NB-IOT的覆蓋增強技術探討*

勾保同，趙建平，田全利，趙遠超

（曲阜師范大學，山東 曲阜 273100）

0 引 言

現代科技高速發展，全球迎來了信息高效化、智能化的時代。物聯網技術的飛快發展，給人們的生活帶來了極大便利，不斷促進著社會的發展。物聯網技術與人們的生活息息相關。隨著人們生活水平的不斷提高，人們對物聯網的性能要求越來越高。NB-IOT技術最新提出的物聯網技術，和LTE網絡相比，更加滿足人們對現代生活智能化、人性化的要求[1-2]。

物聯網通信技術有多種，從傳輸距離上可以分為兩類：一是短距離通信技術，代表有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth和Z-wave；二是廣域網通信技術，一般定義為LPWAN（Low-Power Wide-Area Network）。NB-IOT是2015年9月在3GPP的標準組織立項中提出的一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術，是基于LTE原理基礎上對其進行改進的一種新的物聯網技術。

1 NB-IOT覆蓋增強技術概述

NB-IOT的設計目標[3-5]是在GSM基礎上覆蓋增強20 dB。以144 dB作為GSM的最大耦合路損，則NB-IOT設計的最大耦合損耗（MCL）為164 dB。其中，下行主要依靠增加各自信道的最大重傳次數以獲得覆蓋增強。而它的上行的覆蓋增強主要來自于兩方面。一是在極限覆蓋情況下，NB-IOT可采用單子載波進行傳輸，大幅提升其功率譜密度（Power Spectral Density）。以Singletone部署方式下3.75 kHz的子載波間隔為例，與GSM 180 kHz帶寬相比，其PSD可得到約17 dB的增益（不考慮上行2R）。二是可增加上行信道的最大重傳次數以獲得覆蓋增強。因此，盡管NB-IOT終端上行發射功率（23 dBm）較GSM（33 dBm）低10 dB，但其傳輸帶寬的變窄及最大重傳次數的增加，使其上行可工作在16 dB的最大路損下。

NB-IOT的三種工作模式都可以達到該覆蓋目標[6]。下行方向上，Standalone的功率可獨立配置，Inband和Guardband的功率則受限于LTE的功率。因此，Inband和Guardband方式下需要更多的重復次數，才能達到與Standalone方式同等的覆蓋水平。在相同覆蓋水平下，Standalone方式的下行速率性能優于Inband和Guardband；上行方向上，三種部署方式基本沒有區別。

eMTC的覆蓋目標是MCL為155.7 dB，在FDD LTE基礎上增強15 dB，比NB-IOT的覆蓋目標低8 dB左右。eMTC是LTE的增強功能，與LTE共享發射功率和系統帶寬。但是，eMTC的業務信道帶寬最大為6個PRB。eMTC功率譜密度與LTE相同，覆蓋增強主要通過重復發送[7]和跳頻來實現。在3GPP標準中，它的最大重復次數可達2 048次。

2 NB-IOT覆蓋增強技術分析

2.1 下行重傳帶來的覆蓋增強

2.1.1 NPBCH解調門限

NPBCH 2T1R仿真得到的解調門限如表1所示。表1是基站2天線發送的仿真結果，存在約3 dB的發送分集增益。如果基站采用1天線發送（1T1R），要達到2天線同等覆蓋能力，需要更多重復次數。Standalone方式下，MCL達到144 dB、154 dB和164 dB的重復次數分別為1、2和16。Standalone的MCL在重復次數為1次時，已經達到144 dB的要求。In-band/Guard band的MCL達到144 dB的重復次數為4次；達到154 dB的重復次數為32次；重復次數達到最大64次時，BLER會高于10%。此外，控制信道一般也考慮1%BLER的解調門限要求；PBCH重復周期為640 ms，最多重復64次，MCL未達到164 dB的覆蓋目標。

2.1.2 NPDCCH解調門限

NPDCCH信息最大39 bit，基于48 bit仿真的解調門限如表2所示。從仿真結果可以看到，重復32次可滿足Standalone方式下MCL=164 dB的覆蓋要求。當Guardband和Inband的發射功率比Standalone低8 dB時，重復193、230次，才滿足Guardband和Inband方式下MCL=164 dB。

表1 NPBCH解調門限

表2 NPDCCH解調門限

2.1.3 NPDSCH解調門限

重復次數與TBS大小有關。如表3所示，TBS=680時，重復32次才可滿足Standalone下的MCL=164 dB的覆蓋要求。Inband和Guardband的發射功率比Standalone低8 dB時，重復次數需達到128次，才滿足MCL=164 dB的覆蓋要求。同等覆蓋距離下，Standalone方式的下行速率比其他兩種部署方式要高。需要說明的是，下行速率為單子幀瞬時速率，未考慮調度時延、HARQ反饋等開銷[8]。

2.2 功率譜密度對覆蓋能力的增強

NB-IOT獨立部署，下行發射功率可獨立配置，如表4所示。當總的發射功率為20 W時，NB-IOT功率譜密度與GSM相同，但比LTE FDD功率譜密度高14 dB左右。在Inband和Guardband工作方式下[9]，可以配置NB-IOT與LTE的功率差，如NBIOT比LTE功率高6 dB，此時NB-IOT下行功率仍比GSM功率低8 dB。eMTC在功率譜密度上并未比NB-IOT低6～14 dB。

表4中，假設NRS功率配置比CRS功率高6 dB，則LTE FDD 10 MHz發射功率為46 dBm，eMTC占用1 080 kHz的總功率為36.8 dBm。

上行功率譜密度的對比關系，如表5所示。NB-IOT上行終端最大發射功率比GSM低10 dB，但由于NB-IOT的最小調度帶寬為3.75 kHz或15 kHz，因此NB-IOT上行功率譜密度比GSM高0.8～6.9 dB。eMTC終端最大發射功率為23 dBm，最小調度帶寬為1個RB（180 kHz）。它的上行功率譜密度與LTE相同，但比GSM低10 dB，因此eMTC上行功率譜密度比NB-IOT低11～17 dB。

表3 NPDSCH解調門限

表4 GSM、LTE與NB-IOT、eMTC下行功率譜密度比較

表5 GSM、LTE與NB-IOT、eMTC上行功率譜密度比較

需注意的是，除了功率譜密度上有所變化外，覆蓋增強還通過重復發送和跳頻實現；eMTC在功率譜密度上無增強，主要通過重復、跳頻實現覆蓋增強。

2.3 上行重傳帶來的覆蓋增強

NB-IOT的三種部署方式（Standalone、Guardband和Inband）在上行可用資源方面相同，因此上行信道的性能接近[10]。

2.3.1 NPRACH重復

NPRACH 重 復 次 數｛1，2，4，8，16，32，64，128｝。重復次數達到32次時，可滿足MCL為164 dB的覆蓋要求。3GPP標準定義NPRACH重復次數為2的冪次方，重復次數不完全滿足標準定義，實際使用時略有差異。

2.3.2 NPUSCH重復

NPUSCH采用QPSK調制[11]，仿真結果如表6所示，發送接收天線為1T2R。RU個數的取值范圍為｛1，2，3，4，5，6，8，10｝，表7中部分取值與標準定義不完全匹配。需說明，上行速率為單子幀瞬時速率，未考慮調度時延、HARQ反饋等開銷。

2.4 eMTC覆蓋增強技術

2.4.1 eMTC下行覆蓋增強

由于LTE下行各信道覆蓋能力不同，eMTC各信道都可通過重復發送以達到MCL=155.7 dB的覆蓋目標。PBCH在傳統LTE系統PBCH單次發送的基礎上可重復20次，理論上可獲得13 dB左右的覆蓋增益；MPDCCH定義最多可重復256次，當MCCE聚合等級為8時，重復100～200次覆蓋可增強20 dB左右；MPDCCH還定義了16及32聚合等級，其重復次數將進一步降低；MPDSCH定義最多可重復2 048次，當重復147次時，覆蓋可增強20 dB左右。

2.4.2 eMTC上行覆蓋增強

由于傳統LTE各信道的覆蓋能力不同，為了滿足MCL=155.7dB的覆蓋目標，各信道需要提升不同程度的覆蓋能力8.5～15 dB，如表7所示。

上行各信道通過重復發送MCL=157.7 dB的覆蓋目標，各信道需要重復的次數如表8所示，低于3GPP定義的最大重傳次數[12]。

表6 NPUSCH解調門限

表7 eMTC上行信道仿真結果 /dB

表8 eMTC上行信道仿真結果 /dB

3 NB-IOT覆蓋范圍仿真

為了能夠很好地實現廣域覆蓋和深度覆蓋，NB-IOT相對于我國較為傳統的物聯網技術，能夠很好地增強將近20 dB。只有真正通過利用有效調整參數，盡可能增大MCL（耦合損耗），才能夠最大限度滿足NB-IOT物聯網覆蓋增強對其提出的各種要求，因此對覆蓋范圍進行仿真至關重要。選擇一個區域，在OPNET中采用多UE（User Equipment） 調 動 策 略 和 MCS（Modulation and Coding Scheme）動態調整方法，測試在NB-IOT物聯網運行過程中是否接收到FTP（File Transfer Protocol）。仿真結果如圖1和圖2所示。

因為NB-IoT的信道帶寬比LTE網絡窄，所以NB-IOT網絡每秒接收到的業務字節速率比LTE網絡小。由圖1和圖2可知，在帶寬為20 MHz下，把UE部署在兩個較長距離范圍內，只有NB-IOT可以與eNodeB進行通信。因此，NB-IOT比LTE覆蓋范圍廣。

圖1 UE_MCS_0_0的FTP通信接收量

圖2 UE_MCS_9_0的FTP信道接收量

4 結 語

本文對NB-IOT覆蓋增強技術進行深入分析與探討，對NB-IOT和LTE覆蓋范圍進行仿真，通過圖形對比分析可以得出NB-IOT廣覆蓋的優勢。新一代的NB-IOT網絡技術是演進和市場競爭的綜合產物。由于未來的市場被一致看好，設備廠商在標準制定過程中曾激烈爭奪話語權，預期達到的特性指標基本一致，標準也仍在加速制定中。目前，產業鏈也在積極開展試驗測試和試商用，不遠的將來，NB-IOT網絡技術將可能被廣泛應用于不同的垂直行業，并就此開啟萬物互連的新領域和新時代。

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