基于NB-IoT物聯業務的網絡延伸覆蓋技術

安進朝

（河北遠東通信系統工程有限公司 河北省石家莊市 050200）

在第四代移動通信推廣的背景下，網絡帶給人們的體驗愈加豐富，在網絡速率提升的同時，網絡架構的靈活程度也不斷增加，能夠使人們的需求得到滿足。與此同時，智能技術的普及應用，加強了人與人、物與物和人與物之間的聯系，物聯網的重要作用逐漸被各行各業所重視，成為了廣域移動通信未來發展的方向。在此背景下，以4G 蜂窩網絡為基礎的NB-IoT 應運而生。網絡運營商的基站資源十分豐富，只需要升級軟件或硬件，即可達成廣域物聯服務的目標，目前，物聯網已經成為國內各大網絡運營商的重要業務。在查閱資料后得知，我國物聯網用戶的規模已達1.5 億。借助廣域覆蓋資源，使用戶物聯需求得到滿足，需要網絡運營商進行研究。

1 NB-IoT特點和國內發展現狀

1.1 NB-IoT概述

在科學技術高速發展的背景下，大數據和智能化的時代已經悄然而至，在此背景下，建設新一代的信息基礎設施刻不容緩，以促進通信技術的進一步發展。物聯網技術的高速發展，為人們創造了便利的生活條件，有助于社會的進步和發展，與人們生活之間存在密切的關聯。自改革開放以來，我國居民的生活水平日漸提升，對互聯網性能提出了更高的要求，對物聯網的要求也同樣如此。以傳輸距離為依據，我們可以將物聯網通信技術分為兩大類，分別是短距離通信技術和廣域網通信技術，而NB-IoT 就屬于廣域網通信技術的一種。與Wi-Fi 等短距離通信技術相比，以NB-IoT 為代表的廣域網通信技術，所應用的基站主要包括公有基站和私有基站，故在覆蓋范圍上更為廣泛，可以為物聯網深度覆蓋創造有利的條件。相較于LET 技術而言，廣域網通信技術的窄帶技術可以實現對頻譜的充分利用，故連接數量較多，能夠滿足物聯網海量連接的需求。NB-IoT 的覆蓋率目標為163.7dB，同時采用了窄帶技術，可根據實際需求對其子載波帶寬進行調整，調整范圍是3.75KHz 和15KHz，子載波之間存在15KHz 的間隔。這種窄帶技術的運用，使功率譜密度大幅度提升。NB-IoT 物聯網覆蓋技術的部署方案包括三種，分別是寬內部署、獨立部署和保護帶部署，網絡運營商可結合業務需求，靈活選擇部署方式。

1.2 NB-IoT的特點

將3GPP 標準定義作為依據可知，NB-IoT 具有以下特點：

（1）覆蓋范圍廣；

（2）連接大；

（3）網絡速率低；

（4）時延敏感程度差；

（5）成本低廉；

（6）功耗較低。

因此NB-IoT 在具有相同特點的設備或工作中較為適用，可以取得良好的應用效果。例如：智能抄表、穿戴類設備以及資產跟蹤等。在網絡運營商提供的4G 網絡頻段帶內，NB-IoT 僅需使用頻率為180Hz 的窄頻寬帶，就能獲取非常高的接入能力，在查閱資料后得知，最高接入能力可達50000/載扇，且實現方式較為簡單，網絡運營商只需升級硬件和軟件。

1.3 NB-IoT國內發展現狀

中國移動在2G/3G 物聯網業務中，用戶規模占比高達70%以上，同時在2016年在國內多個城市對NB-IoT 進行外場測試。在進入2017年后，中國移動的申請得到了批準，可以將現有頻段作為基礎建設NB-IoT，之后，中國移動通過招標的方式，計劃在未來建設14.5 萬個基站，并借助基站數量優勢，使快速部署的目標成功實現。

中國電信在2016年的論壇會議上提出了發展物聯的計劃，并計劃在年內部署頻段為800Hz 的NB-IoT 網絡，希望通過這種方式，改善基礎薄弱的現狀，并實現進一步的發展。在查閱統計數據后得知，截止到2018年初，中國電信所建設的基站數量高達31 萬，使廣域全覆蓋目標成功實現，同時與眾多知名企業簽訂了合作協議，這些企業包括海爾、海信和ofo。

中國聯通的NB-IoT 已經實現了對全國大部分城市的覆蓋，并成立產業基金促進物聯網產業的發展，產業基金規模達到了100 億元人民幣。

將現有基站升級方式作為基礎，廣域覆蓋目標并不難實現，但卻無法消除物聯通信和移動通信之間的差別，繼而引發了以下方面的問題：

（1）移動通信基站主要位于人類生活區域，而物與物之間的通信，卻經常遠離人群，甚至在荒無人煙的地方進行，現有基站部署存在覆蓋漏洞，無法從根本上滿足物聯通信的需求。

（2）NB-IoT 對網絡覆蓋深度提出了嚴格的要求，但結合上文可知，NB-IoT 具有網絡使用成本低廉的特點，簡言之，就是用戶僅需花費少量的費用即可享受服務，因此NB-IoT 與傳統通信相比，資費較低。如果網絡運營商為滿足NB-IoT 需要單獨建設網絡，會導致成本無法有效回收，投入與產出不匹配的現象也會隨之發生。

通過上述分析可知，NB-IoT 的發展尚未完善，接下來，本文會將NB-IoT 發生場景、延伸技術、網絡側分析作為基礎，提出減少站點數量并促進網絡覆蓋性能提升的措施，從而解決NB-IoT 發展過程中存在的問題，促使其實現更好的發展[1]。

2 NB-IoT的網絡性能要求

2.1 發生場景

NB-IoT 主要的應用場景如下所述：

（1）公共事業：智能水表、電表和氣表。部署的位置為地下室、外墻和樓梯間；

（2）智慧城市：智能燈桿和停車。部署位置為路邊和室外；

（3）消費醫療：寵物跟蹤。部署位置是寵物身上或周邊區域。

與傳統移動通信相比，NB-IoT 的部署位置相對較多。

2.2 NB-IoT典型場景覆蓋

目前，國內網絡運營商出于成本的考慮，會將傳統移動通信基站作為物聯通信基站，以實現NB-IoT 網絡全覆蓋的目標。但實踐結果表明，這種基站部署方式存在覆蓋漏洞，部分特定場景無法被覆蓋，比如：智能水表、智能電表等等。在查閱統計數據后得知利用現有站址的典型NB-IoT 業務覆蓋率不盡如人意，具體數據如下所述：

（1）智能停車的覆蓋率為81%；

（2）智能電表的覆蓋率為85%；

（3）智能水表的覆蓋率為91%；

（4）ATM 機的覆蓋率為92%；

（5）智能家居的覆蓋率為95.1%；

（6）共享單車的覆蓋率為96%；

（7）智能路燈的覆蓋率為98%。

上述數據為某城市測試所得到的數據，僅具有參考價值[2]。

3 網絡性能提升的措施

結合上文可知，如果將現有基站作為升級部署，很難對特殊位置實現全面覆蓋，繼而引發覆蓋漏洞，與此同時，物聯業務資費較低，如果在弱區建設基站，會導致成本無法回收，建議網絡運營商將周邊網絡和終端采用情況作為依據，選擇合適的延伸技術，通過這種措施，使網絡覆蓋效果得到強化，并在控制建設成本的基礎上，使覆蓋性能增強，為此，本文提出了以下幾種措施。

3.1 網絡延伸

所謂的網絡延伸是指通過信號放大設備的增加，使網絡覆蓋性能提升的方法，這種網絡性能提升措施，有利于節省成本，究其原因，主要是信號放大設備僅需在NB-IoT 業務發生區域增加即可，與此同時，還要加強對舊有網絡天饋系統的使用，在選擇設備時，盡量以價格低廉且功率小的設備為主，比如：微站和無線直放站等等[3]。

上述方法雖然建設成本較低，但適用范圍卻相對較小，如果NB-IoT 業務所在區域并沒有分布式天饋系統或不具備建設天饋系統的條件，則這種方法的應用難度較高，無法發揮應有的作用。反之，如果具備上述條件，網絡延伸技術的優勢可以充分實現。比如：網絡運營商可以對NB-IoT 業務發生區域進行改造和建設，通過微站和直放站的設置，達成預期的目的。在了解后得知，與宏基站相比，此類設備的價格僅為前者的25%左右，網絡運營商可以將業務開展情況作為依據，合理設置微站和直放站，從而在保證網絡覆蓋效果的基礎上，在最大限度上控制投資成本。

3.2 終端延伸

雖然網絡延伸可以取得良好的應用效果，但依然會浪費一定的成本，因此，針對分散的應用，可以使其與外接天線相聯合，構成無源接收系統，使終端側的接收和發送增益得到有效提升，通過這種措施，確保弱覆蓋區域通信質量的提升。在部署終端延伸的過程中，考慮到穿透墻所造成的損耗為10db，在設計過程中，應該盡量將多個聯合設備的穿墻損耗控制在15db 以內，這里所說的損耗主要由器件插損、饋線傳輸損耗和接頭損耗。通常情況下，延伸天線所連接的終端數量不少于6 個，而主天線位置對NB-IoT 信號強度要求相對較高，與終端最小接收電平相比，超出幅度為20dB。且具有安裝便捷和安裝方式靈活的特點，在終端分布較為零散的地區尤為適用，每個終端最高建設成本不超過300 元，平均成本為150 元[4]。

3.3 碼元重復傳輸

為確保物聯網覆蓋增強技術的整體效率，使碼元重復傳輸具有非常高的可行性，究其原因，主要是重復性傳輸，可以使信號碼元的整體傳輸時間延長。碼元重復傳輸的實質就是簡化的信道編碼，雖然會導致系統傳輸效率下降，但有助于提升解調和譯碼的可靠性。尤其是在信噪比的環境下，可以發揮重要的作用。

3.4 應用場景分析

考慮到部分區域屬于覆蓋盲區，且面積相對偏小，故終端數量不超過10 個，集中程度偏低，如果采用集中投資的方式，會導致投入成本無法回收的問題出現，針對此類情況，可以將終端側解決方案作為首要選擇。這里所描述的情況，常見于小型地下室、小型隧道、小型管井等場景之中。改進措施如下：

（1）網絡運營商應加強與終端廠商的合作，要求其在終端上設置隱蔽接收天線；

（2）網絡運營商應將SMA 接口設置到終端天線和主板之間，如果在檢測過程中發現電線無法正常工作，可以將天線設置成外接天線。

如果業務覆蓋盲區過大，連片存在，且終端數量大于10 個，則采取集中投資的方式，簡言之，就是將網絡側的延伸覆蓋方案作為首選。常見于高層樓宇管井、大型地下室和設備機房等場景之中。改進措施如下：

（1）網絡運營商需要將設備覆蓋面積作為依據，做好無線直放站的選擇，確保所選直放站的功率與業務要求相符。除無線直放站之外，選擇功率合適的微站和光纖直放站亦可。

（2）如果覆蓋區域已經存在移動通信系統室內分布系統，可以在原有天饋基礎上進行合路改造，以節省成本。

4 結論

總而言之，物聯網作為國家信息規劃的重要內容，是國內網絡通信技術未來發展的方向，由于NB-IoT 具備諸多方面的優點，使其在低速率、大連接的應用場景之中取得了良好的應用效果。目前，國內外知名網絡運營商紛紛對NB-IoT 進行研究和部署。為實現低投入，高覆蓋率的目標，建議網絡運營商基于實際需求，選擇合適的延伸覆蓋技術。