GSM、NB-IOT、FDD平滑演進及組網(wǎng)策略

王楚鋒，丁 遠

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)），是IOT領(lǐng)域的一個新興技術(shù)，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)平滑升級。目前，三大運營商以及各大廠商均在NB-IoT方面取得了重要進展。尤其在2017年經(jīng)過NB-IoT一期和擴大試驗網(wǎng)后，實現(xiàn)了全國346個城市的NB-IoT連續(xù)覆蓋和全面商用[1]。預(yù)計后續(xù)NBIoT將延續(xù)2017年的強勁發(fā)展勢頭，三大運營商的網(wǎng)絡(luò)將全面支持NB-IoT技術(shù)，部署規(guī)模也將逐步擴大。

NB-IoT的技術(shù)特點如下：

（1）NB-IoT只消耗約180 kHz的帶寬，相當(dāng)于LTE系統(tǒng)的1個RB，大大節(jié)省了帶寬資源。下行采用基于15 kHz子載波間隔的OFDMA方案，上行采用SC-FDMA技術(shù)，載波間的間隔較GSM 200 kHz少了很多，大大減少了小區(qū)間干擾，且與現(xiàn)有LTE系統(tǒng)兼容。

（2）NB-IoT一方面通過控制面信令實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)的傳輸，即利用控制面?zhèn)鬏斢脩魯?shù)據(jù)，減少終端、無線和網(wǎng)絡(luò)信令，另一方面在終端空閑狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)仍存儲終端重要的上下文信息，以快速重建連接，大大降低了網(wǎng)絡(luò)信令的交互，同時降低了設(shè)備功耗。

（3）NB-IoT采用更多重傳次數(shù)帶來HARQ增益，以更低速率換取覆蓋增益，較LTE提升20 dB增益，相當(dāng)于發(fā)射功率提升了100倍，即覆蓋能力提升了100倍，即使在地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方也能實現(xiàn)覆蓋。

GSM將逐步演進至NB-IoT和FDD。其中，NBIoT由于其低成本、廣覆蓋的特點，將用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信。例如，用于靜態(tài)場景，如智能抄表、智能天關(guān)和智能井蓋等。而FDD在語音通話、高帶寬速率及移動性方面存在優(yōu)勢，更適合應(yīng)用于移動需求的場景，即用于手機終端和其他可移動性設(shè)備。將NBIoT和FDD混合組網(wǎng)后，將涉及更多交互協(xié)同類的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如產(chǎn)品全流程管理、智能泊車、共享單車、融資租賃、遠程健康、智能路燈和空氣檢測等。為表述簡便，下文將GSM、NB-IOT和FDD簡稱為GNF。

1 GNF平滑演進方案

隨著VoLTE的快速全面開通，GSM頻段作為最重要的黃金頻譜資源須重耕。

實現(xiàn)GSM演進至NB-IoT和FDD，可分三步走：第一步將GSM頻率逐步過渡至NB-IoT；第二步將GSM老舊設(shè)備改造成NB-IoT/FDD適配設(shè)備；第三步后臺開通FDD網(wǎng)絡(luò)。

1.1 頻率演進

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)峰值數(shù)據(jù)和語音話務(wù)量，查ERL B表得到每小區(qū)的載頻配置和小區(qū)平均載頻配置，可計算出[2]：

如圖1所示，初期GSM話務(wù)量較大，暫只清頻5 MHz用于FDD；未來隨GSM 900 MHz用戶遷移進一步釋放頻率資源，最終FDD占用GSM 900 MHz的10 MHz帶寬。同理，GSM 1 800 MHz也逐步釋放頻譜資源，最終FDD將占用GSM 1 800 MHz的20 MHz帶寬。

GSM 900 MHz重耕滿足NB-IoT建設(shè)需求，并兼顧未來FDD的頻譜需求。充分利用20 MHz頻段，可將NB-IoT配置在高頻段，F(xiàn)DD配置在低頻段。GSM頻譜重耕流程共分成四個階段，如圖2所示。隨著GSM網(wǎng)絡(luò)負荷的減輕，需逐步擴展FDD的帶寬。NBIoT&FDD雙模下，天饋產(chǎn)生的互調(diào)最小，可避免對上行的干擾；NB-IoT功率譜密度高，遠離GSM規(guī)避干擾。

1.2 設(shè)備改造

現(xiàn)網(wǎng)老舊GSM設(shè)備體積大、功耗大、配置剩余功率有限、不支持2T2R或4T4R，無法滿足NB&FDD升級需求，因此須將老舊GSM設(shè)備改造為體積小、功耗小、功率配置充足的新型設(shè)備。2018年開啟了GSM老舊設(shè)備改造工程，將原來體積大、功耗大的設(shè)備全部替換為新型多網(wǎng)融合的設(shè)備。以華為2G設(shè)備為例，原GSM存量設(shè)備為BTS3012，需改造為BTS3900；若存量2G設(shè)備為BTS3900，需將MRFU V2板更換為MRFUd板，以支持2T2R；愛立信須將RBS2202/2206/6201改造成RBS6601。

圖1 GSM頻譜重耕過程

圖2 GSM退網(wǎng)四步驟

1.2.1 設(shè)備改造策略

針對不同區(qū)域不同網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求，分場景部署FDD/NB演進方案。對需要補盲或解決容量問題的站點，建議共址新建NB/FDD網(wǎng)絡(luò)；對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求高的核心區(qū)域，主推TDD升級；農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)建議GSM升級，如圖3所示。在FDD&NB建設(shè)的同時預(yù)留相關(guān)資源，具備對GSM老舊設(shè)備進行反向整合能力，優(yōu)化站點資源結(jié)構(gòu)。這與2018年大范圍改造GSM舊設(shè)備工程相吻合。

圖3 不同場景下不同演進方案

1.2.2 BBU改造方案

考慮到建設(shè)成本、站點天面資源及風(fēng)險因素，采用利舊GSM現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進行升級的方式部署NB-IoT，同時兼顧FDD。

在基于GSM部署NB-IoT和FDD網(wǎng)絡(luò)的實際部署中，對支持GSM/NB-IoT/FDD三系統(tǒng)共框的設(shè)備來說，需新增NB-IoT基帶板和FDD基帶板；對于不支持GSM/NB-IoT/FDD三系統(tǒng)共框的老設(shè)備則應(yīng)進行替換。下面以華為BBU改造方案為例，如圖4所示。

①在TDD框中新增FDD/NB基帶板UBBPd4或UBBPd6；

②TDD和FDD共主控共傳輸；

圖4 BBU改造方案

③新增GSM主控板GTMUb，在Slot6槽位；

④如果是老BBU3900框，需要更UPEUa為UPEUc，F(xiàn)ANa更換為FANc，擴容后BBU3900配置2塊UPEUc；如果是BBU3910，則不需要更換FAN和UPEU。

1.2.3 天饋改造方案

天饋改造方案細分成三種，如圖5所示。

圖5 天饋改造方案

方案1，新建天饋方案。天饋獨立建設(shè)，可獨立調(diào)整方向角，實現(xiàn)FDD/NB性能最優(yōu)，且不影響現(xiàn)網(wǎng)GSM/TDD網(wǎng)絡(luò)性能。

方案2，共天饋方案（四/八端口天線替換雙端口天線）。用四端口獨立電調(diào)天線替換現(xiàn)網(wǎng)天線，可以利用原有天面位置，獨立調(diào)整下傾角。如果現(xiàn)網(wǎng)有GSM和DCS共存時，可采用8端口天線，即2端口→原G900，2端口→原DCS1800，4端口→NB/FDD。

方案3，合路共天饋方案。方向和下傾都不能獨立調(diào)節(jié)。新增合路器，有插損，工參無法獨立調(diào)整，對網(wǎng)絡(luò)性能影響較大；引入新的故障點。

上述三種方案若有條件，優(yōu)先選擇新建天饋；天面緊張或物業(yè)協(xié)調(diào)遇阻時，可采用四/八端口天線方案，不建議合路器方式。

城市區(qū)域。FDD/NB要面向目標網(wǎng)實現(xiàn)連續(xù)覆蓋。為保證良好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，同時綜合考慮物業(yè)溝通和實施難易程度，優(yōu)先采用替換具備獨立電調(diào)功能的天線與現(xiàn)網(wǎng)基站共天饋部署，有條件可單獨新建天線。

農(nóng)村區(qū)域。FDD/NB主要是單點廣覆蓋，沒有連續(xù)覆蓋需求，優(yōu)先采用天饋與RRU利舊與GSM共天線；當(dāng)FDD/NB部署2T4R或4T4R設(shè)備時，可替換原有天線為普通4通道天線實現(xiàn)GSM/FDD/NB共用。

1.3 開通FDD網(wǎng)絡(luò)

上述頻率演進和設(shè)備改造過程都預(yù)留了FDD資源及接口。待調(diào)試通過后，可立即遠程在線配制數(shù)據(jù)開通，最終借助現(xiàn)有4G用戶優(yōu)勢打造TDD+NB-IoT+FDD多網(wǎng)融合的精品pre-5G網(wǎng)絡(luò)。

2 GNF演進工程案例

東莞NB/FDD建設(shè)選取企石、橫瀝、望牛墩三個連片區(qū)域，GSM 1 800 MHz區(qū)域升級共計19個站點。

2.1 GSM頻譜清頻

采用三明治方案，清頻區(qū)域為1 812.5～1 817.5 MHz共5 MHz頻譜空間，如圖6所示。5 MHz頻譜提供給FDD/NB-IoT使用，其中NB-IoT頻段大于FDD頻段。

2.2 設(shè)備改造方案

2.2.1 GL升級改造方案

如圖7所示，現(xiàn)網(wǎng)為BTS3900系列，新增FDD UBBPd6基帶板；新增MRFU射頻模塊，雙拼支持2×2 MIMO；新增主控板UMPTb；新增傳輸，與TDD共網(wǎng)管；基站版本SRAN 8.0；EPC接入華為核心網(wǎng)[3]。現(xiàn)網(wǎng)為三代基站BTS3012系列，使用支持GL雙模的BTS3900進行替換；利舊現(xiàn)有天饋，天面無需改動。

圖6 清頻過程

圖7 GL升級BBU改造方案

2.2.2 共址TDD新建FDD/NB方案

如圖8所示，新增FDD UBBPd6基帶板，與TDD共用主控板、時鐘、傳輸和網(wǎng)管；基站版本SRAN 10.1，EPC接入華為核心網(wǎng)；新增雙拼2個FDD RRU3959 2×60 W模塊支持4T4R，新增8端口天線替換現(xiàn)網(wǎng)雙極化天線。

2.3 測試結(jié)果

GNF站點開通后進行拉網(wǎng)路測。經(jīng)分析定點，4T4R較2T2R下行速率有40%～110%的增益，上行速率有50%～100%的增益。拉網(wǎng)平均吞吐率增益在50%以上，邊緣速率增益有136%[4]，如圖9所示。

圖8 新建FDD/NB方案

圖9 拉網(wǎng)路測結(jié)果

2.4 部署建議

站點實施過程中，從建設(shè)成功率、建網(wǎng)成本、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)維護和多模演進五方面維護對比，如圖10所示，得出下列結(jié)論：

（1）從綜合規(guī)劃、建設(shè)、維護和未來演進來看，TF融合共BBU組網(wǎng)綜合成本優(yōu)于GL升級模式；

（2）FDD獨立天面相對于GL共天面，F(xiàn)DD 1 800 MHz拉網(wǎng)增益超過35%以上；從GSM/TDD/FDD多網(wǎng)性能最優(yōu)考慮，能新增天面站點，F(xiàn)DD優(yōu)先獨立天面建設(shè)[5]；

（3）2T2R TF新建站點建設(shè)成功率相對較低；GL升級站點建設(shè)成功率較高；本次4T4R建設(shè)站點位置相對較偏且站點數(shù)量少，建設(shè)成功率達到100%；

（4）盡量與TDD共網(wǎng)管，同一維護團隊，節(jié)省OPEX投資；

（5）TF融合建網(wǎng)支持TF CA等關(guān)鍵演進特性，確保網(wǎng)絡(luò)整體性能持續(xù)領(lǐng)先。

圖10 組網(wǎng)方案對比

部署建議。對需要確保網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，建設(shè)FDD/NB精品網(wǎng)的區(qū)域，建議優(yōu)先采用共址TDD融合組網(wǎng)方式部署；針對其中有物業(yè)問題或處于敏感區(qū)域的站點，建議可使用GL升級方式建網(wǎng)部署。

3 結(jié) 論

本文首先討論了NB-IoT的概念、發(fā)展趨勢及技術(shù)特點，其次闡述GSM退頻逐步演進至NB-IoT和FDD的過程，并針對不同場景提出了BBU和天饋的各種改造方案，最后結(jié)合東莞NB/FDD試點工程案例實施過程中遇到的問題及路測結(jié)果，提出NB/FDD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的建議和演進方案。