卓毅 中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司陜西分公司

概述：在大數(shù)據(jù)時(shí)代， 萬物互聯(lián)是移動(dòng)通信發(fā)展的必然趨勢，預(yù)計(jì)未來全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達(dá)千億級(jí)。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類豐富，承載技術(shù)多樣，包括非蜂窩（以短距離Wi-Fi、藍(lán)牙等為主，也包括Sigfox 和LoRa 等）和蜂窩（2G/3G/4G）兩大類。專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)預(yù)測，2020 年全球物聯(lián)網(wǎng)市場連接數(shù)規(guī)模將達(dá)500 億，中國市場將突破100 億，其中90 億為物與物連接。然而，目前市場中大部分連接通過短距離通信技術(shù)承載，而非運(yùn)營商移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)具備廣覆蓋、可移動(dòng)以及大連接數(shù)等特性，能夠帶來更加豐富的應(yīng)用場景，理應(yīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的主要承載技術(shù)。

天水市總?cè)丝?82.9萬，常住人口332.30萬，常住人口排名省內(nèi)第二，是省內(nèi)的人口與家庭大市。區(qū)域內(nèi)，三家運(yùn)營商手機(jī)用戶市場競爭慘烈，手機(jī)用戶趨于飽和，業(yè)務(wù)創(chuàng)收能力日益衰減，發(fā)展NBIoT用戶對(duì)公司意義重大。我公司作為區(qū)域內(nèi)最有實(shí)力的運(yùn)營商有條件從管道提供商向綜合服務(wù)提供商演進(jìn)，利用移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢逐步介入智能家居、智能樓宇、智能抄表、市政物聯(lián)、物流跟蹤等新領(lǐng)域。

根據(jù)目前天水現(xiàn)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及站點(diǎn)部署情況，通過對(duì)NB-IoT技術(shù)的頻段的選取、組網(wǎng)方式、基站建設(shè)方式、部署區(qū)域選取等進(jìn)行分析，選擇適合本地區(qū)的部署策略；通過覆蓋能力分析、仿真分析，對(duì)比不同的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案，作為后續(xù)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署的參考。

1.NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

NB-IoT 具備4 大特點(diǎn)：

廣覆蓋，將提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT 比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，覆蓋面積擴(kuò)大100 倍。

具備支撐海量連接的能力，NB-IoT 一個(gè)扇區(qū)能夠支持10 萬個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

更低功耗，NB-IoT 終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長達(dá)10 年。

更低的模塊成本，目前終端企業(yè)預(yù)期的單個(gè)連接模塊不超過5美元。NB-IoT 技術(shù)采用超窄帶、重復(fù)傳輸、精簡網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等設(shè)計(jì)，以犧牲一定速率、時(shí)延、移動(dòng)性性能，獲取面向LPWA 物聯(lián)網(wǎng)的承載能力。另外NB-IoT 的200 kHz 帶寬，易于2G 網(wǎng)絡(luò)騰頻和升級(jí)支持，同時(shí)子載波采用15/3.75 kHz( 與LTE 子載波相同或1/4)，可以獨(dú)立部署，也可以與LTE 共載波部署。NB-IoT 初步滿足大連接要求，未來還可以進(jìn)一步升級(jí)滿足5G 需求，成為未來5G 的一部分。

2. 天水地區(qū)NB-IoT覆蓋部署規(guī)劃分析

天水分公司現(xiàn)網(wǎng)的GSM站點(diǎn)是2509個(gè)，小區(qū)6002個(gè)，已經(jīng)全面覆蓋市區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，及主要行政村。隨著4G終端的普及，G網(wǎng)終端用戶數(shù)迅速下降，截止2017年底存量2/3G終端用戶22萬（通話客戶數(shù)162萬）。隨著GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與用戶的遷徙，經(jīng)無線資源精細(xì)化調(diào)整，可縮減載頻資源，使頻率復(fù)用度下降，釋放G網(wǎng)頻譜。從現(xiàn)階段來看，900MHz的低頻強(qiáng)覆蓋特性正符合NB-IoT應(yīng)用的廣覆蓋要求，GSM 900M網(wǎng)絡(luò)可平滑演進(jìn)為NB-IoT。

2.1 頻率選取

在頻點(diǎn)選擇上，優(yōu)先考慮覆蓋需求，積極選用已有的最低頻段。另外，NB-IoT 的180 kHz 帶寬，易于2G 網(wǎng)絡(luò)騰頻和升級(jí)支持，同時(shí)子載波采用15/3.75 kHz(與LTE 子載波相同或1/4)，可以獨(dú)立部署。NB-IoT 的覆蓋能力優(yōu)于GSM900 約20 dB，建議使用GSM900 的頻點(diǎn)部署NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)。在考慮覆蓋需求的同時(shí)，需要選取的頻點(diǎn)盡可能的規(guī)避干擾、滿足向FDD 演進(jìn)的需求。

組織開展了NB-IoT建設(shè)的前期準(zhǔn)備工作，全面推進(jìn)GSM網(wǎng)絡(luò)900MHz頻率重耕工作，截止17年8月底，現(xiàn)網(wǎng)已滿足一期NBIoT建設(shè)的1MHz頻譜要求。因此，天水地區(qū)將91號(hào)至94號(hào)頻點(diǎn)供NB-IoT使用，90號(hào)頻點(diǎn)用做隔離頻點(diǎn)。于2017年11月底通過頻率精細(xì)優(yōu)化完成1MHz頻譜的退頻工作。

采用stand-alone（獨(dú)立） 模式部署，發(fā)射功率高，其下行覆蓋性能、速率、功耗、時(shí)延等最好，在具備200 kHz 頻率資源的情況下是性能最優(yōu)的選擇。in-band（帶內(nèi)）模式不需額外占用頻率資源，但因下行功率受限（典型值：低于stand-alone 模式約11 dB）導(dǎo)致下行深度覆蓋能力較差。guard-band （保護(hù)帶內(nèi)）模式以對(duì)設(shè)備更高的射頻指標(biāo)要求和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度為代價(jià)，換取不占用獨(dú)立頻率資源的好處。

2.2 NB-IoT規(guī)劃指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃指標(biāo)必須建立在一定業(yè)務(wù)需求的分析基礎(chǔ)上的，NBIoT 也不例外。通過物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分析、業(yè)務(wù)篩選，確定業(yè)務(wù)需求，進(jìn)而提出NB-IoT 規(guī)劃指標(biāo)。

NB-IoT 規(guī)劃指標(biāo)主要包括平均速率、邊緣速率、分場景RSRP（reference signal receiving power，參考信號(hào)接收功率）、分場景RS-SINR（公共參考信號(hào)信干噪比） 4 種。與傳統(tǒng)2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)相比，形式上基本一致，但確定方法有一定差異。

2.2.1 平均速率

通過系統(tǒng)能力仿真和測試分析確定，但存在兩個(gè)難點(diǎn)需要進(jìn)一步討論：不同業(yè)務(wù)類型的終端分布差異大，且更多集中在室內(nèi)區(qū)域，無法用路測等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估；終端業(yè)務(wù)模型不確定，實(shí)際業(yè)務(wù)（多種業(yè)務(wù)、多終端混合）對(duì)平均速率的影響難以評(píng)估。

2.2.2 邊緣速率。

通過業(yè)務(wù)需求的最低速率確定，考慮到不同業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的要求不同， 因此最低速率指標(biāo)彈性較大。3GPPNB-cIoT 規(guī)范有建議值160 bit/s， 其合理性待通過與真實(shí)業(yè)務(wù)比對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證。研究通過調(diào)研現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行終端業(yè)務(wù)行為識(shí)別及分析的方法，分析對(duì)規(guī)劃指標(biāo)的具體要求。

2.2.3 分場景RSRP。

通過系統(tǒng)能力的接收靈敏度、上行邊緣速率（一定干擾余量）確定最低要求，通過下行邊緣確定需借助鏈路級(jí)仿真結(jié)合測試。

場景 穿透損耗 NRSRP(dBm) 站間距 站址密度主城區(qū) 高（17dB） ≥ -72 350-450米 5-7個(gè)基站低（14dB） ≥ -75 450-550米 3-5個(gè)基站一般城區(qū)（14dB） ≥ -75 550-700米 2-3個(gè)基站

2.2.4 分場景RS-SINR

根據(jù)速率指標(biāo)結(jié)合鏈路級(jí)仿真確定。此外，還有一些其他要求需要考慮。

(1) 分業(yè)務(wù)要求：對(duì)不同類型業(yè)務(wù)采用差異化指標(biāo)。對(duì)于極低速率業(yè)務(wù)，以系統(tǒng)接收靈敏度作為規(guī)劃指標(biāo)要求，不要求邊緣速率；對(duì)于其他業(yè)務(wù)，以邊緣速率作為最低速率規(guī)劃要求。

(2) 分場景要求：應(yīng)該結(jié)合覆蓋區(qū)域的典型業(yè)務(wù)確定覆蓋指標(biāo)，不同的區(qū)域，規(guī)劃指標(biāo)不同。

場景 穿透損耗 NRS-SINR(dB) 站間距 站址密度主城區(qū) 高（17dB） ≥ -3 350-450米 5-7個(gè)基站低（14dB） ≥ -3 450-550米 3-5個(gè)基站一般城區(qū)（14dB） ≥ -3 550-700米 2-3個(gè)基站

以哈塔模型距離傳播損耗系數(shù)3.6 （對(duì)應(yīng)站高25 m）估算，NB-IoT 與現(xiàn)網(wǎng)GSM 900 MHz 不同站址比例的覆蓋增益見下表。

) 覆蓋增益/dB 2 1.4 5.4 4 2.0 10.8 8 2.8 16.3 16 4.0 21.7 32 5.7 27.1 NB-IoT 與現(xiàn)網(wǎng)GSM 900 MHz 不同站址比例的覆蓋增益站址數(shù)量（1/N） 站間距（1/

因此，根據(jù)以上理論計(jì)算結(jié)果， NB-IoT 與現(xiàn)網(wǎng)GSM 900 MHz 站址比例關(guān)系：對(duì)于一類城市，滿足NB-IoT覆蓋要求的站址選擇為1∶2-1∶4；對(duì)于二類城市，該值為1∶4-1∶8；對(duì)于三類城市，該值約為1∶8。天水為三類地區(qū)，按照NB-IoT 與現(xiàn)網(wǎng)GSM 900 MHz 站址比例按照 1：8-1：10 規(guī)劃。

2.3 容量規(guī)劃分析

與eMTC 相比，NB-IoT 具有更高頻譜效率和更小資源粒度的特點(diǎn)，更易實(shí)現(xiàn)大連接。

2.3.1 峰值能力核算

系統(tǒng)可使用12 個(gè)子載波進(jìn)行傳輸， 根據(jù)NPDSCHTBSize表格，最大TBS（transport block set，傳輸塊集）為1000 bit，每個(gè)傳輸TTI（transmission time interval，傳遞TBS的時(shí)間間隔）為4 ms。因此，系統(tǒng)峰值速率為250 kbit/s。

UL（up link，上行鏈路）資源分配，NPDCCH 為1 ms；NPUSCH 傳輸，NPDCCH 調(diào)度后至少8 ms；HARQ（hybrid automatic repeat request，混合自動(dòng)重傳請求）反饋，NPUSCH傳輸后至少3 ms。因此，單用戶峰值速率為62.5 kbit/s。

2.3.2 小區(qū)容量核算

現(xiàn)階段商用業(yè)務(wù)尚未開展，估算小區(qū)容量時(shí)，3GPP TR45.820 Annex E 建議NB-IoT 采用下表的用戶模型。

3GPP TR45.820 定義的NB-IoT 話務(wù)模型用戶的接入間隔/h 用戶比例24 40%2 40%1 15%0.5 5%用戶數(shù)據(jù)發(fā)送間隔

根據(jù)模型假定的單次發(fā)送數(shù)據(jù)量符合參數(shù)α=2.5 的Pareto（帕雷托）分布（20-200 byte截?cái)喾植迹?，?jì)算該分布函數(shù)的均值得到單次發(fā)送數(shù)據(jù)為256bit（32byte），則單用戶速率為0.033bit/s，按平均10 次重復(fù)及其他開銷，單用戶數(shù)據(jù)速率需求為0.5 bit/s，小區(qū)上行平均速率為50 kbit/s估算，小區(qū)容量可達(dá)10 萬量級(jí)。

3.天水地區(qū)NB-IoT 規(guī)劃建設(shè)方案

NB-IoT以及未來的LTE FDD、5G均是同頻組網(wǎng)，NB-IoT的建設(shè)不能簡單繼承GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，必須重新進(jìn)行規(guī)劃。同時(shí)，為了確保未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)時(shí)的站址結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，NB-IoT和LTE FDD需進(jìn)行站址聯(lián)合規(guī)劃，做到“站址規(guī)劃一步到位、網(wǎng)絡(luò)能力分步部署”，聯(lián)合規(guī)劃應(yīng)依托2/4G站址開展，原則上不新選站址。

同時(shí)在充分考慮上述部署規(guī)劃分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，積極整合現(xiàn)網(wǎng)2/3/4G站址天面資源，采用多系統(tǒng)共天線的建設(shè)方式。

根據(jù)NB-IoT業(yè)務(wù)覆蓋需求，本期工程規(guī)劃以滿足2018年底的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展需求為準(zhǔn)，基于LTE FDD目標(biāo)網(wǎng)的規(guī)劃站址進(jìn)行建設(shè)，同時(shí)在保障網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的前提下，利用共模硬件，對(duì)確有替換必要的老舊設(shè)備進(jìn)行替換，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本。

3.1 天水兩區(qū)主城區(qū)域覆蓋仿真分析

選取秦州、麥積主城區(qū)作為本次NB-IoT 部署區(qū)域，以區(qū)域內(nèi)現(xiàn)網(wǎng)2/3/4G全部物理站址作為基礎(chǔ)站址開展選點(diǎn)規(guī)劃。

部署區(qū)域面積約為19.5平方公里，區(qū)域內(nèi)已建設(shè)宏基站913座，本區(qū)域內(nèi)選取位置相對(duì)理想、站距分布相對(duì)均勻的125 處基站作為本區(qū)域NB-IoT 部署方案，平均站距約為466 m，仿真結(jié)果分析顯示：NB-IoT 連續(xù)覆蓋水平較好。

天水主城區(qū)仿真圖覆蓋效果：

3.2 天水NB-IoT一期項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)規(guī)模

天水市2G網(wǎng)絡(luò)是建站最早，天面資源最優(yōu)，且經(jīng)過多年網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，2G網(wǎng)絡(luò)是天水市目前升級(jí)建設(shè)NB網(wǎng)絡(luò)最理想的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)仿真結(jié)果，天水市NB-IoT一期項(xiàng)目，共規(guī)劃基站125個(gè)。為了到達(dá)快速部署目的，考慮配套、天支資源等情況，在原2G網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行升級(jí)改造。與2G共站址規(guī)劃116個(gè)，共址其他運(yùn)營商新建9個(gè)，利舊配套，增加GNF基帶板，更換部分不支持NB設(shè)備、天線，快速部署網(wǎng)絡(luò)，覆蓋秦州區(qū)、麥積區(qū)兩區(qū)主城區(qū)域。

2018年2 月，125個(gè)規(guī)劃站點(diǎn)已經(jīng)全部開通入網(wǎng)。開通后，經(jīng)過拉網(wǎng)測試，天水主城區(qū)NB-IoT采樣點(diǎn)RSRP≥-114dBm且SINR≥-3dB比例已達(dá)95.81%，滿足商用覆蓋率要求。

地市綜合覆蓋率RSRP>=-114dBm&SINR>=-3dB天水 381 -63.65 10.24 97.87% 95.95% 93.90%NB小區(qū)數(shù)平均RSRP平均SINR RSRP≥-84占比SINR≥-3dB占比

開通后RSRP測試結(jié)果：

SINR測試結(jié)果：

總結(jié)：通過天水市蜂窩物聯(lián)網(wǎng)工程無線網(wǎng)建設(shè)，給我們網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上帶來了很多新的思路與要求：

1、建設(shè)思路：蜂窩物聯(lián)網(wǎng)工程無線網(wǎng)建設(shè)要統(tǒng)籌考慮兼顧2G老舊設(shè)備替換、同步儲(chǔ)備LTE FDD能力，以及未來提升4G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、向5G網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)等因素，著力建設(shè)低成本高效一流網(wǎng)絡(luò)。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)要堅(jiān)持以終為始的原則，科學(xué)規(guī)劃基站站址。按照同頻組網(wǎng)要求，科學(xué)統(tǒng)籌的開展NB-IoT/eMTC站址聯(lián)合規(guī)劃，做到“站址規(guī)劃一步到位、網(wǎng)絡(luò)能力分步部署”。

2、網(wǎng)絡(luò)容量：和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)類似，用戶分布會(huì)直接影響系統(tǒng)容量能力，但是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)無論在用戶分布全在近端還是均勻分布，按每小時(shí)發(fā)生100字節(jié)，最小每小區(qū)空口放號(hào)用戶數(shù)，都在17.7K，單站（三小區(qū)）的容量約在5萬。就目前來說，容量是完全可以滿足近期物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，隨著后期發(fā)展，逐步進(jìn)行擴(kuò)容。

3、網(wǎng)絡(luò)覆蓋：通過本次精細(xì)規(guī)劃，NB網(wǎng)絡(luò)覆蓋達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。但是由于目前NB網(wǎng)絡(luò)還未承載業(yè)務(wù)，所以后期出現(xiàn)的呼吸現(xiàn)象會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力。并且移動(dòng)集團(tuán)目前沒有對(duì)室內(nèi)的覆蓋提出要求，后期NB網(wǎng)絡(luò)的覆蓋深度，還需進(jìn)一步的補(bǔ)充。

物聯(lián)網(wǎng)可以降低生產(chǎn)成本，不斷提高生產(chǎn)的效率，提高企業(yè)的競爭力；能夠借助外界通信網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)獲得遠(yuǎn)端的信息；保障現(xiàn)實(shí)生活更加方便；在生產(chǎn)的過程中更加安全、可靠，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，以便于安全的監(jiān)管和監(jiān)控；對(duì)不斷提高社會(huì)信息化程度也有一定的保障性；為智慧城市建設(shè)提供技術(shù)支持。同時(shí)作為新一代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也將在我國環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排等工作中發(fā)揮力量，創(chuàng)造良好的電信市場環(huán)境。

從以上分析可以看出，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)一期工程的建設(shè)既有利于企業(yè)持續(xù)發(fā)展，同時(shí)也為社會(huì)宏觀經(jīng)濟(jì)和信息化發(fā)展創(chuàng)造有利條件，因此本項(xiàng)目具有積極的經(jīng)濟(jì)影響作用。