蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃體系與部署策略研究

鄧安達，程日濤，王韜，孟繁麗，馬向辰，孫璇，馬穎，王樂，張海濤

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃體系與部署策略研究

鄧安達，程日濤，王韜，孟繁麗，馬向辰，孫璇，馬穎，王樂，張海濤

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

為科學規(guī)劃蜂窩物聯(lián)網，首先綜合技術特點、業(yè)務態(tài)勢、投資效益、LTE FDD步伐等因素提出規(guī)劃原則；然后重點分析研究頻率規(guī)劃、分場景規(guī)劃指標、站址規(guī)劃等關鍵環(huán)節(jié)，構建完善的蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃體系；最后提出了蜂窩物聯(lián)網部署策略相關建議。

蜂窩物聯(lián)網 NB-IoT 同頻組網 頻率規(guī)劃 站址規(guī)劃

1 引言

在“萬物互聯(lián)”的概念推動下，以NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網）和eMTC為代表的蜂窩物聯(lián)網技術快速發(fā)展。NB-IoT和eMTC均是在LTE技術基礎上，針對物聯(lián)網廣覆蓋、大容量、低能耗、低成本需求進行了協(xié)議簡化、調整和增強。NB-IoT目前技術發(fā)展和產業(yè)支持程度更好，它可以與LTE獨立部署，適用于低速率、低移動性、時延不敏感的物聯(lián)網業(yè)務；eMTC目前產業(yè)支持度落后于NB-IoT 1季度或半年，它是LTE網絡的一項附加功能，對移動性支持更好，適用于中低速率業(yè)務。

為擴大連接數量，開辟搶占新興市場，電信運營商迫切希望進入蜂窩物聯(lián)網領域，通過科學規(guī)劃實現快速、低成本建站。本文綜合提出了蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃原則，并對規(guī)劃體系相關的頻率、指標、站址等要素進行針對性分析研究，提出了規(guī)劃體系和部署策略的相關建議。

2 蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃原則

綜合考慮蜂窩物聯(lián)網業(yè)務的發(fā)展態(tài)勢、建網投資效益以及運營商的LTE FDD建設步伐，建議蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃原則如下：

（1）NB-IoT與eMTC面向的是不同蜂窩物聯(lián)網業(yè)務，無法相互替代，根據產業(yè)成熟度和LTE FDD牌照情況確定NB-IoT與eMTC的部署順序。

（2）現階段在監(jiān)管部門許可的情況下，先行規(guī)劃建設NB-IoT，待eMTC獲得LTE FDD牌照后與LTE FDD同步開通。

（3）蜂窩物聯(lián)網與LTE FDD協(xié)同規(guī)劃、分步實施，基站設備應支持NB-IoT、LTE FDD、eMTC共硬件，只需通過軟件開通不同的功能。

（4）規(guī)劃建設初期，NB-IoT主要考慮利用宏站實現室外基本連續(xù)覆蓋和適當深度覆蓋。

圖1 蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃體系架構圖

3 蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃體系

蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃體系架構圖如圖1所示。

蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃體系與移動蜂窩網規(guī)劃體系類似，主要環(huán)節(jié)應包括：需求分析、預規(guī)劃、站址規(guī)劃、網絡仿真、無線資源參數規(guī)劃、工程建設方案、投資。具體如下：

（1）需求分析環(huán)節(jié)的主要任務是確定業(yè)務需求，包括業(yè)務速率要求及其分布、覆蓋區(qū)域等，以便為預規(guī)劃提供輸入。

（2）預規(guī)劃環(huán)節(jié)的主要任務是明確網絡規(guī)劃指標和單站配置原則，作為站址篩選和網絡仿真的依據。明確頻率規(guī)劃是確定規(guī)劃指標的前提，而網絡規(guī)劃指標作為后續(xù)建網的主要依據，應經過嚴格論證并在一段時間內保持穩(wěn)定。

（3）站址規(guī)劃和網絡仿真環(huán)節(jié)的主要任務是利用一定的工具手段，篩選出站點布局合理、網絡整體仿真性能達標的基站站址。為完成這一任務，這兩個環(huán)節(jié)可能需要多次工作和調整。

（4）無線資源參數規(guī)劃環(huán)節(jié)相對獨立，它根據技術標準原理，進行小區(qū)基本參數規(guī)劃等工作。

（5）工程建設方案和投資環(huán)節(jié)將以網絡仿真達標輸出的基站為基礎，結合設備、天饋等工程實施條件以及統(tǒng)籌考慮投資限制因素，明確本期工程的建設規(guī)模、建設方案和投資。

由于蜂窩物聯(lián)網采用的網絡技術、面向的應用特點以及網絡發(fā)展建設的階段均不同于移動蜂窩網，因此在規(guī)劃體系的需求分析、預規(guī)劃、站址規(guī)劃等環(huán)節(jié)的思路、方法和參數上均與移動蜂窩網存在較大差別。

本文將主要針對這些環(huán)節(jié)展開說明，呈現出技術分析比較及工具創(chuàng)新過程，以便更好地理解相關的蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃結論和部署策略。

3.1 業(yè)務需求分析

物聯(lián)網業(yè)務比移動蜂窩網個人業(yè)務具備更大的多樣性和差異性。業(yè)務需求分析的第一步應該是篩選出適合NB-IoT或eMTC承載的物聯(lián)網業(yè)務，可以主要圍繞終端單次數據量、業(yè)務速率、時延及質量要求、終端業(yè)務頻次和并發(fā)特性這幾方面對不同業(yè)務進行分類與歸納，為網絡覆蓋規(guī)劃提供以下輸入：

（1）最低/最高承載速率。

（2）覆蓋率要求。

業(yè)務分析還應為網絡容量規(guī)劃輸入容量密度等數據。但由于蜂窩物聯(lián)網業(yè)務剛處于起步階段，主要業(yè)務的分布、構成及業(yè)務量尚難預測。為減少投資風險，網絡初期規(guī)劃暫不考慮不同業(yè)務的差異化速率需求，待后續(xù)業(yè)務發(fā)展后再通過局部區(qū)域加密基站實現。

3.2 頻率規(guī)劃

頻率規(guī)劃主要包括頻段選擇、工作模式選擇、頻點規(guī)劃和同/異頻組網這幾方面內容。具體如下：

（1）頻段選擇

頻段選擇應綜合考慮頻段傳播特性、可用頻帶寬度等因素。

頻段越低，空間傳播特性就越好，穿透建筑物能力也越強。以900 MHz頻段與1 800 MHz頻段做對比，同等覆蓋半徑條件下，信號強度900 MHz頻段比1 800 MHz頻段高10 dB。蜂窩物聯(lián)網要想發(fā)揮低成本、廣覆蓋的優(yōu)勢，首選低頻段如800 MHz或900 MHz。

頻段選擇還與可用頻寬相關，NB-IoT單載波帶寬200 kHz。目前國家允許各運營商在現有頻段范圍內開展NB-IoT網絡建設，NB-IoT的頻段選擇需要考慮其他系統(tǒng)制式（如CDMA800或GSM900）能否清頻出多個200 kHz供NB-IoT使用。

綜上所述，不同運營商選擇了不同的NB-IoT頻段，中國移動主要考慮在900 MHz上部署，中國電信在800 MHz上部署，中國聯(lián)通則將1 800 MHz作為第一優(yōu)先級、900 MHz作為第二優(yōu)先級。

（2）工作模式選擇與頻點規(guī)劃

NB-IoT有以下3種工作模式：

◆獨立（Stand-alone）模式：獨立部署在LTE帶外，功率獨立配置，不依賴LTE網絡；

◆帶內（In-band）模式：部署在LTE帶內，功率在LTE上增強，占用LTE資源；

◆保護帶內（Guard-band）模式：部署在LTE保護帶內，功率在LTE上增強，不占用LTE資源。

圖2 NB-IoT頻點規(guī)劃示意圖

由于獨立模式下行發(fā)射功率高，下行覆蓋性能、速率、時延、功耗等性能最好，在頻率資源具備的情況下是性能最優(yōu)的選擇，因此目前國內運營商基本都采用了獨立模式。

在獨立模式的NB-IoT頻點規(guī)劃時，要統(tǒng)籌考慮頻率重耕帶來的LTE頻寬的擴展、與其他運營商的頻率隔離等，目標是使NB-IoT頻點在較長時間內保持不變。

圖2是對某運營商NB-IoT頻點規(guī)劃的建議，在該運營商900 MHz頻段的上邊緣清頻出3個NB-IoT頻點，中心頻點分別為953.4 MHz、953.6 MHz、953.8 MHz，上邊953.8 MHz頻點與其他運營商中心頻點至少間隔300 kHz，下邊953.4 MHz頻點與未來擴展后的LTE頻點也不重疊。

（3）同/異頻組網選擇

同/異頻組網各有優(yōu)缺點，具體如下：

◆同頻組網：頻率利用率高，總體網絡容量大；

◆異頻組網：抗干擾能力強，單載頻承載速率高。

NB-IoT在LTE技術基礎上針對物聯(lián)網業(yè)務進行了協(xié)議簡化和特性增強，本身可適用于同頻組網環(huán)境。

在上述某運營商清理出3個NB-IoT頻點的情況下，NB-IoT可采用同頻組網做到單小區(qū)最大2載波（同小區(qū)內不同頻點之間還應有保護間隔，無法做到單小區(qū)最大3載波），也可采用異頻1×3組網做到單小區(qū)最大1載波。

根據組網測試，50%下行加擾時同頻組網比異頻組網SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比）要低約2 dB，下行速率下降約20%，同樣帶寬條件下的網絡容量約為異頻組網的1.6倍。考慮同頻組網的容量優(yōu)勢，NB-IoT可按同頻組網規(guī)劃（為未來容量擴展留下余地），在工程建設中干擾嚴重之處暫按異頻開啟。

3.3 分場景規(guī)劃指標

確定科學的規(guī)劃指標是網絡覆蓋規(guī)劃的核心內容。探索確定規(guī)劃指標的過程，也就是明確建網目標和無線環(huán)境、網絡負荷等技術限制條件，進行鏈路預算和受限信道分析，明確測試指標要求、推算站間距并進行仿真驗證與組網測試驗證的過程。

（1）協(xié)議技術要求與設備能力

覆蓋能力強是NB-IoT的技術優(yōu)勢。NB-IoT相關協(xié)議規(guī)定了3種CE Level（Coverage Enhancement Level，覆蓋增強等級），分別如下：

◆CE0：常規(guī)覆蓋，MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合損耗）為144 dB（MCL=發(fā)射機功率-接收機靈敏度）；

◆CE1：增強覆蓋，MCL為154 dB；

◆CE2：極遠覆蓋，MCL為164 dB。

其中，CE2所需基站數最少，適宜在網絡建設初期規(guī)避投資風險使用。

為了實現CE1及CE2的覆蓋增強，NB-IoT采用了重復傳輸的手段，通過重復傳輸得到時間分集增益、降低信號解調要求（接收機靈敏度電平更小，即SINR要求降低）。

重復傳輸對覆蓋性能的改善增益，隨著重復次數增加而逐漸減少。設備廠家在權衡性能與成本之間，一般獨立模式下選擇設置各信道的最大重復次數為64次或128次。在增強覆蓋的同時，重復傳輸也將帶來有效信息傳輸速率下降、終端耗電增加等問題。以業(yè)務信道為例，為達到業(yè)務信道MCL=164 dB，依據廠家鏈路級仿真提供的重傳次數如表1所示：

表1 各物理信道達到極遠覆蓋時的重傳次數

一方面，從原理上來講，業(yè)務信道重復次數越少的能提供的平均業(yè)務速率就越大，設備能力也越強；

另一方面，根據技術原理分析和不同廠家調研，隨著重復次數增加和算法優(yōu)化，部分物理信道能實現MCL超過164 dB達到167 dB甚至170 dB，在設備最大重復次數有限制的前提下，最受限的信道為上行信道。

在設備尚未完全成熟、測試還不完善的蜂窩物聯(lián)網部署初始階段，如果設定統(tǒng)一的邊緣速率要求，很可能導致覆蓋半徑隨設備廠家差異較大，網絡規(guī)劃無法獨立于設備廠家。因此，考慮到蜂窩物聯(lián)網業(yè)務特性尚不明確、現階段最受限的是上行信道這兩方面原因，目前NB-IoT網絡規(guī)劃指標暫不考慮小區(qū)邊緣速率，按照上行信道MCL=164 dB進行推算，并最終折算到便于網絡測量的下行NRS（Narrow-band Reference Signal，窄帶參考信號）信號指標。

（2）鏈路預算及其參數

NB-IoT上行鏈路預算過程如圖3所示。

鏈路預算公式如下：

其中，各參數含義如下：

MAPLUL：上行鏈路最大傳播損耗（單位為 dB）；

Pout_Module：終端模組最大發(fā)射功率（單位為dBm），取23 dBm；

LOTA_UE：終端OTA損耗（單位為dB），由于NBIoT終端的多樣性和差異性，該值實測差異較大；

Lshell_UE：終端外殼損耗（單位為dB）；

Lp：建筑物穿透損耗（單位為dB），該值與宏站設計的覆蓋目標相關，蜂窩物聯(lián)網希望主要通過宏站來解決大部分覆蓋問題（包括穿透室內多堵墻），因此該項取值比普通LTE網絡的要大；

圖3 NB-IoT上行鏈路預算過程示意圖

Mf：慢衰落余量（單位為dB），該值與傳播環(huán)境及覆蓋概率要求相關，不同場景取值有差異；

MI：上行干擾余量（單位為dB），該值與系統(tǒng)設計容量相關，NB-IoT一般以上行業(yè)務為主，需要考慮更高的上行負荷，預留相對較大的上行干擾余量；

Ga_BS：基站天線增益（單位為dB）；

Lf_BS：饋線損耗（單位為dB）；

SBS：基站接收靈敏度（單位為dBm），當要求MCL=164 dB時，則NB-IoT基站靈敏度為-141 dBm。

（3）站間距及室外路測指標要求

基于上述鏈路預算公式，并結合NB-IoT終端測試OTA平均情況，考慮穿透3堵墻，在上行50%負荷時，提出NB-IoT規(guī)劃站間距建議。將NB-IoT上行鏈路最大傳播損耗折算到下行NRS，在室外道路測試時，提出NRSRP（NRS Receiving Power，窄帶參考信號接收功率）要求。具體如表2所示。

（4）仿真與測試驗證

按上述站間距要求，對5個城市高穿損主城區(qū)進行規(guī)劃仿真驗證。具體如表3所示，仿真結果驗證了規(guī)劃指標的合理性。

選取某城市的兩個場景各約20個站規(guī)模的連續(xù)區(qū)域進行組網測試驗證，路測結果如表4所示，基本符合規(guī)劃預期。

表2 NB-IoT基站站間距建議及室外道路測試電平要求（覆蓋概率95%）

3.4 站址規(guī)劃

（1）同頻組網的站址結構要求

NB-IoT采用同頻組網，對站址結構較為敏感，應盡量保證理想的蜂窩結構，避免結構不合理的站點入網。合理的網絡結構主要要求如下：

◆站間距及站址偏離距離：在合理的站間距區(qū)間內設站，控制站間距偏移距離不多不少，既不存在弱覆蓋也不帶來過多的重疊覆蓋；

表3 5個城市高穿損主城區(qū)NB-IoT仿真指標

表4 NB-IoT分場景組網測試驗證情況

◆站高：避免高站帶來的重疊覆蓋；

◆方向角：主要通過設置主瓣方向、同一基站不同扇區(qū)之間保持合理的夾角來實現合理的小區(qū)覆蓋；

◆下傾角：在站高確定的情況下，通過調整下傾角合理地控制小區(qū)覆蓋范圍；

◆發(fā)射功率：合理地設置發(fā)射功率值，控制小區(qū)范圍。

（2）站址選擇工具

開發(fā)應用優(yōu)化的站址選擇工具，實現基于全站址規(guī)劃的最優(yōu)網絡架構，避免簡單升級。

站址選擇工具包括以下功能：

◆基站畫像：對全網所有站址賦予專屬個性化標簽，便于快速找到必選/目標站點；

◆站址庫分類功能：根據基站畫像結果，將所有站址進行分類，非目標站址自動進入備選站址庫（其他運營商可共享站址），結構問題、不可用站點進入黑名單；

◆站址自動搜索：根據業(yè)務需求及規(guī)劃目標，開展智能站址搜索，快速完成多種選點對比方案；

◆網絡規(guī)劃審核：對最終形成的規(guī)劃方案進行審核，輸出結構問題站點、方案仿真輸入站點。

目前站址選擇工具已經在全國多個城市蜂窩物聯(lián)網網絡規(guī)劃中得到應用，并取得較好效果。

4 蜂窩物聯(lián)網部署策略

蜂窩物聯(lián)網遵循與LTE FDD“協(xié)同規(guī)劃”原則。在NB-IoT部署實施中，應在LTE FDD目標網站址基礎上，根據NB-IoT基站站間距要求，選擇部分站址先期建設開通NB-IoT功能，這也就是NB-IoT與LTE FDD基站的1:N組網。

隨著蜂窩物聯(lián)網業(yè)務發(fā)展，業(yè)務需求、速率逐步探索明確，容量需求增加，可針對特殊需求區(qū)域逐步加密NB-IoT布局，實現與LTE FDD基站1:1組網。

4.1 1:N組網

假定LTE FDD 900 MHz網絡以穿透2堵墻、邊緣速率上行1 Mb/s和下行4 Mb/s為規(guī)劃目標，理論推算可得LTE FDD基站覆蓋半徑約為NB-IoT的1/2，覆蓋同樣區(qū)域面積的LTE FDD基站數約為NB-IoT的4倍（N≈4）。

運用站址選擇工具，輸入站間距和網絡結構要求，可以從LTE FDD仿真規(guī)劃達標的基站站址中快速選擇出NB-IoT備選站點；備選站點完全繼承LTE FDD基站天饋參數進行NB-IoT仿真，一般只需少數幾次迭代和調整即可實現NB-IoT覆蓋仿真達標。仿真同樣驗證了LTE FDD基站數約為NB-IoT基站的4倍，具體如表5所示。

表5 NB-IoT與LTE FDD仿真規(guī)劃達標時的基站數關系對比

4.2 NB-IoT局部站點加密

若NB-IoT站點加密形成與LTE FDD基站1:1部署，NB-IoT信號覆蓋電平將增加約10.8 dB，可進一步增強深度覆蓋或提升容量。具體如下：

（1）對抗更大的建筑物穿透損耗：穿透損耗可達37 dB，可穿透部分地下室場景，有可能利用宏站覆蓋實現部分地下抄表或停車業(yè)務。

（2）提升容量：位于小區(qū)遠點終端可從CE2改善至CE1，以減少重傳，增大小區(qū)吞吐量和用戶業(yè)務速率。

5 結束語

蜂窩物聯(lián)網對實現萬物互聯(lián)、加速產業(yè)升級有重要意義，是近期電信運營商關注的焦點。本文通過對蜂窩物聯(lián)網的規(guī)劃體系及部署策略進行詳細分析，建議NB-IoT以獨立模式、同頻組網部署于低頻段。在分析協(xié)議技術要求的基礎上，面對設備能力有差異的現狀，以MCL=164 dB、穿透3堵墻為統(tǒng)一基準進行覆蓋規(guī)劃，結合鏈路預算參數取值分析，提出了NB-IoT分場景站間距與室外路測指標要求，并進行了仿真與測試驗證。通過提出同頻組網的站址結構要求，提煉蜂窩物聯(lián)網站址選擇工具主要功能并實現工程應用。遵循蜂窩物聯(lián)網與LTE FDD“協(xié)同規(guī)劃”的原則，研究提出NB-IoT建網初期在LTE FDD目標網站址基礎上按1:N組網、后期局部加密的部署策略，為蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃和部署提供了建議。后續(xù)還需對蜂窩物聯(lián)網的業(yè)務模型、容量規(guī)劃等問題進行深入研究，以更好地滿足蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃建設的各項要求。

[1]3GPP TR 45.820. Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput internet of things (CIoT)[S]. 2015.

[2]3GPP TR 36.802. Narrowband internet of things (NB-IoT);Technical report for BS and UE radio transmission and reception[S]. 2016.

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

[4]張起貴,梁風梅. 物聯(lián)網技術與應用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2015.

[5]程日濤,鄧安達,孟繁麗,等. NB-IoT規(guī)劃目標及規(guī)劃思路初探[J]. 電信科學, 2016,32(Z1): 137-143.

[6]中國移動企業(yè)標準. 蜂窩物聯(lián)網無線主設備技術要求：17A039[S]. 2017.

[7]中國聯(lián)通. 中國聯(lián)通蜂窩物聯(lián)網技術白皮書[EB/OL].(2016-11-20)[2017-06-30]. https://wenku.baidu.com/view/c9eef1e218e8b8f67c1cfad6195f312b3169eb23.html.

[8]吳杰,程偉,梁月. 運營商蜂窩物聯(lián)網NB-IoT及eMTC的部署策略探討[J]. 中國新通信, 2016(23): 64-65.

[9]孫震強,朱雪田,張光輝,等. 蜂窩物聯(lián)網頻率使用與干擾分析[J]. 移動通信, 2017,41(3): 10-13.

[10]王淑玲. 中國聯(lián)通物聯(lián)網建設全面提速 積極開展業(yè)務探索[J]. 通信世界, 2017(15): 35-36.

Research on CIoT Planning System and Deployment Strategy

DENG Anda, CHENG Ritao, WANG Tao, MENG Fanli, MA Xiangchen, SUN Xuan, MA Ying, WANG Le, ZHANG Haitao
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

In order to scientifically plan the Cognitive IoT (CIoT), the planning principle was proposed firstly in the light of technical features, business trend, investment benefit and LTE FDD development. Then, key links such as frequency planning, scenario planning metrics and site selection were analyzed and investigated in depth to construct the perfect CIoT planning system. Finally, related suggestion to CIoT deployment strategy was put forward.

CIoT NB-IoT co-frequency networking frequency planning site planning

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.004

TN915.9

A

1006-1010(2017)18-0016-08

鄧安達,程日濤,王韜,等. 蜂窩物聯(lián)網規(guī)劃體系與部署策略研究[J]. 移動通信, 2017,41(18): 16-23.

2017-06-30

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

鄧安達：教授級高級工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學，現任職于中國移動通信集團設計院有限公司無線所，主要從事無線網絡規(guī)劃設計工作，目前主要研究方向為LTE、蜂窩物聯(lián)網等。

程日濤：高級工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學，現任職于中國移動通信集團設計院有限公司無線所，主要研究方向為移動通信網絡組網技術、網絡規(guī)劃技術等。

王韜：高級工程師，碩士畢業(yè)于英國伯明翰大學，現任職于中國移動通信集團設計院有限公司無線所，主要從事無線網絡規(guī)劃設計工作，目前主要研究方向為LTE、蜂窩物聯(lián)網等。