NB-IoT物聯網組網及覆蓋能力探討

黃悅，湯遠方

（1.中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510000；2.廣州瀚信通信科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

NB-IoT物聯網組網及覆蓋能力探討

黃悅1，湯遠方2

（1.中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510000；2.廣州瀚信通信科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

為了對NB-IoT組網及廣覆蓋能力進行研究，首先對系統組網技術、發射功率頻譜密度提升及重復發送等覆蓋增強技術手段進行分析，在此基礎上結合試驗網的場景測試結果，對比網絡的覆蓋能力及差異，并為下階段規模布網及覆蓋調整提供優化建議。

NB-IoT LPWA RSRP 深度覆蓋

1 引言

NB-IoT（Narrow Band-Internet of Things，窄帶物聯網）是一種3GPP定義的LPWA（Low Power Wide Area Network，低功耗廣域網）基于蜂窩網絡的標準化物聯網解決方案，由于其具有深度覆蓋能力、支持海量連接、速率低、成本低、功耗低、架構優等特點，非常適合于傳感、計量、監控等物聯網應用。本文根據NB-IoT組網技術特點，對比實踐應用場景的測試結果，深入分析蜂窩窄帶物聯網優越的覆蓋性能及組網情況。

2 NB-IoT網絡特點

NB-IoT系統具備以下四大特點：

一是廣覆蓋，將提供改進的深度覆蓋能力，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡提升20 dB增益；

二是具備支持海量的連接能力，一個扇區可支持5萬多個連接；

三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年；

四是更低的模塊成本，預期的單個接連模塊低于5美元。

NB-IoT分為三種部署方式：獨立部署（Standalone）、保護帶部署（Guard-band）和帶內部署（Inband），各部署方式均可與現有網絡共存。具體如下：

（1）獨立部署方式適用于重耕GSM頻段，因為GSM的信道帶寬為200 kHz，這剛好為NB-IoT 180 kHz帶寬騰出空間，且兩邊還有10 kHz的頻率保護間隔；

（2）保護帶部署方式是利用LTE邊緣保護頻帶中未使用的180 kHz帶寬的資源塊；

（3）帶內部署方式是利用LTE載波中的資源塊。

獨立部署方式較其他兩種方式具有配置限制少、覆蓋能力大等優點，下行性能更優，在下行覆蓋受限場景，獨立部署方式的覆蓋能力較保護帶部署方式要高5 dB。

3 NB-IoT覆蓋分析

3.1 覆蓋增強技術

針對物聯網的部署特點，現有的無線接入技術不足以滿足深度覆蓋的需求，3GPP在技術規范TS 45.820中針對智能水表、電表等物聯網業務部署特點提出LPWA技術需要，滿足針對GSM/LTE網絡的MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合損耗）（從基站天線端口到終端天線端口的路徑損耗）增強20 dB要求。

覆蓋方面重新定義了上下行物理信道格式（減少了協議棧處理流程的開銷）、調制規范（采用低階調制），采用了功率譜密度提升、重復發送等覆蓋增強技術。

如圖1所示，功率譜密度提升使得上下行控制信息及業務信息可在相對LTE更窄的帶寬中發送，相同發射功率下的PSD（Power Spectral Density，功率譜密度）增益更大，從而降低接收方的解調要求。

圖1 功率譜密度提升對比

通過調整NB-IoT上行功率譜密度較同頻段無線網絡增強17 dB，考慮GSM終端發射功率最大為33 dBm，NB-IoT發射功率最大是23 dBm，因此實際NB-IoT終端比GSM終端功率譜密度提升7 dB。

為滿足蜂窩小區邊緣或室內深度覆蓋需求，NBIoT還引入了重復發送的編碼方式，如圖2所示。通過重復發送來提升信道條件惡劣時的傳輸可靠性，在多個子幀傳送一個傳輸塊。據Repetition Gain=10log Repetition Times可知，重傳2次將提升約3 dB，NBIoT最大可支持下行2 048次重傳、上行128次重傳，可結合功耗需求及覆蓋場景個性化設置。

圖2 NB-IoT重復發送的編碼方式

3.2 室外覆蓋分析

本次組網測試選取老城區，建筑總體上低矮密集且多城中村，區域內已開通41個室外站點，平均站間距為500 m左右，最近約為270 m，形成小區連續覆蓋、比較規則的多層蜂窩結構。周邊其他小區考慮不同的網絡負載，包括空載、50%負載。

如圖3所示，上行干擾余量測試方法：朝向主測小區的3個鄰區邊緣分別放置4個用戶，位于主測小區和鄰區交疊區（RSRP為-95～-85 dBm），且RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率）比主測小區要強3～5 dB，用于（15 k ST）進行上行UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）灌包業務，觀察NB上行干擾水平變化。

圖3 上行干擾余量測試

上行干擾余量測試結果表明：測試中有3%～9%上行資源利用率，上行底噪抬升1～4 dB，由于測試用戶數較少，占用資源較低，因此上行干擾余量測試值較正常情況低。

室外道路場景測試方法：在連片覆蓋的試點區域內，攜帶NB-IoT測試UE 2部、測試車、GPS接收設備及相應的路測軟件，遍歷測試區域內各小區，遍歷交通干道、次干道、主要支路，記錄終端RSRP、下行SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比）、MCL等指標。

NB-IoT與LTE覆蓋能力對比如表1所示：

表1 NB-IoT與LTE覆蓋能力對比

室外道路測試結果表明：在NB-IoT與LTE網絡1:1配置下，實測NB-IoT比LTE的RSRP要高14～15 dBm，與預定的功率差（14 dB）基本匹配。

3.3 覆蓋穿透損耗

選取各物聯網應用場景的穿透損耗進行測試，如儲物室、建筑體、地下室等常見障礙體，根據海量實踐測試數據統計顯示，樓宇綜合損耗與樓宇類型有關（材質、面積、結構等）。除了地下室以外，在主城區場景樓宇綜合穿損為18～26 dB，地下1層穿損為36 dB。具體如表2所示：

表2 各類型物業穿透損耗

其中，墻體損耗：1、2、3堵墻穿損為9～27 dB（與樓宇材質有關），但典型物聯網需求深度覆蓋場景下，最大穿損需求應高于3堵墻的穿損值。具體如表3所示。

在深度覆蓋位置，信號穿透超過5堵墻，同時室內結構復雜造成信號嚴重衰減時，衰減多達56 dB。

3.4 場景覆蓋分析

室內場景測試方法：攜帶NB-IoT終端1部，路測軟件1套，遍歷測試區域內所有的測試路線或應用布放點。

表3 1、2、3堵墻穿透損耗

采用室外覆蓋室內物業點：在一般、密集城區各選擇15～20個物業點，物業點盡可能涵蓋多樣物業類型，包括小型酒店、居民樓、底商、寫字樓、學校、地下車庫、醫院等場景。涵蓋距離主服務小區近、中、遠點的位置；物業點室外、室內遍歷，且在每個物業點選取20個定點測試點，盡量涵蓋好、中、差點。

具體測試情況如下：

（1）地下場景

地下停車場測試結果表明：當采用室外覆蓋室內時，無論處于小區近、中、遠點，地下場景覆蓋均較差，未來建設中需要重點考慮其他手段來解決覆蓋問題。地下室測試點分布如圖4所示。

地下室的覆蓋情況如表4所示。

（2）電梯場景

圖4 地下室測試點分布

表4 地下室的覆蓋情況

電梯外各測試點多為室內半開放空間，考慮電梯穿損（20 dB）后，僅靠宏站覆蓋，在小區遠點的電梯內會覆蓋不佳，是后續的重點建設對象。電梯的覆蓋情況具體如表5所示。

（3）水/電表場景

除地下場景外，水/電表測試點基本覆蓋良好，但小區遠點覆蓋不佳，具體到應用的表計玻璃或薄鐵皮箱體外和內部RSRP差為1～6 dBm。水/電表的覆蓋情況如表6所示。

表5 電梯的覆蓋情況

表6 水/電表的覆蓋情況

因此，在室內物業點采用室外大站覆蓋場景中，樓宇損耗與樓宇類型有關（材質、面積、結構等），街邊底商及寫字樓穿損在21～30 dB以上，居民樓及酒店穿損為17～20 dB，地下1層穿損為34～37 dB，底層穿損為17～18 dB，室內雖有覆蓋，但隨著信號變差，性能也會下降。

覆蓋與指標的關聯具體如表7所示：

表7 覆蓋與指標關聯表

3.5 系統組網測試情況

通過以上分析可知，當NB-IoT和LTE按照1:1宏站密度建網時，室外道路RSRP CDF 5%為-80 dBm，與同區域GSM900相比有26～27 dB增強；在室內地下室無論近、中、遠點，都可能有覆蓋盲區；在樓宇場景中，大部分近、中點樓宇的地上覆蓋良好，地上業務成功率可達99%，而在遠點樓宇地上和地下場景會存在無法覆蓋的點。抄表類：近、中點地上基本可覆蓋，地下及遠點覆蓋不佳；電梯：近點地上基本可覆蓋，中、遠點覆蓋不佳；地下1層車庫：無論近、中、遠點，均覆蓋不佳。

雖然NB-IoT覆蓋能力較現有網絡增強20 dB，但在物聯網應用中，室內及地下場景較多，僅依靠室外站點覆蓋室內場景，覆蓋效果不佳。因此，在后續的網絡建設中，需綜合參考各覆蓋場景的穿透損耗情況，根據覆蓋預期值（規劃值-OTA及天線損耗-穿透損耗）合理規劃室內站點的建設。

4 結束語

本文通過對NB-IoT的網絡特點、關鍵技術的理論分析可知，系統主要通過提升功率譜密度及重復發送等技術提升覆蓋增強，可以滿足MCL 164 dB的覆蓋要求，即比GSM系統目標增強20 dB，并通過組網場景測試數據進行對比分析，驗證了各類場景的差異化覆蓋需求，為后續蜂窩窄帶物聯網的網絡規劃、大規模布網、損耗模型校正及商用發展提供了方案依據，合理地選擇建設方式，從而實現快速建網的目的。

[1]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.

[2]張鴻濤. 物聯網關鍵技術及系統應用[M]. 2版. 北京: 機械工業出版社, 2017.

[3]張開生. 物聯網技術及應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2016.

[4]李曉妍. 萬物互聯[M]. 北京: 人民郵電出版社,2016.

[5]張萬春,陸婷,高音. NB-IoT系統現狀與發展[J]. 中興通訊技術, 2017,23(1): 10-14.

[6]3GPP TR 45.820 V13.1.0. Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT)[S]. 2015.

[7]皮特·瓦厄. 物聯網實戰指南[M]. 北京: 機械工業出版社, 2016.

[8]楊正洪. 智慧城市：大數據、物聯網和云計算之應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2014.

[9]3GPP TS 36.413 V13.4.0. Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP)[S]. 2016.

[10]3GPP RP-161901. Work Item: Enhancements of NB-IoT[S]. 2016.

Discussion on Networking and Coverage Capability for NB-IoT

HUANG Yue1, TANG Yuanfang2
(1. China Mobile Group Guangdong Co., Ltd., Guangzhou Branch, Guangzhou 510000, China;2. Guangzhou Hantele Communication Co., Ltd., Guangzhou 510000, China)

In order to investigate the networking and coverage capability for NB-IoT, the coverage enhancement techniques such as system networking, transmission power spectrum density enhancement and repetitive sending were analyzed. Besides, the network coverage capability and difference were compared according to the scenario testing results from the testing network. Finally, the optimization suggestion to the scale network deployment and coverage adjustment was provided.

NB-IoT LPWA RSRP deep coverage

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.003

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0011-05

黃悅,湯遠方. NB-IoT物聯網組網及覆蓋能力探討[J]. 移動通信, 2017,41(18): 11-15.

2017-09-17

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

黃悅：中級工程師，碩士畢業于華南理工大學電信學院，現任職于中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司無線優化中心，主要從事物聯網NB-IoT相關技術的研究及4G無線網絡優化工作。

湯遠方：中級工程師，學士畢業于中山大學，現任職于廣州瀚信通信科技股份有限公司服務執行部，主要從事4G移動通信無線網絡優化工作。