NB—IoT組網方案研究

李建軍

【摘 要】為了研究NB-IoT在LTE網絡中的組網方案，介紹了基于LTE的NB-IoT技術特征以及典型應用場景，并根據NB-IoT的特點對3種頻率部署方案進行分析，提出了4種在LTE網絡中部署NB-IoT的組網方案。通過對不同組網方案進行不同場景的測試分析，結果表明以RSRP=-125dBm作為最小電平接入門限要求，在NB-IoT、LTE站點數為1：3和1：4組網情況下，只有室外場景覆蓋率可以達到99%。根據測試結果，建議在市區選擇站點數為1：1的組網方案。

【關鍵詞】NB-IoT LTE 頻率部署 組網方案

1 引言

物聯網是由物主動發起傳送、物物相連的互聯網，涉及生產和生活各個領域。全球物聯網市場呈現空間大、增速快的特點，中國市場增長潛力巨大，有望超越美國成為全球第一大市場。物聯網業務根據業務特點通常可分為三類：無需移動性、上行數據量大、需較寬頻段的業務（如城市監控網）；移動性強、需執行頻繁切換、小數據量的業務（如車聯網）；無需移動性、小數據量、對時延要求不敏感的業務（如智能抄表、智能停車、智慧農業、資產跟蹤等）。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）屬于第三類物聯網，是一種可與現有蜂窩網絡融合演進的低成本、高可靠性、高安全性的廣域物聯網技術。當前全球物聯網蓬勃發展，預計2020年全球物聯網鏈接設備數將超百億，其中運營商份額占比10%，因此NB-IoT市場廣闊。本文以中國電信800 MHz頻段LTE網絡為研究背景，介紹了NB-IoT技術特征以及應用場景，并通過實測分析了不同站間距對NB-IoT網絡覆蓋的影響。

2 NB-IoT技術特征及市場應用

2.1 NB-IoT技術特征

（1）超強覆蓋：NB-IoT比LTE覆蓋增強20 dB以上。

物聯網的覆蓋率要求比普通通信業務覆蓋率要求更高，并且部分終端所處無線環境不理想，如水表與智能手機相比不但存在高度差，而且蓋上蓋子后會額外增加穿透損耗。因此，現有LTE網絡無法滿足NB-IoT的覆蓋要求，NB-IoT可通過提升功率譜密度、增加重傳次數來有效提升覆蓋能力。功率譜密度增強可以表示為：

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

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

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

增加重傳次數。NB-IoT的重傳次數達到16次，通過更多的重傳次數可獲得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。

待機時長與物聯網業務本身的特性相關，NB-IoT業務定位為低頻、小包、時延不敏感業務，小數據、低頻次的業務特性是NB-IoT終端實現超長待機的重要因素；不同的業務模型以及覆蓋等級，待機時長會有很大差異，可以通過增加深度睡眠模式及加長喚醒周期等方式使系統更加省電。

（3）超大鏈接：網絡目標容量為每小區5萬以上用戶數。

上行采用Single-tone傳輸方式可提高載波的利用效率，通過全新的、更高效的隨機接入過程及全新的專用控制信道以進一步提升網絡容量。

（4）超低成本：終端芯片不超過5美元。

NB-IoT業務以Massive MTC（Machine Type Communication，機器類型通訊）上行業務為主，覆蓋是關鍵，受限于上行，因此可通過犧牲下行性能實現終端成本的下降，如采用終端單接收天線方案、降低終端發射功率等。又因為Massive MTC業務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存儲空間，降低編碼器復雜度；采用半雙工模式以節省雙工濾波器成本，并可以消除雙工濾波器帶來的器件損耗，進一步擴大覆蓋。

2.2 NB-IoT市場應用

NB-IoT主要用于拓展LPWA（Low Power Wide Area，低功耗廣域技術）市場，應用場景包括抄表、交通、公共安全等領域。表1列舉了部分NB-IoT典型應用場景的業務特性。

不同的NB-IoT業務對網絡的需求不同，如三表（水、電、氣）、路燈等固定位置業務只需要網絡做定點覆蓋，而移動性較強的業務則需要廣覆蓋網絡；話務模型的不同，導致對網絡速率要求的差異；設備位置的不同，對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PRB（Physical Resource block，物理資源塊），但邏輯上仍是獨立系統。In-band模式能夠較為靈活地通過增加NB-IoT載波進行載波擴展，但是會占用LTE的頻率資源，使得LTE系統容量降低，同時LTE系統的RS（Reference Signal，參考信號）、PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）開銷也會導致NB-IoT容量降低。此外，In-band模式還需控制下行發射功率以降低對LTE的干擾，因此會降低NB-IoT的覆蓋，并且NB-IoT載波不應放置于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保護帶中部署，需要預留和LTE之間的100 kHz以上的保護帶。利用保護帶可提升頻譜利用效率，但是依然需要考慮下行發射功率對LTE系統的干擾，因此Guard-band與In-band模式一樣會降低NB-IoT的覆蓋。

（3）Stand-alone是指在LTE載波外選擇一段超過180 kHz以上的空閑頻譜獨立部署。由于與LTE工作頻率相互獨立，因此相比其他兩種部署方式，無需考慮對LTE系統的影響，與帶內部署相比Stand-alone模式可以增加下行發射功率13 dB左右，能夠有效增大系統下行能力。但是，獨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間隔，而實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LTE 20 dB的覆蓋增強，是實現1：N組網的基礎。所謂1：N組網，是以現網站點為基礎部署NB-IoT網絡，在滿足一定的覆蓋要求下，可以從原網站點中按照1：N的比例調整站點進行NB-IoT部署，其中N代表原網站點數，1代表NB-IoT的站點數。

如圖2和圖3所示，用顏色標識的是NB-IoT與原網共站建設站點，其余站點為沒有NB-IoT的站點。1：3組網NB-IoT站間距為原網的1.73倍，1：4組網NB-IoT站間距為原網的2倍。

1：N組網的影響因素主要有三大方面：業務要求、鄰頻保護帶要求、是否共天饋。

具體如下：

（1）業務要求需綜合考慮覆蓋深度、覆蓋率以及邊緣速率，分別對應穿透損耗、慢衰落損耗以及電平要求，NB-IoT相對LTE的20 dB增益，除去業務需求開銷，剩余的覆蓋增益可增加單站覆蓋面積，提升NB-IoT網絡覆蓋率。

（2）鄰頻保護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保護帶寬，剩余有效頻寬180 kHz。

（3）NB-IoT采用與現網共天饋的方案，以中國電信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。

此外，室內盲區可通過大數據評估分析，并考慮采用小基站、合路C網室分、新增直放站、手機伴侶等手段進行盲區覆蓋。

4 測試分析

在中國電信800 MHz頻段的LTE網絡中采用Stand-alone模式部署NB-IoT系統，對不同場景、不同組網方案進行組網測試。NB-IoT終端用戶場景分別為室外、室內、室內+10 dB、室內+20 dB；組網結構中NB-IoT站點數與800 MHz頻段LTE站點數的比例分別選取1：1、1：3、1：4。測試區域共計LTE站點58個，具體站點信息如表2所示：

對終端功率為2×5 W和2×10 W這兩種情形進行覆蓋率測試，測試結果分別如表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，僅紅色標識部分達到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組網情況下，只有室外場景覆蓋率可以達標；采用Stand-alone模式、2×5 W的NB-IoT功率配置，在1：1組網情況下，可基本滿足業務需求，在深度覆蓋要求較高、穿透損耗較大的場景，2×10 W功率配置可以提升覆蓋率。

5 結束語

物聯網市場潛力巨大，是運營商的必爭之地，現階段NB-IoT業務需求主要集中在公共事業（水、電、氣抄表）和市政設施（井蓋、路燈桿、消防設施等）等。通信全面進入4G時代，低頻段LTE網絡是NB-IoT最優選擇。本文首先介紹了NB-IoT廣覆蓋、大鏈接、低功耗、低成本的技術特征以及一些典型的市場應用；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應用場景建模形成4種不同場景；最后對不同場景、不同組網方案進行測試分析，結果表明在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組網情況下只有室外場景覆蓋率可以達到99%，提升終端功率配置可解決更高要求的深度覆蓋問題。綜合分析測試結果，建議在市區內做NB-IoT的連續覆蓋，并采用1：1的組網方案。

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