GSM與NB-IoT覆蓋能力的對比分析

王浩年+張立武

【摘要】 GSM（Global System for Mobile Communication，全球移動通信系統）是當前應用最為廣泛的移動電話標準。NB-IoT（Narrow band Internet of Things，窄帶物聯網）是面向低速率、低時延、超低終端成本、低功耗、海量終端連接的窄帶蜂窩物 聯網技術，其中：覆蓋增強是該技術的重要設計目標，NB-IoT要求在GSM基礎上增強20dB，MCL達164dB。因此，本文在介紹GSM和NB-IoT的信道后，對兩者的覆蓋能力進行分析和比較。

【關鍵詞】 GSM NB-IoT 覆蓋

一、概述

NB-IoT是3GPP針對低功耗廣覆蓋（LPWA，Low Power Wide Area）類業(yè)務而定義的新一代蜂窩物聯網接入技術，主要面向低速率、低時延、超低成本、低功耗、廣深覆蓋、大連接需求的物聯網業(yè)務。NB-IoT采用覆蓋增強和低功耗技術。NB-IoT在物理層發(fā)送方式、網絡結構、信令流程等方面做了簡化。

覆蓋增強是NB-IoT的重要特性，NB-IoT提出了在GSM基礎上增強20dB的覆蓋目標，即MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合路損）要達到164dB。主要通過提高功率譜密度、重復發(fā)送、低階調制編制等方式實現。

本文首先分析GSM、NB-IoT的原理及特征，研究NBIoT覆蓋增強方式，并將GSM、NB-IoT的覆蓋能力進行比較分析。

二、GSM、NB-IoT信道簡介

2.1 GSM的信道配置

每個小區(qū)都有若干載頻，每個載頻都有8個時隙，也就是提供8個基本的物理信道，在無線子系統中，物理信道支撐著邏輯信道，根據物理信道上傳送的消息類型，物理信道映射為不同的邏輯信道。在GSM系統中，邏輯信道可分為業(yè)務信道（TCH：Trafic Channel）和控制信道（CCH：Control Channel）。

控制信道的配置：

1、 BCCH（包括FCCH、SCH）是廣播控制信道，它們只出現在BCCH載頻的0時隙上（Ts0），為下行信道。

2、 SDCCH是獨立專用控制信道，一個時隙（Ts）通常可承載8對SDCCH信道，稱為SDCCH /8信道。當該小區(qū)信令的流量較小時，我們可以把SDCCH、CCCH（包括RACH、PCH、AGCH）同BCCH廣播信道組合到Ts0上，此時，該時隙為BCCH+CCCH+SDCCH/4。

其中，BCCH、FCCH、SCH、PCH、AGCH只使用Ts0的下行信道，RACH只使用Ts0的上行信道，SDCCH是上下行成對出現的信道。

當該小區(qū)信令的流量較大時，最大可以設置40對SDCCH信道，占用5個時隙，它可以出現在任何載頻的Ts0、Ts2、Ts4、Ts6上。值得一提的是，SDCCH可以定義為與TCH互相轉換，以節(jié)省信道資源。

3、 CCCH（包括RACH、PCH、AGCH）是公共控制信道， CCCH消息塊數量設置的多少與該小區(qū)所屬LAC區(qū)的業(yè)務量有關，當該LAC區(qū)業(yè)務量較大時，CCCH可以只和BCCH組合在Ts0上，即BCCH+CCCH；LAC區(qū)業(yè)務量較小時，小區(qū)控制信道可設置成BCCH+CCCH+SDCCH/4的形式。

值得注意的是，一個小區(qū)的PCH尋呼信道是面向所屬LAC區(qū)內所有手機用戶的，與本小區(qū)容量大小無關，因此，要求每個小區(qū)CCCH設置的數量應該是一致的。

4、 SACCH、FACCH都是隨路控制信道，它們不單獨存在，而是采取“偷幀”的方式伴隨著TCH或SDCCH出現。（SACCH可以伴隨TCH和SDCCH，FACCH只伴隨TCH）

5、 CBCH是小區(qū)廣播信道，用于廣播該小區(qū)的一些公共消息（如商業(yè)信息、氣象信息等），是運營商提供的增值服務。它通常占用SDCCH/8的第三個子時隙，是下行信道，點對多點傳播。

業(yè)務信道的配置：

業(yè)務信道TCH的配置比較簡單，可以根據小區(qū)話務量的大小合理配置。

2.2 NB-IoT 物理信道

NB-IoT 目前只在FDD 有定義，終端為半雙工方式。NB-IoT 上下行有效帶寬180KHz，下行采用OFDM，子載波帶寬與LTE 相同，為15KHz；上行有兩種傳輸方式：單載波傳輸（Single-tone）、多載波傳輸（Multi-tone），其中Single tone 的子載波帶寬包括3.75KHz 和15KHz兩種，Multi-tone 子載波間隔15KHz，支持3、6、12 個子載波的傳輸。alone）、保護帶部署（Guardband）、帶內部署（In band）。

Standalone部署在LTE帶寬之外，Guard band部署在LTE的保護帶內，In-band占LTE的1個PRB資源，需保證與LTE PRBs的正交性。

Standalone可獨立設置發(fā)射功率，例如20W，Guard band、In-band的功率與LTE功率有關系，通過設置NB-IoT NRS（Narrow band Reference Signal，窄帶參考信號）與LTE CRS（Common Reference Signal，公共參考信號）的功率差，設定NB-IoT 的功率，目前協議定義可設置NRS比CRS最大高9dB，實際Power boosting的大小需根據設備的發(fā)射能力而定。

NB-IoT 子幀結構與LTE FDD 相同，引入了新的參考信號NRS 和新的主輔同步信號（NPSS/NSSS：Narrowband Primary Synchronization Signal/Narrowband Secondary Synchronization Signal），支持單端口和雙端口兩種發(fā)射模式。NB-IoT定義的物理信道如下表所示。endprint

與LTE 相比，NB-IoT取消了PCFICH、PHICH和PUCCH信道，不支持CSI的上報，NB-IoT下行未引入控制域的概念，NPDCCH占用資源方式與NPDSCH類似，NPUSCH的ACK/NACK反饋信息在NPDCCH中指示，NPDSCH的ACK/NACK反饋信息在NPUSCH format2中反饋。

NB-IoT以上行業(yè)務為主，需要重點關注NPUSCH信道的承載能力和覆蓋能力。

三、GSM和NB-IoT覆蓋能力分析

3.1 概述

NB-IoT的覆蓋目標是MCL 164dB，比GSM覆蓋增強20dB。NB-IoT的覆蓋增強，主要是通過提升上行功率譜密度，重復發(fā)送實現。NB-IoT三種工作模式都可以達到該覆蓋目標。

下行方向上，Standalone獨立部署的功率可獨立配置，In-band帶內部署及Guard band的功率受限于LTE的功率，因此In-band及Guard ban需更多重復次數才能達到與Standalone同等覆蓋水平，在相同覆蓋水平下，Standalone 的下行速率性能優(yōu)于另兩者；上行方向上三種工作模式基本沒有區(qū)別。

3.2 功率譜密度對覆蓋能力的影響分析

NB-IoT獨立部署，下行發(fā)射功率可獨立配置，例如20W，此時NB-IoT功率譜密度與GSM相同，但比LTE FDD功率譜密度高14dB左右。In-band 帶內部署及Guard band保護帶內部署時，可以配置NB-IoT與LTE的功率差，例如NB-IoT比LTE功率高6dB，此時NB-IoT下行功率仍比GSM功率低8dB。

NB-IoT上行終端最大發(fā)射功率比GSM低10dB，但由于NB-IoT最小調度帶寬為3.75K或15K， 因此NB-IoT上行功率譜密度比GSM高0.8～6.9dB。

除了功率譜密度上有所變化外，覆蓋增強還通過重復發(fā)送及跳頻實現。

3.3 鏈路預算結果

本章節(jié)以密集城區(qū)Hata模型為例計算各信道覆蓋距離，并與GSM、FDD LTE作對比。在同等環(huán)境下，GSM/LTE覆蓋半徑約0.6～0.7km，NB-IoT覆蓋半徑約2.65km，是GSM/ LTE的4倍左右。

實際在做網絡規(guī)劃時，需綜合考慮上行速率目標、干擾余量、穿透損耗、覆蓋率、物聯網終端功耗等因素規(guī)劃覆蓋半徑。

NB-IoT 覆蓋增強可用于提升網絡覆蓋能力、提升覆蓋率或降低站址密度以降低網絡建設成本。

四、總結

本文總結了GSM和NB-IoT各物理信道的原理及特征，分析兩者的覆蓋能力及差異。

鏈路預算結果表明，NB-IoT覆蓋半徑約是GSM/LTE的4倍，NB-IoT覆蓋增強可用于提高物聯網終端的深度覆蓋能力，也可用于提高網絡的覆蓋率，或者減少站址密度以降低網絡成本等。

本文還對NB-IoT Standalone、Guard band及In-band部署方式的覆蓋能力作了分析，三種部署方式通過不同的重復次數，都可以滿足MCL 164dB的覆蓋目標，但由于Guard band及In-band功率受限于LTE FDD系統功率，其功率比Standalone低5dB或8dB，因此為了達到同等下行覆蓋能力，需更多重復次數，此時下行速率比Standalone低；上行方向三者差別不大。

NB-IoT系統帶寬180KHz，Standalone不依賴于FDD LTE 網絡，可獨立部署。

參 考 文 獻

[1] 3GPP.RevisedWorkItem：NarrowbandIoT（NB-IoT）：3GPPRP-152284[S].3GPP，2015

[2] 3GPP.Technical Specification Group Services and System Aspects； General Packet Radio Service（GPRS） Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） Acce ss，V13.8.0：3GPPTS23.401[S].3GPP，2016

[3]樊世清、于澤、郭紅軍，論物聯網對供應鏈管理的影響，中國經貿導刊2009年第19期，66endprint