李建軍

【摘 要】為了研究NB-IoT在LTE網(wǎng)絡(luò)中的組網(wǎng)方案，介紹了基于LTE的NB-IoT技術(shù)特征以及典型應(yīng)用場(chǎng)景，并根據(jù)NB-IoT的特點(diǎn)對(duì)3種頻率部署方案進(jìn)行分析，提出了4種在LTE網(wǎng)絡(luò)中部署NB-IoT的組網(wǎng)方案。通過(guò)對(duì)不同組網(wǎng)方案進(jìn)行不同場(chǎng)景的測(cè)試分析，結(jié)果表明以RSRP=-125dBm作為最小電平接入門限要求，在NB-IoT、LTE站點(diǎn)數(shù)為1：3和1：4組網(wǎng)情況下，只有室外場(chǎng)景覆蓋率可以達(dá)到99%。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，建議在市區(qū)選擇站點(diǎn)數(shù)為1：1的組網(wǎng)方案。

【關(guān)鍵詞】NB-IoT LTE 頻率部署 組網(wǎng)方案

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是由物主動(dòng)發(fā)起傳送、物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，涉及生產(chǎn)和生活各個(gè)領(lǐng)域。全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)呈現(xiàn)空間大、增速快的特點(diǎn)，中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力巨大，有望超越美國(guó)成為全球第一大市場(chǎng)。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)通?？煞譃槿悾簾o(wú)需移動(dòng)性、上行數(shù)據(jù)量大、需較寬頻段的業(yè)務(wù)（如城市監(jiān)控網(wǎng)）；移動(dòng)性強(qiáng)、需執(zhí)行頻繁切換、小數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)（如車聯(lián)網(wǎng)）；無(wú)需移動(dòng)性、小數(shù)據(jù)量、對(duì)時(shí)延要求不敏感的業(yè)務(wù)（如智能抄表、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)跟蹤等）。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）屬于第三類物聯(lián)網(wǎng)，是一種可與現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)的低成本、高可靠性、高安全性的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。當(dāng)前全球物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展，預(yù)計(jì)2020年全球物聯(lián)網(wǎng)鏈接設(shè)備數(shù)將超百億，其中運(yùn)營(yíng)商份額占比10%，因此NB-IoT市場(chǎng)廣闊。本文以中國(guó)電信800 MHz頻段LTE網(wǎng)絡(luò)為研究背景，介紹了NB-IoT技術(shù)特征以及應(yīng)用場(chǎng)景，并通過(guò)實(shí)測(cè)分析了不同站間距對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響。

2 NB-IoT技術(shù)特征及市場(chǎng)應(yīng)用

2.1 NB-IoT技術(shù)特征

（1）超強(qiáng)覆蓋：NB-IoT比LTE覆蓋增強(qiáng)20 dB以上。

物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋率要求比普通通信業(yè)務(wù)覆蓋率要求更高，并且部分終端所處無(wú)線環(huán)境不理想，如水表與智能手機(jī)相比不但存在高度差，而且蓋上蓋子后會(huì)額外增加穿透損耗。因此，現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足NB-IoT的覆蓋要求，NB-IoT可通過(guò)提升功率譜密度、增加重傳次數(shù)來(lái)有效提升覆蓋能力。功率譜密度增強(qiáng)可以表示為：

功率譜密度增強(qiáng)值=10log[（功率N/帶寬N）/（功率L/帶寬L）] （1）

在下行鏈路中，當(dāng)發(fā)射功率為43 dBm、頻譜方案選擇Stand-alone方案時(shí)，NB-IoT（180 kHz）功率譜密度比LTE（10 MHz頻寬）增強(qiáng)17 dB；當(dāng)發(fā)射功率為35 dBm、頻譜方案選擇In-band方案時(shí)，NB-IoT（180 kHz）功率譜密度比LTE（10 MHz頻寬）增強(qiáng)6 dB。

在上行鏈路中，發(fā)射功率為23 dBm，子載波方案選用Single-tone模式，當(dāng)子載波間隔為15 kHz時(shí)，NB-IoT（180 kHz）功率譜密度比LTE（10 MHz頻寬）增強(qiáng)10.8 dB；當(dāng)子載波間隔為3.75 kHz時(shí)，NB-IoT（180 kHz）功率譜密度比LTE（10 MHz頻寬）增強(qiáng)16.8 dB。

增加重傳次數(shù)。NB-IoT的重傳次數(shù)達(dá)到16次，通過(guò)更多的重傳次數(shù)可獲得9～12 dB的增益。

（2）超低功耗：NB-IoT終端可在164 dB路損、5 Wh電池容量的情況下使用10年。

待機(jī)時(shí)長(zhǎng)與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)本身的特性相關(guān)，NB-IoT業(yè)務(wù)定位為低頻、小包、時(shí)延不敏感業(yè)務(wù)，小數(shù)據(jù)、低頻次的業(yè)務(wù)特性是NB-IoT終端實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)待機(jī)的重要因素；不同的業(yè)務(wù)模型以及覆蓋等級(jí)，待機(jī)時(shí)長(zhǎng)會(huì)有很大差異，可以通過(guò)增加深度睡眠模式及加長(zhǎng)喚醒周期等方式使系統(tǒng)更加省電。

（3）超大鏈接：網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)容量為每小區(qū)5萬(wàn)以上用戶數(shù)。

上行采用Single-tone傳輸方式可提高載波的利用效率，通過(guò)全新的、更高效的隨機(jī)接入過(guò)程及全新的專用控制信道以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量。

（4）超低成本：終端芯片不超過(guò)5美元。

NB-IoT業(yè)務(wù)以Massive MTC（Machine Type Communication，機(jī)器類型通訊）上行業(yè)務(wù)為主，覆蓋是關(guān)鍵，受限于上行，因此可通過(guò)犧牲下行性能實(shí)現(xiàn)終端成本的下降，如采用終端單接收天線方案、降低終端發(fā)射功率等。又因?yàn)镸assive MTC業(yè)務(wù)速率和延遲要求極其寬泛，所以可考慮降低終端的峰值速率以減少緩沖區(qū)存儲(chǔ)空間，降低編碼器復(fù)雜度；采用半雙工模式以節(jié)省雙工濾波器成本，并可以消除雙工濾波器帶來(lái)的器件損耗，進(jìn)一步擴(kuò)大覆蓋。

2.2 NB-IoT市場(chǎng)應(yīng)用

NB-IoT主要用于拓展LPWA（Low Power Wide Area，低功耗廣域技術(shù)）市場(chǎng)，應(yīng)用場(chǎng)景包括抄表、交通、公共安全等領(lǐng)域。表1列舉了部分NB-IoT典型應(yīng)用場(chǎng)景的業(yè)務(wù)特性。

不同的NB-IoT業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求不同，如三表（水、電、氣）、路燈等固定位置業(yè)務(wù)只需要網(wǎng)絡(luò)做定點(diǎn)覆蓋，而移動(dòng)性較強(qiáng)的業(yè)務(wù)則需要廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)；話務(wù)模型的不同，導(dǎo)致對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率要求的差異；設(shè)備位置的不同，對(duì)深度覆蓋要求也不一致。

3 NB-IoT部署方案

3.1 頻率部署方案

NB-IoT頻率部署方案可按其分配頻段與LTE頻段的關(guān)系分為In-band、Guard-band、Stand-alone模式，具體如圖1所示。

（1）In-band是指NB-IoT占用LTE載波的任意一個(gè)PRB（Physical Resource block，物理資源塊），但邏輯上仍是獨(dú)立系統(tǒng)。In-band模式能夠較為靈活地通過(guò)增加NB-IoT載波進(jìn)行載波擴(kuò)展，但是會(huì)占用LTE的頻率資源，使得LTE系統(tǒng)容量降低，同時(shí)LTE系統(tǒng)的RS（Reference Signal，參考信號(hào)）、PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）開銷也會(huì)導(dǎo)致NB-IoT容量降低。此外，In-band模式還需控制下行發(fā)射功率以降低對(duì)LTE的干擾，因此會(huì)降低NB-IoT的覆蓋，并且NB-IoT載波不應(yīng)放置于LTE頻段中間，以免影響LTE單用戶上行峰值速率。

（2）Guard-band是在LTE保護(hù)帶中部署，需要預(yù)留和LTE之間的100 kHz以上的保護(hù)帶。利用保護(hù)帶可提升頻譜利用效率，但是依然需要考慮下行發(fā)射功率對(duì)LTE系統(tǒng)的干擾，因此Guard-band與In-band模式一樣會(huì)降低NB-IoT的覆蓋。

（3）Stand-alone是指在LTE載波外選擇一段超過(guò)180 kHz以上的空閑頻譜獨(dú)立部署。由于與LTE工作頻率相互獨(dú)立，因此相比其他兩種部署方式，無(wú)需考慮對(duì)LTE系統(tǒng)的影響，與帶內(nèi)部署相比Stand-alone模式可以增加下行發(fā)射功率13 dB左右，能夠有效增大系統(tǒng)下行能力。但是，獨(dú)立部署方案需額外占用頻譜資源，并需要留出一定的頻率保護(hù)間隔，而實(shí)際上真正可用于部署的頻率資源并不豐富。

3.2 站間距選擇方案

NB-IoT相對(duì)LTE 20 dB的覆蓋增強(qiáng)，是實(shí)現(xiàn)1：N組網(wǎng)的基礎(chǔ)。所謂1：N組網(wǎng)，是以現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)為基礎(chǔ)部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，在滿足一定的覆蓋要求下，可以從原網(wǎng)站點(diǎn)中按照1：N的比例調(diào)整站點(diǎn)進(jìn)行NB-IoT部署，其中N代表原網(wǎng)站點(diǎn)數(shù)，1代表NB-IoT的站點(diǎn)數(shù)。

如圖2和圖3所示，用顏色標(biāo)識(shí)的是NB-IoT與原網(wǎng)共站建設(shè)站點(diǎn)，其余站點(diǎn)為沒(méi)有NB-IoT的站點(diǎn)。1：3組網(wǎng)NB-IoT站間距為原網(wǎng)的1.73倍，1：4組網(wǎng)NB-IoT站間距為原網(wǎng)的2倍。

1：N組網(wǎng)的影響因素主要有三大方面：業(yè)務(wù)要求、鄰頻保護(hù)帶要求、是否共天饋。

具體如下：

（1）業(yè)務(wù)要求需綜合考慮覆蓋深度、覆蓋率以及邊緣速率，分別對(duì)應(yīng)穿透損耗、慢衰落損耗以及電平要求，NB-IoT相對(duì)LTE的20 dB增益，除去業(yè)務(wù)需求開銷，剩余的覆蓋增益可增加單站覆蓋面積，提升NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。

（2）鄰頻保護(hù)帶要求需提供更多可用頻譜資源，LTE中部署的NB-IoT占用200 kHz帶寬，其中兩端各10 kHz保護(hù)帶寬，剩余有效頻寬180 kHz。

（3）NB-IoT采用與現(xiàn)網(wǎng)共天饋的方案，以中國(guó)電信800 MHz頻段LTE部署NB-IoT為例，NB-IoT可以與800 MHz LTE共天饋、共RRU、共BBU建設(shè)。

此外，室內(nèi)盲區(qū)可通過(guò)大數(shù)據(jù)評(píng)估分析，并考慮采用小基站、合路C網(wǎng)室分、新增直放站、手機(jī)伴侶等手段進(jìn)行盲區(qū)覆蓋。

4 測(cè)試分析

在中國(guó)電信800 MHz頻段的LTE網(wǎng)絡(luò)中采用Stand-alone模式部署NB-IoT系統(tǒng)，對(duì)不同場(chǎng)景、不同組網(wǎng)方案進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試。NB-IoT終端用戶場(chǎng)景分別為室外、室內(nèi)、室內(nèi)+10 dB、室內(nèi)+20 dB；組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中NB-IoT站點(diǎn)數(shù)與800 MHz頻段LTE站點(diǎn)數(shù)的比例分別選取1：1、1：3、1：4。測(cè)試區(qū)域共計(jì)LTE站點(diǎn)58個(gè)，具體站點(diǎn)信息如表2所示：

對(duì)終端功率為2×5 W和2×10 W這兩種情形進(jìn)行覆蓋率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如表3和表4所示。

由表3和表4可知，在2×5 W、2×10 W功率配置下，僅紅色標(biāo)識(shí)部分達(dá)到99%的覆蓋要求；以RSRP= -125 dBm作為最小電平接入門限要求，在1：3和1：4組網(wǎng)情況下，只有室外場(chǎng)景覆蓋率可以達(dá)標(biāo)；采用Stand-alone模式、2×5 W的NB-IoT功率配置，在1：1組網(wǎng)情況下，可基本滿足業(yè)務(wù)需求，在深度覆蓋要求較高、穿透損耗較大的場(chǎng)景，2×10 W功率配置可以提升覆蓋率。

5 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)潛力巨大，是運(yùn)營(yíng)商的必爭(zhēng)之地，現(xiàn)階段NB-IoT業(yè)務(wù)需求主要集中在公共事業(yè)（水、電、氣抄表）和市政設(shè)施（井蓋、路燈桿、消防設(shè)施等）等。通信全面進(jìn)入4G時(shí)代，低頻段LTE網(wǎng)絡(luò)是NB-IoT最優(yōu)選擇。本文首先介紹了NB-IoT廣覆蓋、大鏈接、低功耗、低成本的技術(shù)特征以及一些典型的市場(chǎng)應(yīng)用；然后分析了NB-IoT的3種頻率部署方案（In-band、Guard-band、Stand-alone），并將NB-IoT應(yīng)用場(chǎng)景建模形成4種不同場(chǎng)景；最后對(duì)不同場(chǎng)景、不同組網(wǎng)方案進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果表明在Stand-alone模式下，以RSRP=-125dBm作為最小電平接入門限要求，1：3和1：4組網(wǎng)情況下只有室外場(chǎng)景覆蓋率可以達(dá)到99%，提升終端功率配置可解決更高要求的深度覆蓋問(wèn)題。綜合分析測(cè)試結(jié)果，建議在市區(qū)內(nèi)做NB-IoT的連續(xù)覆蓋，并采用1：1的組網(wǎng)方案。

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