李自富 張變芝

摘 要：NB-IoT技術(shù)是移動物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個新興技術(shù)，具有廣覆蓋、低成本、低功耗和低速率等特性。本文首先分析了NB-IoT的發(fā)展情況、技術(shù)特點和應(yīng)用，然后從網(wǎng)絡(luò)部署的角度，結(jié)合覆蓋、建網(wǎng)成本和全球應(yīng)用頻段等，提出了基于800M頻段的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案，并評估了此方案實施后的效果。

關(guān)鍵詞：NB-IoT；網(wǎng)絡(luò)部署；空口特性；應(yīng)用場景

中圖分類號：TP391.44；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0007-03

Research on the Deployment of NB-IoT Network Based on 800M Band

LI Zifu1 ZHANG Bianzhi2

（1. China Telecom Luoyang Branch， Luoyang Henan 471000；2. Henan Vocational College of Agriculture，Luoyang Henan 471000）

Abstract： NB-IoT technology is an emerging technology in the field of mobile Internet of things， with wide coverage， low cost， low power consumption， low rate and other characteristics. This paper first analyzed the development， technical characteristics and application of NB-IoT， and then from the perspective of network deployment， combined with coverage， the cost of network， global application frequency and so on， put forward the deployment of NB-IoT network based 800M band， and evaluated the effects after the implementation of this project.

Keywords： NB-IoT；network deployment；airface character；application scenarios

隨著移動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)不同場景，滿足不同的細分需求。移動物聯(lián)網(wǎng)由寬、窄帶（高、低速）等多種技術(shù)組成，NB-IoT技術(shù)是移動物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，具有支持海量連接、深度覆蓋、低功耗和低成本等優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于多種垂直行業(yè)。

1 NB-IoT技術(shù)演進

為實現(xiàn)提升室內(nèi)覆蓋，支持大規(guī)模設(shè)備連接，減小設(shè)備復(fù)雜度，減小功耗和時延的目標，3GPP于2014年啟動窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)研究，并最終形成了基于GSM的技術(shù)演進和全新的技術(shù)方案研究報告TR45.820。主要提及3項技術(shù)，分別為：擴展覆蓋GSM技術(shù)EC-GSM，由華為、高通主導(dǎo)的NB-CIoT，以及由愛立信、中興主導(dǎo)的NB-LTE。NB-CIoT相對于現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)上改動較大，需要通過網(wǎng)絡(luò)升級的代價帶來NB-CIoT性能上的提高，NB-LTE技術(shù)與NB-CIoT定位相似但更傾向于對兼容現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)，在部署上更簡單。因此，在RAN#69次會議上，經(jīng)過激烈討論，各方最終達成一致，將NB-CIoT和NB-LTE兩個技術(shù)方案進行融和，形成NB-IoT[1]。

2 NB-IoT技術(shù)特點

NB-IoT是在LTE基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要采用了LTE的相關(guān)技術(shù)，對自身特點進行了相應(yīng)修改，具有獨特的空口特性和數(shù)據(jù)傳輸特性。

2.1 空口特性

2.1.1 空閑態(tài)的eDRX（extended DRX）。在eDRX（extended DRX）尋呼周期中，UE長時間處于非尋呼監(jiān)聽狀態(tài)，只在尋呼時間窗內(nèi)按DRX（Discontinuous Reception）方式監(jiān)聽尋呼消息，降低終端功耗，延長終端電池續(xù)航時間。引入eDRX機制后，DRX周期為2.56s～2.92h。

2.1.2 NB-IoT覆蓋擴展。NB-IoT通過PSD（Power Spectrum Density）提升和增加重復(fù)發(fā)送次數(shù)，相比LTE FDD獲得更好的覆蓋。

2.1.2.1 PSD提升。UE在相同的發(fā)射功率下，NB-IoT的發(fā)射帶寬比LTE FDD的發(fā)射帶寬窄，在上行方向可獲得10.8dB的覆蓋增益。

2.1.2.2 重復(fù)發(fā)送。NB-IoT支持根據(jù)信號強度調(diào)整數(shù)據(jù)的重復(fù)發(fā)送次數(shù)，邊緣區(qū)域通過增加重復(fù)發(fā)送次數(shù)保障數(shù)據(jù)有效傳輸[2]。

2.1.3 Multi-tone。NB-IoT支持一次分配3、6或12個15kHz子載波提升UE上行數(shù)據(jù)吞吐率。傳輸時延小、時間短、UE睡眠時間更長。

2.1.4 PSM（Power Saving Mode）。終端非業(yè)務(wù)期間深度休眠，不接收下行數(shù)據(jù)，適合對下行業(yè)務(wù)時延無要求的場景。TAU定時器超時喚醒，或終端主動發(fā)起數(shù)據(jù)時喚醒。在PSM模式下，UE類似于關(guān)機狀態(tài)，保持注冊的狀態(tài)，不需要re-attach，也不需要re-establish PDN連接。PSM模式下，周期TAU最大可以設(shè)置為12.1d。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸特性

2.2.1 CP方案（3GPP已明確此方案為必選方案）。CP模式下，UE的用戶數(shù)據(jù)和NAS層信令一起發(fā)送至MME（C-SGN），由MME（C-SGN）轉(zhuǎn)發(fā)到SGW/PGW。協(xié)議要求，NB-IoT終端和網(wǎng)絡(luò)必須支持CP模式。CP模式EPC側(cè)消息傳遞流程如圖1所示。

2.2.2 UP方案（3GPP已明確此方案為可選方案）。與CP方案相比，UE和基站需要保存用戶面連接相關(guān)上下文。UP模式下，需要建立S1-U承載，用戶數(shù)據(jù)通過S1-U和S-GW收發(fā)，和LTE原理一致。CP模式EPC側(cè)消息傳遞流程如圖2所示。

3 800M NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案

為更好地實現(xiàn)覆蓋范圍廣、室內(nèi)深度覆蓋好、節(jié)約建網(wǎng)成本、設(shè)備重用且能快速部署，現(xiàn)階段800M頻段優(yōu)勢明顯?；?00M的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署需要考慮工作模式選擇、芯片、模組或終端、NB-IoT基站、NB-IoT核心網(wǎng)和IoT連接管理平臺等部分。

3.1 工作模式選擇

部署在800M頻段的NB-IoT有3種工作模式：①In Band模式，即部署在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)頻段內(nèi)；②Guard band模式，即部署在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兩端，與LTE有保護間隔；③Stand-alone模式，即與現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)分開部署?，F(xiàn)在從覆蓋、容量、干擾等方面分析比較各個模式的優(yōu)缺點。

3.1.1 覆蓋。物聯(lián)網(wǎng)以上行業(yè)務(wù)為主，覆蓋上行受限。從覆蓋維度分析，三種工作模式差異不明顯。

3.1.2 容量。LTE帶內(nèi)模式、保護帶模式NB-IoT與LTE系統(tǒng)容量相互影響，獨立模式無相互影響。

3.1.3 干擾。LTE帶內(nèi)模式、保護帶模式NB-IoT與LTE干擾問題復(fù)雜，獨立部署模式干擾場景相對單一，通過預(yù)留保護帶規(guī)避與CDMA干擾。

3.2 芯片、模組或終端部署

考慮到簡化射頻硬件、簡化協(xié)議降低成本、減小基帶復(fù)雜度，決定采用模組。

3.3 基站部署

NB-IoT基站采用與L800M站點、共設(shè)備、共天饋、共射頻和共傳輸?shù)龋档土私ㄕ境杀?，且能快速部署?/p>

3.4 核心網(wǎng)部署

現(xiàn)網(wǎng)EPC網(wǎng)元升級支持NB-IoT，實現(xiàn)EPC合設(shè)，物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)PGW、HSS合設(shè)，800M基站改回單掛形式，所有業(yè)務(wù)完全由現(xiàn)網(wǎng)承載。

3.5 NB-IoT平臺部署

NB-IoT平臺主要包括應(yīng)用安全接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備服務(wù)調(diào)用、規(guī)則引擎和消息推送功能。

4 800M NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實施評估

4.1 單站室外廣覆蓋能力較強

NB-IoT有效覆蓋距離約為C網(wǎng)的2倍，L1800/C/NB信號強度如圖3所示。

4.2 干擾測試

4.2.1 上行干擾。當NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋較弱而C網(wǎng)覆蓋較好時，NB終端上行發(fā)射功率會偏高，從而干擾C網(wǎng)。NB-IoT對283頻點干擾幅度如圖4所示。

4.2.2 下行干擾。NB開通后對C網(wǎng)下行基本沒有干擾，只有NB RSRP大于-50dBm時才會對283右邊緣產(chǎn)生微弱干擾。

4.3 時延測試

NB-IoT時延評估（RSRP【-100，-90】）。

①響應(yīng)時延。尋呼時延約750ms，RRC建立時延約730ms，業(yè)務(wù)態(tài)單向時延約為400ms。

②被叫空閑態(tài)時延。從服務(wù)器下發(fā)命令至服務(wù)器收到終端ACK響應(yīng)，約為3 046.049ms。

③主叫空閑態(tài)時延。終端在空閑態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)包至收到服務(wù)器ACK響應(yīng)，約為2 035+730（RRC連接建立時延）=2 765ms。

4.4 速率測試

單用戶速率測試，按照目前的參數(shù)配置（15kHz的single-tone上行調(diào)度）上行理論速率15.6kbps，下行理論速率21.2Kbps。在極近點/近點/中點時，上、下行速率相對比較穩(wěn)定，平均速率接近峰值，在加載時下行速率影響不大，在遠點由于RSRP、SINR的惡化，上下行速率降低較為明顯。

5 結(jié)語

通過對800M NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署實驗，積累了建設(shè)經(jīng)驗，利用NB-IoT本身的技術(shù)特點，解決了目前物理網(wǎng)面臨的技術(shù)難題。但其速率只有15K左右，對于帶寬型大速率的業(yè)務(wù)是不適用的，目前不支持切換，高速移動的車載業(yè)務(wù)也是不適用的，由于時延普遍較長，對時延特別敏感的智能制造業(yè)務(wù)也是不適用的，且目前的NB-IoT只適用于FDD，不適用于TDD，這是很大的技術(shù)瓶頸。

參考文獻：

[1]皮和平.關(guān)于中國電信物聯(lián)網(wǎng)的部署策略的探討[J].移動通信，2017（6）：24-27.

[2]陳博，甘志輝.NB-IoT網(wǎng)絡(luò)商業(yè)價值及組網(wǎng)方案研究[J].移動通信，2016（13）：42-46.