城區GSM與NB-IoT同頻部署對NB-IoT底噪影響研究

何小丹，宋 磊

（中國移動通信集團設計院有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310012）

1 引言

物聯網市場正在快速發展，全球主流運營商正在積極部署物聯網，我國也已將物聯網發展提升到國家戰略中。NB-IoT由于工作在授權頻段上，且具有廣覆蓋、低功耗、低成本及大連接的技術特點，從眾多候選技術中脫穎而出。2017年6月20日，我國工業和信息化部針對NB-IoT的使用頻率發布公告（2017年第27號），在已分配的GSM或FDD方式的IMT系統頻段上，電信運營商可根據需要選擇帶內工作模式、保護帶工作模式、獨立工作模式部署NB-IoT系統，這意味著NB-IoT的建設運營即將拉開帷幕。對于還未獲取FDD牌照的電信運營商，目前僅可以使用已分配的GSM頻段部署NB-IoT。隨著通信技術的發展，通信系統所處的環境變得越來越復雜，本文針對城區GSM與NB-IoT同頻部署條件下，GSM對NB-IoT底噪的影響展開深入研究，首先基于測試結果分析底噪對性能的影響，然后剖析底噪的構成，最后針對同頻干擾引起的底噪抬升進行了定量的分析。

2 底噪對NB-IoT網絡的影響

2.1 底噪對覆蓋能力的影響

NB-IoT作為一種窄帶物聯網技術，具有廣覆蓋的特點。為了定量描述NB-IoT的覆蓋能力，本文使用最大耦合損耗（MCL, Maximum Coupling Loss）來表征。3GPP協議規定，NB-IoT相比GSM技術具有20 dB的覆蓋增強，即MCL可達164 dB[1]。

（1）通過測試研究上行底噪對覆蓋性能的影響

測試方法：將測試終端放置在NRSRP=-100 dBm的位置，經后臺統計，接入小區的上行底噪為-103 dBm，此時可正常發起200 Byte的ping包業務。然后保持測試終端位置不變，利用上行信號發射器模擬上行干擾，以5 dB為步長遞增，直至無法成功進行ping包業務。

測試結果表明，當上行底噪達到-94 dBm時，終端出現了無法進行ping包業務的現象，此時NRSRP為-101.7 dBm。因此，當底噪抬升35 dB時（相比于上行理論底噪-129 dBm），MCL收縮30 dB（相比于理論MCL 164），具體如下所示：

上行理論底噪=噪聲普密度+帶寬+噪聲系數

MCL=發射功率-接收功率

（2）通過測試研究下行底噪對覆蓋性能的影響

測試方法：將測試終端放置在NRS-SINR=10 dB處，此時可正常發起200 Byte的ping包業務。然后保持終端處于連接態，以NRS-SINR變化3 dB為步長向測試小區的邊緣移動，直至無法成功進行ping包業務。在測試時發現，當NRS-SINR為-10.5 dB時，仍可成功接入并進行ping包業務，此時NRSRP=-131.6 dBm；當NRS-SINR降為-12.5 dB后，無法成功接入，此時NRSRP為-133.5 dBm，與NRS-SINR=11.8處的NRSRP相比變化不大。因此，底噪的抬升若使NRS-SINR降到-12.5 dB以下，將無法接入成功。

2.2 底噪對速率的影響

NB-IoT作為一種窄帶物聯網技術，主要適用于承載低速率業務，理論計算可得上行峰值速率為15.6 kbit/s，下行峰值速率為21.2 kbit/s[2]。為了研究干擾對速率的影響，上行采用信號發射器進行3 dB～5 dB的上行干擾模擬抬升，下行采用模擬加擾的方式進行50%加擾，加擾前后的速率如圖1、圖2所示。上行底噪抬升3 dB～5 dB后，相同上行速率所需的NRSRP提高0 dB～5 dB；下行50%加擾后，下行速率在NRS-SINR越差的測試點惡化越嚴重，相同下行速率所需的NRSSINR提高0 dB～5 dB。

圖1 加擾前后的上行速率

圖2 加擾前后的下行速率

3 底噪抬升的原因

在傳播環境中，存在著因電子熱運動產生的熱噪聲，熱噪聲的公式如公式(3)所示，其中k=1.38×10-23J/K為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，k×T稱為熱噪聲的噪聲譜密度。在室溫下（T=300 K），可以計算得到噪聲譜密度為-174 dBm/Hz[3]。對于NB-IoT技術，將上行子載波帶寬15 kHz和下行帶寬180 kHz[4]代入公式(3)（B為系統帶寬）后，可分別計算得到上行的熱噪聲為-132 dBm、下行的熱噪聲為-121 dBm。考慮到接收機內部的電路損耗，取上行的噪聲系數為3 dB，下行的噪聲系數為5 dB，根據公式(4)計算得到上行的理論底噪為-129 dBm，下行的理論底噪為-116 dBm。

在實際的通信網絡中，底噪往往會比理論底噪要高，產生的原因從頻率屬性上分可以歸為兩類：第一類為授權頻譜內的干擾，包括同頻干擾和異頻干擾。其中同頻干擾包含了同工作頻率異系統干擾及不同工作頻率系統由于非線性原因引起的干擾（例如互調干擾）。系統非線性干擾與設備功率容限、非線性特性相關，通過設備規范等方式進行規避。鄰頻干擾主要與系統收發信機性能相關，本文不再討論；第二類為外部干擾，即非授權頻譜內的干擾，需由無線電執法管理部門進行查處，本文也不再討論。接下來本文將對同頻干擾中同工作頻率的合法異系統干擾進行定量分析。

4 同頻異系統干擾引起的底噪抬升

根據工信部的頻率使用公告，電信運營商部署NBIoT時，須使用已有的GSM頻率資源。國內GSM可用頻率資源為900 M（上行：889 MHz—915 MHz，下行：934 MHz—960 MHz）和1800 M（上行：1 710 MHz—1 755 MHz，下行：1 805 MHz—1 850 MHz）。考慮到廣覆蓋需求，也為了減少站點建設規模以縮短工期、節約成本，NB-IoT優選使用900 M頻率資源。在NB-IoT區域部署時，NB-IoT將與現有GSM共用頻譜資源，即相同頻率在不同區域同時被NB-IoT、GSM使用。這種情況下，就會出現GSM對NB-IoT的同頻異系統干擾。本小節將對GSM與NB-IoT同頻部署條件下，典型城區環境中GSM對NB-IoT底噪的影響進行定量分析。

4.1 GSM對NB-IoT下行底噪的影響

在下行方向上，GSM同頻基站會對NB-IoT終端產生干擾。為了降低干擾，在部署NB-IoT時，需在部署區域周圍對GSM劃定一定的隔離帶，隔離帶內GSM網絡不再使用與NB-IoT相同的頻點。對于隔離帶外的GSM 900M同頻基站，其發射的信號經過空間傳播后到達NB-IoT用戶，造成下行底噪的抬升。理想的蜂窩網絡結構如圖3所示，設GSM的清頻范圍為L0km，清頻范圍內的小區總個數為N0，清頻范圍內的圈數為C0，站間距為S，則：

圖3 理想蜂窩網絡結構下的清頻范圍示意圖

同理，若設清頻范圍外第i圈內的小區總個數為Ni，清頻范圍外第i圈離干擾小區的等效距離為Li，則：

設GSM 900M的基站發射功率為W，發射天線增益為ω，頻率復用因子為x，發射機內部損耗為α，NBIoT接收機OTA損耗為β，清頻范圍外第i圈到被干擾的NB-IoT用戶的路損為Pathloss(Li)。由于三個不同方向的小區中，一般僅有一個小區干擾NB-IoT用戶，因此設定1/3小區能對NB-IoT用戶產生干擾，即干擾衰減因子為p=1/3。則清頻范圍外第i圈GSM小區對NB-IoT用戶的下行干擾Ii為：

根據Okumura-Hata傳播模型，路損Pathloss(Li)與lg(Li)呈線性關系，如公式(8)所示，將公式(6)代入公式(8)，并將公式(8)代入公式(7)后，可得到清頻范圍外第i圈GSM小區對NB-IoT用戶的下行干擾Ii如公式(9)所示：

清頻范圍外第i圈至第j圈引起的干擾可以表示為：

對于400 km2的區域，區域半徑約為11.28 km，不同的清頻范圍引起的下行底噪抬升如圖4所示，參數的設置如表1所示。若清頻范圍小于9.6 km，則會引起10 dB以上的下行底噪抬升。需要說明的一點是，圖中給出的是400 km2區域內的GSM 900M基站引起的下行底噪抬升，在實際的空間環境中，400 km2區域外的GSM基站也會引起下行底噪的抬升，因此實際的底噪抬升大小比圖中給出的數值略大。

圖4 不同清頻范圍下GSM引起的下行底噪抬升

表1 參數設置

4.2 GSM對NB-IoT上行底噪的影響

在上行方向上，GSM用戶會對NB-IoT基站產生干擾。在部署NB-IoT時，同樣使用隔離帶降低干擾。對于隔離帶范圍外的GSM 900M用戶，其發射的信號經過空間傳播后到達NB-IoT基站，造成上行底噪的抬升。

一般情況下，GSM干擾用戶既有室外用戶，又有室內用戶。設單個小區的同時服務用戶數為U，站間距為S，GSM用戶接收機OTA損耗為γ。根據GSM宏站的用戶MR數據，可以得到各RSRP區間內的MR占比mi，將RSRP折算為路損pli，按照公式(12)和公式(13)可以計算得到某市多個用戶經過穿透損耗bli后的等效發射功率W至少為20.49 dBm。

U=無線利用率×每載波業務信道數×每小區載波數×K (13)

然后，清頻范圍對上行底噪的影響與4.1小節的分析方法相同，僅需將基站發射功率變換成干擾小區內多個GSM用戶經過穿透損耗后的等效發射功率（20.49 dB），將基站的天線增益變換成GSM用戶的天線增益（0 dB），基站的發射機內部損耗變換為GSM用戶的發射機內部損耗（0 dB），NB-IoT接收機OTA變換為NB-IoT基站的接收機內部損耗（3 dB），并且干擾衰減因子為1。對于400 km2的區域，采用4.1小節的分析方法并進行相關參數的變換后，不同的清頻范圍引起的下行底噪抬升如圖5所示。若清頻范圍小于6.2 km，則至少會引起10 dB以上的上行底噪抬升。

圖5 不同清頻范圍下GSM引起的上行底噪抬升

5 結束語

在NB-IoT與GSM同頻部署條件下，本文以NBIoT底噪為研究對象，首先基于測試結果分析，得到底噪的抬升將引起覆蓋的收縮與速率的下降，然后剖析底噪的影響因素，最后針對GSM同頻干擾引起的底噪抬升進行了定量的分析。研究結果表明，下行底噪對于清頻范圍更為敏感。

[1] 3GPP TR 45.820. Technical Specification Group Radio Access Network, Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT)(Release 13)[S]. 2016.

[2] 3GPP TS 36.213. Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), Physical layer procedures (Release 13)[S]. 2016.

[3] Wikipedia. Johnson-Nyquist noise[EB/OL]. (2017-09-13)[2017-12-07]. https://en.wikipedia.org/wiki/Johnson%E2%80%93Nyquist_noise.

[4] 3GPP TS 36.201. Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), LTE physical layer, General description (Release 13)[S]. 2016.

[5] 劉瑋,董江波,劉娜,等. NB-IOT關鍵技術與規劃仿真方法[J]. 電信科學, 2016(S1): 144-148.

[6] 程日濤,鄧安達,孟繁麗,等. NB-IoT規劃目標及規劃思路初探[J]. 電信科學, 2016(S1): 137-143.

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

[8] 戴博,袁弋非,余媛芳. 窄帶物聯網（NB-IoT）標準與關鍵技術[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2016.

[9] 蘇華鴻,孫孺石,楊孜勤,等. 蜂窩移動通信射頻工程[M].北京: 人民郵電出版社, 2005.

[10] Henry L. Bertoni. Radio Propagation for Modern Wireless Systems[M]. 北京: 電子工業出版社, 2002. ★