180kHz。NB-IoT的下行幀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的LTE幀結(jié)構(gòu)相同，1個無線幀包含10個長度為1ms的子幀，1個子幀包含2個長度0.5ms的時(shí)隙。NB-IoT下行支持15kHz的子載波間隔，不支持7.5kHz的子載波間隔，支持常規(guī)CP，不支持?jǐn)U展CP。NB-IoT的上行支持兩種幀結(jié)構(gòu)，即子載波帶寬為3.75kHz的幀結(jié)構(gòu)和子載波帶寬為15kHz的幀結(jié)構(gòu)。

NB-IoT的下行支持3個物理信道，上行只有2個物理信道，如下表1所述：

NB-IoT下行方向以RB為單位進(jìn)行資源分配，上行方向以資源單元RU（Resource Unit）為單位進(jìn)行資源分配調(diào)度。窄帶物理上行共享信道（NPUSCH）在上行方向僅分配1個子載波的模式稱為Signal-tone模式，窄帶物理上行共享信道在上行方向可以分配多于1個子載波的模式稱為Multi-tone模式。根據(jù)NB-IoT的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT具備以下五大特點(diǎn)：

（1）帶寬為180kHz，和現(xiàn)有LTE系統(tǒng)的一個PRB帶寬相同；

（2）下行采用OFDMA技術(shù)，子載波間隔15kHz（和LTE相同）；上行支持兩種模式，多載波15kHz和單載波3.75kHz；

（3）全新的物理信道和信號，對下行的PBCH、PDSCH、PDCCH采用單一的TM傳輸模式；

（4）降低終端成本和功耗，采用半雙工方式，一根接收天線；

（5）為充分利用LTE網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)提供靈活的零散頻率資源部署，NB-IoT建議部署模式：獨(dú)立模式、保護(hù)帶模式和帶內(nèi)部署模式。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，NB-IoT計(jì)劃實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）實(shí)現(xiàn)大容量的終端接入；

（2）實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋和深度覆蓋，覆蓋信號強(qiáng)度比傳統(tǒng)的GPRS技術(shù)增強(qiáng)20dB；

（3）降低終端成本，每個終端低于5美元；

（4）降低功耗，在5Wh可提供大于10年的待機(jī)時(shí)間。

1.1 NB-IoT的工作模式

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)可以從2G基站共站升級，但僅支持FDD制式，占用的帶寬為180kHz，支持3種不同的部署方式：

（1）獨(dú)立部署（Standalone）模式，利用當(dāng)前被其他系統(tǒng)使用且可以重耕的部分頻譜，如一個或者多個GSM載波，不依賴LTE；

（2）帶內(nèi)部署（InBand）模式，占用LTE中的一個PRB；

（3）保護(hù)帶內(nèi)部署，利用LTE保護(hù)帶內(nèi)未使用的資源塊，不占用LTE資源。

三種部署方式如下圖1所示：

圖1 NB-IoT的三種工作模式

1.2 NB-IoT的傳輸方式

NB-IoT支持下行OFDMA傳輸，頻域間每個載波只包含一個PRB，子載波間隔為15kHz，循環(huán)前綴CP的長度為常規(guī)CP。

上行定義了多子載波（Multi-tone）和單子載波（single-tone）兩種傳輸方式。多子載波的傳輸方式支持以15kHz的子載波間隔定義連續(xù)12個子載波，并且這些子載波可以組合成3個、6個或者12個連續(xù)子載波。單子載波支持兩種子載波間隔：3.75kHz和15kHz。對于3.73kHz的子載波間隔，定義了48個連續(xù)的子載波；對于15kHz的子載波間隔，定義了12個連續(xù)的子載波。

1.3 NB-IoT的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

（1）符號擴(kuò)頻技術(shù)和多次重傳技術(shù)。

（2）提高編碼增益以及降低移動性對信道的影響。上行采用Turbo碼，相比GSM采用的卷積碼有更高的增益；并且采用更低的調(diào)制解調(diào)方式（BPSK），對譯碼信噪比需求降低，因此獲得更高的增益；NB-IoT不支持切換，終端處于靜止或者低速移動狀態(tài)，慢信道變化可通過Busrt獲得更高的增益。

（3）提升上行功率譜密度。采用更窄的帶寬（3.75kHz/15kHz）可獲得更高的功率譜密度。

（4）數(shù)據(jù)重傳。采用數(shù)據(jù)重傳技術(shù)獲得時(shí)間分集增益，采用低階調(diào)制方式提高解調(diào)性能、增強(qiáng)覆蓋性能，各個信道均可實(shí)現(xiàn)重復(fù)發(fā)生。

2 NB-IoT的組網(wǎng)方案選擇

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中需要關(guān)注兩方面問題，一方面是來自于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信號干擾引起的傳輸可靠性問題，另一方面是如何快速高效地滿足LPWA類蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的低功耗、低成本和大連接需求。因此，選擇最優(yōu)的頻率以及最佳的基站建設(shè)方式尤其重要。

2.1 NB-IoT的頻率選擇

對于獨(dú)立方式（SA）部署的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，由于系統(tǒng)配置靈活，可相對獨(dú)立組網(wǎng)，在該模式下需要考慮與鄰頻系統(tǒng)的干擾問題，如GSM、CDMA、UMTS、LTE等系統(tǒng)。獨(dú)立模式部署的NB-IoT與其他相鄰系統(tǒng)的保護(hù)帶要求，3GPP組織在R13 TS 36.101和R13 TS 36.104中做了評估和限定，如下表2所示：

表2 NB-IoT獨(dú)立載波與其他IMT系統(tǒng)鄰頻的載波間隔

對于帶內(nèi)、保護(hù)帶工作模式下的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，主要考慮NB-IoT Single-tone 3.75kHz與LTE系統(tǒng)間的干擾問題。一般情況下，可通過預(yù)留PRB作為保護(hù)帶或通過NB-IoT子載波調(diào)度算法來規(guī)避NB-IoT與LTE系統(tǒng)間的干擾。

NB-IoT只支持半雙工的FDD模式，就中國移動而言，目前可用的FDD頻率有900MHz頻段以及1800MHz頻段。900MHz的覆蓋能力比1800MHz的深度覆蓋能力強(qiáng)，因此900M頻段為中國移動部署NB-IoT的首選頻段。如下圖2所示：

圖2 中國移動900MHz頻率分布

根據(jù)中國移動集團(tuán)GSM頻率重耕優(yōu)化指導(dǎo)意見相關(guān)討論會議的結(jié)果，中國移動物聯(lián)網(wǎng)占用頻率為945.8～950.8（下行）和953.3～953.9（下行）共5.6M頻率。

2.2 NB-IoT組網(wǎng)建設(shè)方式

目前NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方式主要包括新建NB-IoT基站和利舊GSM站點(diǎn)升級建設(shè)NB-IoT基站兩種方式。

新建NB-IoT基站需要新增天饋系統(tǒng)，新增RRU，新增基帶板卡等。優(yōu)點(diǎn)是不影響現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)，可以獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，但新增天饋系統(tǒng)難度大、投資較高。

利舊GSM站點(diǎn)升級建設(shè)NB-IoT基站可以利舊原有的天饋系統(tǒng)，建設(shè)速度快，施工難度較小，投資較少。并且當(dāng)NBIoT的工作模式為Inband模式或后期引入eMTC后，可同時(shí)開通LTE FDD900，增加網(wǎng)絡(luò)容量。

以愛立信RBS6000系列設(shè)備為例，如下圖3所示：

（1）基帶：新增數(shù)字基帶單驗(yàn)板卡DUS41/BB52系列；

（2）RRU：復(fù)用現(xiàn)有的GSM基站RRU；

（3）天饋系統(tǒng)：復(fù)用現(xiàn)有GSM基站的天饋系統(tǒng)和饋線；

（4）同步：復(fù)用GPS系統(tǒng)；

（5）傳輸接口：NB-IoT新增傳輸接口；

（6）CPRI接口：新增一套光纖及光模塊。

圖3 Ericsson RBS6000系列GSM基站升級NB-IoT基站示意圖

3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實(shí)踐

江蘇NB-IoT網(wǎng)絡(luò)目前實(shí)行GSM設(shè)備升級的建設(shè)模式，NB-IoT和GSM共RRU和天饋，使用Standalone的模式，使用頻段為953—954MHz，一個頻點(diǎn)200kHz，可用NB頻點(diǎn)共四個：

表3 NB-IoT頻段使用

現(xiàn)網(wǎng)對于NB-IoT組網(wǎng)性能進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證和實(shí)踐工作。

3.1 NB-IoT和GSM覆蓋對比分析

（1）單站拉遠(yuǎn)測試對比

由于NB-IoT采用窄帶提升了功率譜密度，同時(shí)采用重復(fù)傳送技術(shù)，相比GSM的覆蓋能力可以提升約20dB。為了驗(yàn)證實(shí)際的覆蓋效果，現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行了拉遠(yuǎn)測試，對比了NB-IoT和GSM的覆蓋能力。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋評估一般采用MCL（Maximum Coupling Loss，最大鏈路損耗），不同鏈路損耗情況下，GSM和NB-IoT的上行速率對比如下圖，其中NB的工作模式為Standalone，功率為20w，GSM小區(qū)功率也為20w。

圖4 GSM/NB-IoTPathloss對比

GSM在路損達(dá)到141dB時(shí)，終端脫網(wǎng)，而NB-IoT在路損達(dá)到160時(shí)，上行速率可以達(dá)到1kbps，實(shí)測NB-IoT覆蓋能力要高于GSM約19dB，基本符合理論預(yù)期。

（2）深度覆蓋測試對比

為進(jìn)一步驗(yàn)證NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋能力，選擇無錫市中醫(yī)院門診樓一樓大廳進(jìn)行NB-IoT基站以及GSM站點(diǎn)室外覆蓋室內(nèi)的對比測試。對比測試選擇NB-IoT基站為紅星路隧道NB-IoT站點(diǎn)，由GSM站點(diǎn)紅星路隧道通過升級方式建設(shè)，NB-IoT站點(diǎn)的工作方式為Standalone模式。

中醫(yī)院一樓大廳距離測試NB-IoT基站距離約700米，實(shí)地測試，無錫中醫(yī)院門診樓一樓大廳為紅星路隧道NB-IoT基站C小區(qū)覆蓋，功率為10W，對應(yīng)的GSM小區(qū)的功率為42dBm（約16W）。

中醫(yī)院室內(nèi)的NB-IoT的各項(xiàng)業(yè)務(wù)Ping、UDP上傳均正常，如下表4所示：

表4 中醫(yī)院門診樓一樓NB-IoT業(yè)務(wù)測試情況

紅星路隧道GSM站點(diǎn)C小區(qū)的覆蓋情況如下圖5所示：

圖5 中醫(yī)院門診樓一樓GSM_Rxlev覆蓋圖

GSM測試時(shí)，鎖定與紅星路隧道NB-IoT基站C小區(qū)共天饋的GSM小區(qū)BCCH=51號頻點(diǎn)。通道處接收到GSM小區(qū)信號在-85dBm左右，越逐漸向室內(nèi)1樓大廳走，信號衰弱越大，當(dāng)進(jìn)入醫(yī)院1樓大廳時(shí)，GSM信號強(qiáng)度低于-90dBm，GSM脫網(wǎng)。在整個1樓大廳內(nèi)均無法接收到該GSM小區(qū)信號。

從實(shí)際的對比測試看：NB-IoT在RSRP=-120dbm以下的點(diǎn)可以正常接入并且可以做上下行業(yè)務(wù)，在深度覆蓋方面NBIoT較GSM具有優(yōu)勢。

3.2 1∶N組網(wǎng)覆蓋情況驗(yàn)證

NB-IoT站點(diǎn)建設(shè)目前是依托GSM站點(diǎn)進(jìn)行，由于NBIoT的覆蓋能力要強(qiáng)于GSM，所以可采用較少的站點(diǎn)達(dá)到比較好的覆蓋效果，現(xiàn)網(wǎng)通過實(shí)測，驗(yàn)證了NB-IoT和GSM站點(diǎn)不同站點(diǎn)數(shù)量比例的情況下，信號覆蓋和質(zhì)量。

現(xiàn)網(wǎng)選取了一個簇，通過路測，分別驗(yàn)證了1∶1、1∶2和1∶4三種站點(diǎn)數(shù)量比例下的覆蓋情況，如表5：

表5 不同NB站點(diǎn)數(shù)量的覆蓋對比

覆蓋強(qiáng)度RSRP隨著NB-IoT站點(diǎn)數(shù)量的減少逐漸下降，1∶2相比 1∶1 RSRP 下降約 2～5dB，1∶4 相比 1∶1 下降約 10～12dB。

由于重疊覆蓋減少的原因，隨著站點(diǎn)數(shù)量的減少，干擾水平下降，覆蓋質(zhì)量SINR有所改善，空載情況下1∶2和1∶4比 1∶1 組網(wǎng)改善 3-4dB，加載情況下 1∶2 和 1∶4 比 1∶1 組網(wǎng)改善6dB左右。

考慮一定的覆蓋預(yù)留，同時(shí)參考實(shí)測數(shù)據(jù)，上行1Kbps的速率要求的RSRP約為-120dBm。

按照1kbps的上行邊緣速率和95%覆蓋率要求：

1∶1可提供25 dB穿損余量，1∶2可提供25dB穿損余量，1∶4可提供23 dB穿損余量。

按照1kbpsbps的上行邊緣速率和99%覆蓋率要求：

1∶1可提供21dB穿損余量，1∶2可提供16 dB穿損余量，1∶4可提供12 dB穿損余量。

3.3 NB-IoT異頻組網(wǎng)模式驗(yàn)證

建網(wǎng)初期，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)采用同頻組網(wǎng)的模式，由于NBIoT的覆蓋能力高于GSM，重疊覆蓋區(qū)域較大，導(dǎo)致了現(xiàn)網(wǎng)存在覆蓋強(qiáng)度較好、SINR較差的情況。以現(xiàn)網(wǎng)一個網(wǎng)格測試為例，同頻組網(wǎng)測試情況如下圖所示：

圖6-1 同頻組網(wǎng)RSRP

圖6-2 同頻組網(wǎng)SINR

可以看出存在較多SINR低于-3dB的區(qū)域。為了優(yōu)化相關(guān)問題，現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)了NB-IoT的異頻組網(wǎng)模式，在試點(diǎn)區(qū)域共采用3個頻點(diǎn)組網(wǎng)，將覆蓋方向正對的鄰區(qū)配置為異頻，如圖7所示：

圖7 NB-IoT同頻和異頻組網(wǎng)

采用異頻組網(wǎng)后，減少重疊覆蓋區(qū)域的相互干擾，達(dá)到提升下行信號質(zhì)量的目的，實(shí)際對比情況如表6所示：

表6 同異頻組網(wǎng)覆蓋性能對比

采用異頻組網(wǎng)后，試點(diǎn)區(qū)域信號強(qiáng)度RSRP和之前基本持平，信號質(zhì)量提升明顯，平均SINR提升3.69dB，SINR<-3dB占比降低6.08個百分點(diǎn)。

從測試結(jié)果來看，NB-IoT的異頻組網(wǎng)模式，可以有效提升下行的信號質(zhì)量，在后續(xù)組網(wǎng)中有較好的應(yīng)用價(jià)值。

3.4 NB-IoT容量解決方案驗(yàn)證

NB-IoT的隨機(jī)接入能力取決于一個PRACH周期內(nèi)PRACH信道的資源。如圖8所示：一個NPRACH周期內(nèi)，有12個PRACH子載波，共占用12×3.75kHz，且與PUSCH預(yù)留15kHz保護(hù)帶。

圖8 NB-IoT上行信道格式

那么在一個PRACH周期內(nèi)，同時(shí)并發(fā)進(jìn)行隨機(jī)接入的終端上限為12個。而物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)多是大連接業(yè)務(wù)，普遍存在多終端同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的情況，需要考慮并發(fā)容量受限的應(yīng)對措施。

以南京某智能路燈項(xiàng)目為例，1000盞路燈試點(diǎn)區(qū)域情況如下：

表7 智能路燈試點(diǎn)區(qū)域情況

按照燈桿部署30m間距，按NB-IoT間距900m～1.5km，單小區(qū)覆蓋3～4條馬路兩側(cè)進(jìn)行計(jì)算評估：區(qū)域路燈布放后，估計(jì)單小區(qū)部署的燈桿數(shù)約為（912.60/30）×2×4=243個；如果同時(shí)上線，明顯超過小區(qū)的并發(fā)接入用戶數(shù)，現(xiàn)網(wǎng)從無線接入側(cè)到業(yè)務(wù)平臺側(cè)運(yùn)用了對應(yīng)的保障措施。

無線側(cè)隨機(jī)接入信道擁塞控制（Backoあ）。隨機(jī)接入Backoあ功能，是終端在隨機(jī)接入失敗之后，隨機(jī)推遲一段時(shí)間再進(jìn)行接入，提高終端在一定時(shí)間內(nèi)隨機(jī)接入的成功率。

圖9 隨機(jī)接入信道擁塞控制

業(yè)務(wù)平臺進(jìn)行錯峰接入。在初始上電接入時(shí)，對上電時(shí)間進(jìn)行錯峰入網(wǎng)，如采用隨機(jī)值，或采用按ID號順序入網(wǎng)等，使路燈入網(wǎng)隨機(jī)離散開，最終在一定時(shí)間內(nèi)完成所有終端的入網(wǎng)，避免大量終端同時(shí)入網(wǎng)對基站造成沖擊。在周期內(nèi)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)，周期性狀態(tài)上報(bào)使用隨機(jī)數(shù)方式（第一次上電時(shí)取隨機(jī)值+1小時(shí)=下次上報(bào)時(shí)間）進(jìn)行上報(bào)，應(yīng)用所管轄的所有的路燈在一小時(shí)內(nèi)把狀態(tài)上報(bào)完。

圖10 數(shù)據(jù)錯峰上報(bào)

通過各項(xiàng)保障手段的事實(shí)，實(shí)驗(yàn)區(qū)域1000盞路燈，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)順利完成了上電入網(wǎng)和點(diǎn)亮。

4 總結(jié)

本文在介紹NB-IoT基本特點(diǎn)及組網(wǎng)方式的基礎(chǔ)上，通過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了NB-IoT在覆蓋方面的優(yōu)勢以及不同站點(diǎn)比例情況下可提供的覆蓋能力，同時(shí)驗(yàn)證了NB-IoT異頻組網(wǎng)模式的可行性，以及提供了NB-IoT并發(fā)接入容量問題的解決方案，為下一步網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和部署提供參考。