中國移動NB—IoT部署策略研究

張建國

【摘 要】為了研究中國移動NB-IoT的部署策略，首先介紹了中國移動可以根據客戶對速率的不同要求，提供三種物聯網解決方案，即TD-LTE技術、eMTC技術、NB-IoT技術；然后從NB-IoT的幀結構、時隙結構、物理信道和擴展不連續接收模式等方面分析了NB-IoT的基本原理；最后提出了中國移動NB-IoT的部署策略，主要涉及上行子載波帶寬的選擇、操作模式的選擇、頻率使用策略、站址選擇策略和建設方式的選擇。

【關鍵詞】NB-IoT eDRX 物理信道

Research on NB-IoT Deployment Strategy of China MobileIn

[Abstract] order to investigate NB-IoT deployment strategy of China Mobile， it was firstly introduced that three IoT solutions， including TD-LTE， eMTC and NB-IoT， can be provided by China Mobile to customers according to their requirements for rate. Then， the principle of NB-IoT was expounded in terms of the frame structure， timeslot structure， physical channel and extended discontinuous reception mode. Finally， NB-IoT deployment strategy of China Mobile was put forward which deals with the uplink subcarrier bandwidth selection， operation mode selection， frequency usage strategy， site selection strategy and construction mode.

[Key words]NB-IoT eDRX physical channel

1 引言

根據2016年6月愛立信發布的移動報告[1]，到2021年，全球280億個連接中將有157億個連接是物聯網連接，占比高達53.6%，157億個物聯網連接中，使用蜂窩網的是15億個，占物聯網連接數的9.6%。蜂窩網絡使用授權的頻率資源，具有干擾少、可靠性高、覆蓋范圍廣等優點，因此成為客戶的首要選擇。

中國移動可以根據客戶對速率的不同要求，提供三種類型的物聯網解決方案。對于高速率（大于1 Mbps）、實時性的應用，如車聯網、視頻監控和遠程醫療等，可以使用中國移動現有的TD-LTE網絡，通過載波聚合、MIMO增強、CoMP等技術提供高速率的數據服務；對于中等速率（小于1 Mbps且大于100 kbps）的應用，如可穿戴設備、銀行業PoS機、電梯廣告推送、車隊管理等，可以使用eMTC（enhanced Machine-Type Communication，增強機器類通信）網絡，eMTC技術通過降低帶寬、多次重傳等技術提供深度覆蓋能力，對中國移動現有的TD-LTE網絡進行軟件升級即可提供eMTC服務；對于低速率（小于100 kbps）的應用，如能源抄表、氣象/環保監測、資產標簽、智能停車、智能鎖等，可以使用NB-IoT（NarrowBand IoT，窄帶物聯網）網絡，NB-IoT技術通過降低終端的峰值速率、終端采用單天線接收、降低終端支持的帶寬等技術滿足低成本、低功耗、小數據量、廣覆蓋、巨大設備數目的應用。

NB-IoT作為一個全新的網絡，在幀結構、時隙結構、物理信道、不連續接收模式等方面與傳統的LTE網絡都有較大的差別，本文接下來重點分析NB-IoT的基本原理和中國移動NB-IoT的部署策略。

2 NB-IoT的基本原理

為了滿足低成本、低功耗、廣覆蓋的物聯網應用，3GPP組織在REL-13引入了NB-IoT技術。

在功能方面，相對于傳統的LTE網絡，NB-IoT進行了極大地簡化，NB-IoT不支持以下功能：不同制式間的移動性、切換、GBR（Guaranteed Bit Rate，保證比特速率）、測量報告、Relay、載波聚合、雙連接、MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒體廣播組播服務）、實時性業務、緊急呼叫和CS回落等業務。同時NB-IoT在幀結構、時隙結構、物理信道、不連續接收模式等方面進行了增強[2]。

在終端方面，NB-IoT UE僅支持半雙工的FDD模式，既節約了雙工濾波器成本，又減少了約2 dB的器件插入衰耗，NB-IoT UE只采用單接收天線，減少了一套接收天線的成本[10]。

2.1 NB-IoT的幀結構

為了減少RF和基帶的復雜性，同時便于GSM頻率再利用，NB-IoT的系統帶寬與GSM相一致，都是200 kHz，NB-IoT的傳輸帶寬是180 kHz[3]。

NB-IoT的下行幀結構與傳統的LTE幀結構相同，即1個無線幀（10 ms）包含10個長度為1 ms的子幀，1個子幀包含2個長度為0.5 ms的時隙。在下行，NB-IoT只支持15 kHz的子載波間隔，不支持7.5 kHz的子載波間隔，僅支持常規CP，不支持擴展CP。

NB-IoT上行有兩種幀結構可供選擇，子載波帶寬為15 kHz的幀結構與LTE的下行幀結構相同，1個10 ms的無線幀包含10個1 ms的子幀，180 kHz帶寬上共有12個子載波；子載波帶寬為3.75 kHz的幀結構是一種新設計的幀結構，1個10 ms的無線幀包含5個長度為2 ms的時隙，180 kHz帶寬上共有48個子載波。

在資源分配方面，下行方向，NB-IoT以RB為單位進行資源分配，由于NB-IoT在下行只有1個RB，因此只能進行時域上的調度，不能進行頻域上的調度；上行方向，以RU（Resource Unit，資源單元）為單位進行資源分配，RU在時間域上定義為NULsymb個連續的SC-FDMDA符號，在頻率域上定義為NRUSC個連續的子載波，NULslot、NRUSC和NULsymb支持的組合如表1所示。NPUSCH在上行只能分配1個子載波的模式稱為Single-tone模式，NPUSCH在上行可以分配多于1個子載波的模式稱為Multi-tone模式。

2.2 NB-IoT的物理信道

為了減少實現的復雜性，NB-IoT精簡了不必要的物理信道，在下行只有三種物理信道和兩種參考信號，在上行只有兩種物理信道和一種參考信號[3]。

三種下行物理信道分別如下：

NPBCH（Narrowband Physical Broadcast CHannel，窄帶物理廣播信道）：NPBCH信道傳遞系統幀號、NB-SIB1的調度信息、接入限制和操作模式等信息[5]，采用QPSK調制方式。NPBCH信道以640 ms為周期，經過編碼后的符號首先映射在幀0的子幀0上，映射在幀0的子幀0上的內容在隨后的7個幀的子幀0上重復映射；剩下的符號再重復映射在幀8～15的子幀0上，依次類推。

NPDCCH（Narrowband Physical Downlink Control CHannel，窄帶物理下行控制信道）：NPDCCH信道用于指示NPDSCH、NPUSCH的傳輸格式、資源分配等信息，采用QPSK調制方式。NPDCCH信道由1個或2個NCCE（Narrowband Control Channel Element，窄帶控制信道單元）組成，每個NCCE占用6個子載波，NCCE0占用子載波0～5，NCCE1占用子載波6～11。NPDCCH信道通過多次傳輸以便增加接收的可靠性，進而增加下行覆蓋。

NPDSCH（Narrowband Physical Downlink Shared CHannel，窄帶物理下行共享信道）：NPDSCH用于傳輸DL-SCH和PCH的信息，采用QPSK調制方式，NPDSCH信道的TBS（Transport Block Size，傳輸塊尺寸）最大為680 bit[4]。與NPDCCH類似，NPDSCH通過多次傳輸來增加下行覆蓋。

兩種下行物理信號分別如下：

NRS（Narrowband Reference Signal，窄帶參考信號）：NRS信號用于下行信道質量測量和信道估計，用于NB-IoT UE的相干檢測和解調，NRS信號只支持單天線端口和兩天線端口，不支持四天線端口，與傳統的LTE參考信號一樣，不同小區之間的NRS信號通過循環移位來避免頻率上的干擾。

NSS（Narrowband Synchronization Signal，窄帶同步信號）：NSS信號用于時間同步，確定小區唯一的PCI（Physical Cell Identity，物理小區號）。所有的小區的NPSS信號（Narrowband Primary Synchronization Signal，窄帶主同步信號）都采用同一個序列，用于確定無線幀的位置，NSSS信號（Narrowband Secondary Synchronization Signal，窄帶輔同步信號）通過504個序列來區分不同小區的PCI。

兩種上行物理信道和一種上行參考信號分別如下：

NPUSCH（Narrowband Physical Uplink Shared CHannel，窄帶物理上行共享信道）：NPUSCH信道用于承載上行數據和信令，采用BPSK或者QPSK調制方式。NPUSCH有兩種格式，NPUSCH格式1用于傳輸上行數據信息，TBS最大為1000 bit[4]，在Single-tone模式下，上行NPUSCH只能分配1個子載波，在Multi-tone模式下，上行可以分配1、3、6、12個子載波；NPUSCH格式2用于傳輸上行控制信息，只能分配1個子載波。與NPDSCH一樣，NPUSCH通過多次傳輸來增加上行覆蓋。

NPRACH（Narrowband Physical Random Access CHannel，窄帶物理隨機接入信道）：NPRACH信道用于NB-IoT UE的隨機接入，采用BPSK調制方式。NPRACH信道由4個隨機接入符號組構成，每個隨機接入符號組由1個CP和5個內容一樣的符號組成，子載波的寬度為3.75 kHz。在頻域上，NPRACH信道可以分成多組，每組12個子載波，NB-IoT UE每次只能使用單個子載波在一組（12個）子載波內跳頻傳輸。

NDMRS（Narrowband Demodulation Reference Signal，窄帶解調參考信號）：NDMRS用于上行信道估計、NPUSCH信道的相干檢測和解調。

總之，NB-IoT的物理信道通過降低目標速率、多次傳輸、采用低階調制方式等措施，以達到增加覆蓋、降低成本、降低功耗的目的。

2.3 擴展不連續接收模式

在空閑模式下，傳統LTE的DRX（Discontinuous Reception，不連續接收）周期最大為2.56 s，頻繁的喚醒NB-IoT UE會快速消耗NB-IoT UE的電量，降低NB-IoT UE的待機時間，為了降低功耗、延長待機時間，NB-IoT引入了eDRX（extended Discontinuous Reception，擴展不連續接收）模式[7]。

eDRX模式定義了H-SFN（Hyper-SFN）幀、TeDRX_H、PH等幾個概念。

1）1個H-SFN幀對應1024個無線幀，即10.24 s；

2）TeDRX_H是NB-IoT UE的eDRX周期，定義為H-SFN幀的倍數，TeDRX_H=2， 4， 8， …， 1024個H-SFN幀；

3）PH（Paging Hyperframe）是NB-IoT UE在PTW（Paging Time Window，尋呼時間窗口）期間開始監測尋呼消息的Hyperframe。

在eDRX模式下，NB-IoT UE在TeDRX_H周期內，僅在PTW期間按照傳統的DRX模式監測尋呼消息，如果監測到發給該NB-IoT UE的尋呼消息，則該NB-IoT UE被喚醒，否則該NB-IoT UE繼續進入休眠狀態，eDRX模式下NB-IoT UE的狀態原理。

通過引入eDRX模式，NB-IoT UE的eDRX周期最大可以達到10.24×1024=10485.76 s=2.91小時，因此可以顯著地降低NB-IoT的功耗，延長NB-IoT UE的待機時間。

3 中國移動NB-IoT部署策略

中國移動NB-IoT部署策略主要涉及上行子載波帶寬的選擇、操作模式的選擇、頻率使用策略、站址選擇策略和建設方式的選擇等。

3.1 上行子載波帶寬

NB-IoT上行子載波帶寬可以選擇3.75 kHz，也可以選擇15 kHz，兩者對比如下：

（1）覆蓋方面：基于3GPP的仿真結果，子載波帶寬為15 kHz和子載波帶寬為3.75 kHz時均可滿足164 dB MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合損耗）的極限覆蓋，但在正常的深度覆蓋時子載波帶寬為15 kHz時上行速率具有明顯優勢。

（2）速率方面：在極限深度覆蓋時，15 kHz和3.75 kHz在速率上并無明顯差別，而在MCL小于150 dB時，Multi-tone模式可以明顯增加用戶的上行速率，只有上行子載波帶寬為15 kHz時NB-IoT UE才能支持Multi-tone模式。

（3）干擾方面：子載波帶寬為3.75 kHz的帶內部署，NB-IoT與傳統的LTE會產生干擾，NB-IoT系統有約15%的容量損失。

（4）未來演進方面：子載波帶寬為15 kHz更兼容未來5G Massive IoT演進。

（5）終端方面：從規范上，不存在NB-IoT UE只支持子載波帶寬為3.75 kHz Single-tone的情況，按3GPP要求，NB-IoT UE必須同時支持子載波帶寬為3.75 kHz和子載波帶寬為15 kHz兩種模式，而子載波帶寬為3.75 kHz時因為速率低、發射時間長，更加耗電。

綜合以上幾個方面，建議中國移動NB-IoT部署時，上行子載波帶寬選擇為15 kHz。

3.2 操作模式

NB-IoT共有4種操作模式，分別是Inband-Same PCI模式、Inband-DifferentPCI模式、Guardband模式和Standalone模式。

Inband-SamePCI：帶內操作模式，NB-IoT與LTE的PCI相同，NRS端口數和CRS端口數相同；

Inband-DifferentPCI：帶內操作模式，NB-IoT 與LTE具有不同的PCI；

Guardband：保護帶操作模式，NB-IoT部署在LTE的保護帶內；

Standalone：獨立載波操作模式，NB-IoT部署在獨立的載頻上。

相較于帶內操作模式，獨立載波操作模式在功率分配以及PCI規劃等方面都具有很大的靈活性，建議中國移動采用獨立載波模式部署NB-IoT。

3.3 頻率使用策略

NB-IoT只支持半雙工FDD模式，中國移動目前可用的FDD頻率有900 MHz頻段和1800 MHz頻段。因為物聯網設備無處不在，比手機有更高的覆蓋能力要求，而900 MHz頻段比1800 MHz頻段覆蓋能力強，因此900 MHz頻段是中國移動部署NB-IoT的首選頻段，同時NB-IoT所需的帶寬是180 kHz/載波，中國移動900 MHz頻段釋放能力能夠滿足NB-IoT部署的需要。

900 MHz頻段目前也是中國移動GSM語音業務的主要承載頻段，同時是中國移動獲取LTE FDD牌照后LTE FDD部署的主要頻段，因此需要綜合考慮GSM、LTE FDD、NB-IoT的各自需要，統一制定GSM900頻段的使用策略。

中國移動在900 MHz頻段共有19 MHz×2的帶寬資源，上行為890 MHz—909 MHz，下行為935 MHz—954 MHz，首先應在邊緣（894 MHz—909 MHz/939 MHz—954 MHz）預留15 MHz的帶寬以滿足LTE FDD的部署需要，剩下的頻率（890 MHz—894 MHz/935 MHz—939 MHz）用于GSM和NB-IoT的部署需要，NB-IoT的頻點兩邊各空閑1個GSM頻點作為保護帶以避免GSM載頻和NB-IoT載頻之間的相互干擾，900 MHz頻段使用。

3.4 站址選擇策略

考慮到移動性物聯網需求，初期的NB-IoT網絡應實現區域的連續性覆蓋，在900 MHz頻段，NB-IoT最大覆蓋距離約是GSM900的2倍左右，同時中國移動GSM站點在城區的站間距遠遠小于GSM的最大覆蓋距離，因此中國移動只需要在少部分GSM站點上部署NB-IoT即可實現連續覆蓋要求。

城區是物聯網應用的熱點區域，建議中國移動按照先城區后農村的策略部署NB-IoT，為了節省初期投資，建議中國移動僅使用現有GSM站址的50%來實現NB-IoT城區范圍內的連續覆蓋，后續根據需要逐漸增加，室內分布信源可根據用戶及業務需求情況逐步部署。

3.5 建設方式

中國移動的NB-IoT建設方式主要有三種，分別是新建NB-IoT基站、基于TD-LTE建設NB-IoT基站以及基于GSM建設NB-IoT基站。

新建NB-IoT基站需要新增天饋系統、新增RRU、新增主控板和基帶板、新增傳輸和時鐘，其優點是完全不影響現有的GSM網絡，可以獨立優化因而網絡性能最優，缺點是投資大、新建天饋線難度大。

基于TD-LTE建設NB-IoT基站需要新建或者替換天饋、新增RRU、新增基帶板，但是可以與TD-LTE共用主控板、傳輸和時鐘，其優點是不影響GSM網絡，可以利舊TD-LTE的部分硬件，投資中等，缺點是新建或替換天饋難度大。

基于GSM建設NB-IoT基站可以利舊或者替換原有的天饋，但是需要新增主控板和基帶板、新增傳輸和時鐘，部分不支持NB-IoT的站點需要替換GSM設備，其優點是建設速度快，缺點是NB-IoT的優化會影響GSM的網絡性能，在GSM和NB-IoT基礎上再部署LTE FDD會導致功率不足以及不利于LTE FDD/TDD的互操作。

由于基于GSM建設NB-IoT基站會給中國移動部署LTE FDD帶來不利影響，因此建議中國移動采用新建NB-IoT基站或者基于TD-LTE建設NB-IoT基站方式建設NB-IoT網絡。

4 結束語

本文提及的建設策略屬于物聯網價值鏈中的連接能力部分，除此之外，物聯網的價值鏈還包括平臺、終端、應用和解決方案，建議中國移動積極開展NB-IoT實驗網的建設，初期為客戶提供連接服務，中期為客戶提供平臺開放能力、提供終端，最終為客戶提供端到端的解決方案，以便在物聯網的價值鏈中占據主導地位，獲取最大價值。

參考文獻：

[1] Ericsson. Ericsson Mobility Report [EB/OL]. （2016-9-12）. https：//www.ericsson.com/assets/local/mobility-report/documents/2016/ericsson-mobility-report-june-2016.pdf.

[2] 3GPP TS 36.300. 3rd Generation Partnership Project；

Technical Specification Group Radio Access Network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； Overall description； Stage 2[EB/OL]. （2016-12-11）. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.300/.

[3] 3GPP TS 36.211. 3rd Generation Partnership Project； Technical Specification Group Radio Access Network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Physical Channels and Modulation[EB/OL]. （2016-12-11）. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.211/.

[4] 3GPP TS 36.213. 3rd Generation Partnership Project； Technical Specification Group Radio Access Network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Physical layer procedures[EB/OL]. （2016-12-11）. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.213/.

[5] 3GPP TS 36.331. 3rd Generation Partnership Project；

Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Radio Resource Control （RRC）； Protocol specification[EB/OL]. （2016-04-01）. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.331/.

[6] 3GPP TS 23.682. 3rd Generation Partnership Project； Technical Specification Group Services and System Aspects；Architecture enhancements to facilitate communications with packet data networks and applications[EB/OL]. （2016-12-11）. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/23_series/23.682/.

[7] 3GPP TS 36.304. 3rd Generation Partnership Project；

Technical Specification Group Radio Access Network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； User Equipment （UE） procedures in idle mode[EB/OL]. （2016-12-11）. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.304/.

[8] 3GPP TS 36.212. 3rd Generation Partnership Project；

Technical Specification Group Radio Access Network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Multiplexing and channel coding[EB/OL]. （2016-12-11）. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.212/.

[9] 5G Americas. LTE and 5G Technologies Enabling the Internet of Things[EB/OL]. （2016-12-12）. http：//www.5gamericas.org/files/3514/8121/4832/Enabling_IoT_WP_12.8.16_FINAL.pdf.

[10] 張建國，徐福永，楊東來. LTE-M關鍵技術研究[A]. 面向5G的LTE網絡創新研討會（2016）[C]. 2016： 163-167.