傳統蜂窩網對NB-IoT物聯網性能的影響研究*

于曉陽

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

NB-IoT（窄帶物聯網）是3GPP引入的新功能，未來無線系統的部署中，NB-IoT系統將與相同地理區域內的其他無線通信系統相鄰，以便改善頻譜資源的使用。同時，由于通信設備發送器、接收器的非線性特性，可能發生兩個系統之間的相互干擾影響[1］?？紤]系統間的共存影響對于頻譜規劃以及如何實施網絡規劃以提高系統容量和頻譜利用率非常重要。

1 NB-IoT物聯網

1.1 NB-IoT物聯網系統

NB-IoT系統是由3GPP組織定義的CIoT接入技術。作為LTE-M的補充，NB-IoT提供了完整的CIoT解決方案[2］。與傳統的蜂窩網絡系統相比，NB-IoT系統具有以下特征。

（1）改善室內覆蓋，在現有的蜂窩網絡系統上具有20 dB的覆蓋增強。

（2）支持大規模低吞吐量設備。

（3）支持低復雜度的設備。

（4）支持低功耗設備。

（5）支持低延遲靈敏度。

1.2 NB-IoT物聯網與其他系統共存

NB-loT系統支持三種不同模式的部署方案如下：

（1）stand-alone場景，占用獨立頻譜資源的獨立場景，例如使用GERAN系統的頻譜，替換一個或多個GSM載波。

（2）in-band場景，在正常LTE系統載波中占用資源塊的帶內場景。

（3）guard-band場景，保護頻帶場景占用LTE系統保護頻帶內未使用的資源塊。

2 LTE系統對NB-IoT物聯網系統的影響研究

長期演進（LTE）是由3GPP組織開發的UMTS技術標準的長期演進計劃。

2.1 影響評估準則

對于LTE系統的上行鏈路和下行鏈路，如果相對吞吐量損失小于5%，則認為滿足共存性能損失要求。吞吐量損失通過觀察ACLR曲線判斷LTE系統的性能損失。首先，在模擬單系統吞吐量Thrsingle后，引入NB-loT系統的相應鏈路干擾，此時獲得LTE系統的吞吐量，NB-IoT系統產生的系統吞吐量損失計算如式（1）所示：

通過SINR、曲線觀察NB-IoT系統的性能。首先，模擬單個系統的SINR曲線，并引入相應LTE系統的鏈路影響。類似地，獲得NB-IoT系統的SINR曲線，與無影響情況相比，觀察影響情況下SINR曲線損失表明，如果SINR的損耗小于1dB，則可滿足系統共存的性能指標。

表1 NB-loT與LTE系統計算參數

2.2 計算參數

從大規模共存場景的角度來看，stand-alone場景中，需考慮NB-IoT、LTE系統的上、下行鏈路共存影響，in-band、guard-band場景中，考慮NB-IoT系統和上行鏈路處的LTE系統共存影響情況。

2.3 結果分析

2.3.1 stand-alone場景下行鏈路仿真結果

獨立場景中，載波頻率為900 MHz、2 000 MHz。在下行鏈路上，NB-loT系統的子載波間隔統一為20 kHz，下行鏈路共存情況如表2所示。

表2 NB-loT與LTE系統下行鏈路場景

（1）頻率為900MHz

計算LTE系統的吞吐量損失。圖1顯示了載波頻率為900 MHz時LTE系統的吞吐量損失模擬結果。NB-IoT系統通過估計共存情況下的系統組件損耗標準來評估NB-IoT系統的SINR分布，圖2顯示了載波頻率為900 MHz時NB-IoT系統的S1NR分布。

圖1 LTE系統下行鏈路吞吐量損失，900 MHz

圖2 NB-IoT系統SINR下行鏈路損失，900 MHz

（2）頻率為2 000 MHz

當載波頻率為2 000 MHz時，LTE系統的共存影響的吞吐量損失如圖3所示。當載波頻率為2 000 MHz時，NB-IoT系統的共存干擾的SINR分布如圖4所示。

圖3 LTE系統下行鏈路吞吐量損失，2 000 MHz

圖4 LTE系統下行鏈路SINR損失，2 000 MHz

在NB-IoT、LTE系統共存仿真平臺上，運行時仿真程序，統計影響結果是雙向的。

GSM系統BS模板可應用于NB-IoT系統，且在LTE系統的干擾帶內，NB-IoT系統中心頻率的頻率補償被認為大于600 kHz并且等效ACLR被認為大于60 dB。因此，LTE系統吞吐量損失小于1%。雖然假設GSM系統的UE ACS適用于NB-loT系統，但在LTE系統的影響帶寬內，NB-loT系統中心頻率的頻率補償大于600 kHz且等效ACS 被認為大于58 dB。因此，NB-loT系統的SINR與沒有影響的SINR損耗相比較小。

上述分析表明，NB-loT系統和LTE系統可在獨立場景下在下行鏈路上共存，并且在共存時滿足系統性能要求。

2.3.2 stand-alone場景上行鏈路仿真結果

stand-alone場景中，載波頻率為900 MHz、2 000 MHz，鏈接共存如表3所示。

表3 NB-IoT與TLE系統共存上行鏈路場景

假設NB-IoT系統的UE ACLR在LTE影響系統的帶寬內是平坦的，且具有40 dB的值。從仿真結果來看，LTE系統吞吐量損失小于5%。在LTE系統的影響帶寬內，NB-IoT系統中心頻率的頻率補償大于600 kHz，并且等效ACLR大于60 dB。因此，NB-IoT系統single-tone、multi-tone傳輸下，LTE系統的吞吐量損失都很小。

假設GSM系統的BS ACS適用于LTE系統干擾帶寬內的NB-IoT系統，NB-IoT系統中心頻率的頻率補償大于600 kHz，等效ACS大于58 dB 。因此，NB-IoT系統single-tone、multi-tone傳輸下，NB-IoT系統的SINR損耗都是小的。

根據以上分析，如果NB-IoT系統的ACLR大于40 dB且ACS大于40 dB，則stand-alone場景中NBIoT、LTE系統間的上行鏈路共存時，可滿足性能要求。

2.3.3 guard-band場景仿真結果

guard-band場景中，NB-IoT、LTE系統間的共存與stand-alone場景有些不同，表4為NB-IoT、LTE系統共存的場景。

表4 guard-band場景NB-IoT與LTE系統共存場景

從仿真結果可看出，NB-IoT、LTE系統的性能參數處于允許范圍內，且NB-IoT、LTE系統可在保護頻帶場景中共存。

2.3.4 in-band場景仿真結果

in-band場景中NB-IoT、LTE系統的共存與guard-band場景相同，且有必要僅考慮NB-IoT、LTE系統間的共存和影響。表5為NB-IoT系統與LTE系統共存的場景。

表5 in-band場景下NB-IoT與LTE系統共存場景

基于仿真結果，NB-loT系統的LTE系統中的干擾，無論載波頻率在帶內情況下是900 MHz還是2 000 MHz，對于相鄰的第一PRB，有更大的干擾。對相鄰的第二，第三和其他PRB的干擾很小。

從仿真結果可看出，NB-IoT、LTE系統的性能下降在允許范圍內，NB-IoT、LTE系統可在in-band場景中共存。

3 GSM系統對NB-IoT物聯網系統的影響研究

GSM是全球移動通信系統的縮寫，GSM也是由3GPP建立的開放標準。

3.1 計算參數

表6顯示了與GSM系統和UMTS系統共存的NB-IoT系統的模擬參數。

3.2 結果分析

3.2.1 下行鏈路仿真結果

考慮到GSM系統所在的頻帶，兩個系統共存只需模擬900 MHz的載波頻率。下行鏈路NB-loT系統的子載波間隔統一為15 kHz。因此，NB-loT、GSM系統間的下行鏈路共存場景如表7所示。

表7 NB-loT與GSM系統下行鏈路共存場景

NB-IoT系統的BS ACLR在GSM系統的干擾帶內是平坦的，其值為40 dB，GSM系統用戶比例較小。假設GSM系統BS模板適用于NB-IoT系統，相鄰GSM系統載波中NB-IoT系統的等效ACLR被認為大于36 dB，其他GSM系統載波的等效ACLR為60 dB。因此，對于GSM系統載波，GSM系統的暫停用戶數量很少。

假設GSM系統UE ACS適用于NB-IoT系統，考慮到額外的100 kHz保護帶寬，相鄰GSM系統載波中NB-IoT系統的等效ACS被認為是47 dB，GSM系統載波中的等效ACS大于55 dB。因此NB-loT系統的SINR損失很小。

根據仿真結果，NB-IoT系統和GSM系統可在stand-alone場景中在下行鏈路上共存。

3.2.2 上行鏈路仿真結果

考慮到GSM系統所在的頻帶，兩個系統共存只需模擬900 MHz的載波頻率。上行鏈路需在兩種情況下考慮NB-IoT系統的傳輸模式：single-tone傳輸和multi-tone傳輸。因此，表8顯示出了NB-loT、GSM系統鏈路共存情況。

表8 NB-IoT與GSM 系統上行鏈路共存場景

NB-IoT系統的UE ACLR在GSM系統的干擾帶內是平坦的，其值為20～25 dB，且假設GSM系統的用戶數量的增加很小。給定額外的100 kHz保護帶寬，假設GSM系統UE模板適用于NB-loT系統，相鄰GSM系統載波中NB-loT系統的等效ACLR被認為大于36 dB，其他GSM系統載波中的等效ACLR為60 dB。因此，對于GSM系統載波，GSM系統的暫停用戶數量很少。

假設GSM系統BS ACS適用于NB-loT系統，考慮額外的100 kHz保護帶寬，相鄰GSM系統載波中NB-loT系統的等效ACS被認為是47 dB，而另一個是GSM 系統載波中的等效ACS大于55 dB。因此，NB-loT系統的SINR損失很小。根據仿真結果，NB-loT系統和GSM系統可在Stand-alone場景中在上行鏈路中共存。

4 結 語

通過以上研究，得到以下幾點結論：

（1）stand-alone場景下行鏈路情況下，LTE系統吞吐量損失都小于1%。NB-loT系統的SINR與沒有影響的SINR損耗相比較小。stand-alone場景上行鏈路情況下，NB-IoT系統SINR損耗很小。guard-band場景下，NB-IoT、LTE系統的性能下降在設置泄漏模型中處于允許范圍內，且NB-IoT、LTE系統可在保護頻帶場景中共存。in-band場景下，NB-IoT、LTE系統的性能下降在允許范圍內，NB-IoT、LTE系統可在設置泄漏模型中的in-band場景中共存。

（2）NB-IoT、GSM系統可在stand-alone場景中在下行鏈路上共存。NB-IoT系統的UE ACLR在GSM系統的干擾帶內是平坦的，其值為20～25 dB，NB-loT、GSM系統可在Stand-alone場景中在上行鏈路中共存。