佘 莎 黃嘉銘

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基于理論和實測的NB-IOT覆蓋分析

佘 莎 黃嘉銘

廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司，廣東 廣州 510000

NB-IoT是一種低成本的高可靠性、高安全性廣域物聯(lián)網(wǎng)技術，具有廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本等特點，逐漸受到運營商的青睞。目前，主流運營商都在加緊研究和部署NB-IoT網(wǎng)絡?；诖?，重點對NB-IoT網(wǎng)絡的覆蓋性能進行了研究分析，通過理論鏈路預算、仿真分析、實際測試等多種手段，掌握NB-IoT的覆蓋能力，對后續(xù)的商用網(wǎng)絡部署提供參考。

NB-IoT；鏈路預算；仿真

1 研究背景和意義

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分，其應用場景廣泛，發(fā)展?jié)摿薮?。智慧家庭、車?lián)網(wǎng)、公用事業(yè)等是運營商物聯(lián)網(wǎng)的最佳行業(yè)切入點。

移動物聯(lián)網(wǎng)按照不同的支持速率，可以分為低速率、中速率、高速率三大類，其中低速率場景最常見，占比在60 %～70 %。NB-IoT是低速率廣覆蓋場景中的一種網(wǎng)絡接入技術，相對短距通信、私有技術優(yōu)勢明顯，它是3GPP定義的標準制式，可與現(xiàn)蜂窩網(wǎng)融合演進，是一種低成本的高可靠性、高安全性廣域物聯(lián)網(wǎng)技術。

目前，主流運營商都在加緊研究和部署NB-IoT網(wǎng)絡。提前了解掌握NB-IOT的覆蓋能力，有助于幫助運營商快速部署NB-IoT網(wǎng)絡。

2 NB-IoT覆蓋分析：鏈路預算

同傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡一樣，NB-IoT仍然是上行鏈路受限系統(tǒng)，覆蓋距離按上行鏈路預算計算。在鏈路預算過程中，需要重點考慮物聯(lián)網(wǎng)終端所處位置對穿透損耗預留的影響，某些場景下，NB-IoT信號甚至要求穿透室內(nèi)兩堵墻。因此，在做覆蓋鏈路預算分析前，有必要針對物聯(lián)網(wǎng)用戶所處的位置，進行穿透損耗的實測，以確定鏈路預算中的穿透損耗取值。

2.1 實測穿透損耗

為了解NB-IoT網(wǎng)絡究竟要比普通大網(wǎng)預留多少額外穿透損耗，測試水/電表安裝場景相對于正常打電話場景（不是指主干道或室內(nèi)）穿透損耗的差異，我們針對水表/電表進行了實際測試，測試場景包含城中村、高層住宅、停車場、寫字樓等。見表1。

穿透損耗測試方法：

（1）在用戶正常撥打電話位置記錄測量信號強度平均值；

（2）在電表安裝位置記錄測量信號強度平均值；

（3）上述記錄的兩值差值即為平均穿透損耗。

從現(xiàn)網(wǎng)測試情況看，不同場景損耗各有不同，平均穿透損耗最大平均17.8 dB，NB-IoT的20 dB+覆蓋能力增強需考慮這部分穿透損耗。

表1

測試場景正常打電話位置測量信號強度（平均）dBm電表安裝位置測量信號強（平均）dBm平均差值（dB）最大差值（dB） 城中村（電表安裝在室內(nèi)）-73.2-89.416.225.0 高層住宅-54.0-71.817.826.0 停車場-80.0-96.016.016.0 高層住宅樓，電表安在1F強電井內(nèi)-52.8-62.09.320.0 城中村，電表安裝在1F室外外墻-64.7-66.21.59.0 寫字樓，電表安在1F室外外墻-72.5-74.52.04.0

2.2 鏈路預算結果

以密集市區(qū)為例（見表2）：

表 2

系統(tǒng)參數(shù)NB-IOT（兩堵墻）NB-IOT（兩堵墻） NB-IOT（2T2R）NB-IOT（2T4R）NB-IOT（2T2R）NB-IOT（2T4R） 邊緣速率（kbps）0.20.20.40.4 MIMO配置1×21×41×21×4 子載波帶寬（MHz）0.0150.0150.0150.015 移動臺最大發(fā)射功率（dBm）23232323 Tx Power/Subcarrier （dBm）23232323 MCSQPSKQPSKQPSKQPSK 基站天線增益（dBi）15151515 基站饋線及接頭損耗（dB）1111 接收機噪音系數(shù)（dB）3333 熱噪音譜密度（dBm/Hz）No=KT-174-174-174-174 SINR（dB）-12.6-12.6-6.6-6.6 基站靈敏度/Subcarrier（dBm）-141.84-141.84-135.84-135.84 MCL（dB）164.84164.84158.84158.84 干擾余量（dB）2222 分集增益（dB）0303 面積覆蓋概率0.990.990.990.99 正態(tài)衰落余量（dB）19.419.419.419.4 穿透損耗（dB）42424242 MAPL（dB）115.44118.44109.44112.44

關鍵參數(shù)取值說明：

（1）上行邊緣速率：3GPP 要求的NB-IoT系統(tǒng)設計目標最低上行邊緣速率為160 bps，考慮不同業(yè)務對速率要求有所不同，本次鏈路預算里分別按照200 bps和400 bps進行上行邊緣速率取值。

（2）MIMO配置：分別按照上行兩接收和上行四接收進行預算。

（3）子載波帶寬：3GPP協(xié)議定義了NB-IoT上行子載波帶寬可以設置為3.75 kHz或者15 kHz，其中3.75 kHz不支持multi-tone，而15 kHz可以支持多個子載波綁定。在正常的深度覆蓋時，15kHz由于允許多個子載波綁定，速率較3.75 kHz有明顯優(yōu)勢。本次鏈路預算按照上行子載波15 kHz進行。

（4）移動臺最大發(fā)射功率（dBm）：NB-IoT終端和普通LTE終端一致，最大發(fā)射功率23 dBm。

（5）Tx Power/Subcarrier（dBm）：每子載波發(fā)射功率，取終端全部發(fā)射功率承載在一個子載波上，即23 dBm/子載波。

（6）面積覆蓋概率：取值需根據(jù)運營商對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的覆蓋要求來定，通常NB-IoT的覆蓋要求要高于普通LTE業(yè)務，這里按99 %取值。

（7）穿透損耗：密集市區(qū)一堵墻穿透損耗取值22 dB，NB-IoT再額外穿透一堵墻20 dB，這里兩堵墻的穿透損耗合計取值42 dB。

鏈路預算結果：

上行邊緣速率200 bps，NB-IoT最大MCL可以達到164 dB，密集市區(qū)，能夠穿透兩堵墻損耗，達到99 %面覆蓋率，上行采用2R接收情況下，最大允許路徑損耗115 dB，上行采用4R接收情況下，最大允許路徑損耗118 dB。

上行邊緣速率400 bps，NB-IoT最大MCL可以達到158 dB，密集市區(qū)能夠穿透兩堵墻損耗達到99 %面覆蓋率，上行采用2R接收情況下，最大允許路徑損耗109 dB，上行采用4R接收情況下，最大允許路徑損耗112 dB。

3 NB-IoT覆蓋分析：仿真

在NB-IoT標準協(xié)議上定義了相對LTE 20 dB+的覆蓋增強。理論上20 dB可以用于增強深度覆蓋、提高覆蓋率或增加單站覆蓋面積。本次仿真區(qū)域站點共58個，NB-IoT站點與現(xiàn)網(wǎng)LTE站點按照1∶1共站址部署，站間距590 m。

3.1 仿真參數(shù)

（1）FrequencyBand：869 NB-IoT–0.2 MHz；

（2）Total Loss（DL）：0.5 dB；

（3）天線端口數(shù)：2；

（4）RS Power：2×5 W場景：29.2 dBm；

（5）穿透損耗： 室外、室內(nèi)、室內(nèi)+10 dB、室內(nèi)+20 dB。

3.2 仿真結果

采用2×5 W發(fā)射功率，與現(xiàn)網(wǎng)LTE站點按照1∶1共站址部署，覆蓋率仿真結果如下：

（1）NB-IoT站點按與現(xiàn)網(wǎng)1∶1的比例部署，室外RSRP>-125 dBm的覆蓋率達到100 %，滿足覆蓋率大于99 %的部署要求；

（2）NB-IoT站點按與現(xiàn)網(wǎng)1∶1的比例部署，室內(nèi)RSRP>-125 dBm的覆蓋率達到99.96 %，滿足覆蓋率大于99 %的部署要求；

（3）NB-IoT站點按與現(xiàn)網(wǎng)1∶1的比例部署，室內(nèi)兩堵墻（1堵厚墻+1堵薄墻）RSRP>-125 dBm的覆蓋率達到99.81%，滿足覆蓋率大于99 %的部署要求；

（4）NB-IoT站點按與現(xiàn)網(wǎng)1∶1的比例部署，室內(nèi)兩堵墻（1堵厚墻+1堵厚墻）RSRP>-125 dBm的覆蓋率達到97.33 %，不能滿足覆蓋率大于99 %的部署要求。

表3

與現(xiàn)網(wǎng)站點比例場景RSRP大于-105dBm覆蓋率（%）RSRP大于-115dBm覆蓋率（%）RSRP大于-120dBm覆蓋率（%）RSRP大于-125dBm覆蓋率（%） 1：1室外99.91100100100 室內(nèi)97.2699.8199.8999.96 室內(nèi)+1090.0797.3399.3399.81 室內(nèi)+2081.4690.1394.4197.33

4 NB-IOT覆蓋分析：典型業(yè)務實測結果

（1）測試應用場景：水表、電表、氣表；

（2）測試區(qū)域：室外、弱電井、樓內(nèi)水井表、地下1層等；

（3）測試結果：在當前測試環(huán)境下，當終端距離最近基站400 m，地上基本業(yè)務可用，地下不可用；當終端距離最近基站520 m，在弱電井內(nèi)，業(yè)務不可用。該結論基于一定測試場景和數(shù)量得出，場景未全遍歷，與其他實際場景可能存在差異[1]。

5 結束語

NB-IoT是廣覆蓋網(wǎng)絡，較大網(wǎng)有20 dB+的增益，但是不同NB-IoT業(yè)務要求的覆蓋深度不同，對于常見的抄表類業(yè)務，終端往往安放在地下室、弱電井等較為隱秘處，對深度覆蓋要求高，NB-IoT網(wǎng)絡的部署甚至要求比大網(wǎng)更密。建議從物聯(lián)網(wǎng)需求角度出發(fā)，同時結合現(xiàn)有無線網(wǎng)絡架構，統(tǒng)籌規(guī)劃部署NB-IoT。

表4

區(qū)域應用場景基站距離（m）樓高（層）典型場景/穿透損耗結果 1水表30～1726室外1樓墻表基本業(yè)務可用 2電表或氣表20017（1）弱電井；（2）地下1層墻表 基本業(yè)務可用 3電表或氣表3206弱電井（室內(nèi)無法進入，故把弱電井作為典型場景）基本業(yè)務可用 4水表40024（1）樓內(nèi)水表井（2）地下水泵房地上基本業(yè)務可用，地下不可用 電表弱電井門的穿透損耗10 dB 氣表樓體的穿透損耗19dB 5水表或電表48030弱電井（室內(nèi)無法進入，故把弱電井作為典型場景）地上基本業(yè)務可用，地下不可用 弱電井門的穿透損耗6dB 6水表或電表52032弱電井（室內(nèi)無法進入，故把弱電井作為典型場景）不可用

[1]盧斌.NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強技術探討[J].移動通信，2016，40（19）：55-59.

Analysis of NB - IOT Coverage Based on Theory and Measurement

She Sha Huang Jiaming

Guangdong Telecom Planning & Design Institute Co.，Ltd.,Guangdong Guangzhou 510000

NB-IoT is a kind of low-cost high-reliability，high-security wide-area Internet of Things technology，with wide coverage，large connections，low power consumption，low cost and other characteristics，favored by the operators.At present，the mainstream operators are stepping up research and deployment of NB-IoT network.In this paper，the coverage of NB-IoT network is studied and analyzed，and the coverage ability of NB-IoT is grasped by means of theoretical link budget，simulation analysis and practical testing.The wireless network planning proposal is proposed，and the subsequent commercial network deployment for reference.

NB-IoT；Link Budget；Simulation

TM714.3

A

1009-6434（2016）12-0072-03

佘莎，助理工程師，2008年畢業(yè)于北京郵電大學，獲工學碩士學位?，F(xiàn)在廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司電信咨詢設計院從事無線網(wǎng)絡咨詢、規(guī)劃設計和優(yōu)化工作。黃嘉銘，工程師，2007年畢業(yè)于北京郵電大學，獲工學碩士學位?，F(xiàn)在廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司電信咨詢設計院從事無線網(wǎng)絡咨詢、規(guī)劃設計和優(yōu)化工作。