NB—IoT组网方案研究

李建军

【摘 要】为了研究NB-IoT在LTE网络中的组网方案，介绍了基于LTE的NB-IoT技术特征以及典型应用场景，并根据NB-IoT的特点对3种频率部署方案进行分析，提出了4种在LTE网络中部署NB-IoT的组网方案。通过对不同组网方案进行不同场景的测试分析，结果表明以RSRP=-125dBm作为最小电平接入门限要求，在NB-IoT、LTE站点数为1：3和1：4组网情况下，只有室外场景覆盖率可以达到99%。根据测试结果，建议在市区选择站点数为1：1的组网方案。

【关键词】NB-IoT LTE 频率部署 组网方案

1 引言

物联网是由物主动发起传送、物物相连的互联网，涉及生产和生活各个领域。全球物联网市场呈现空间大、增速快的特点，中国市场增长潜力巨大，有望超越美国成为全球第一大市场。物联网业务根据业务特点通常可分为三类：无需移动性、上行数据量大、需较宽频段的业务（如城市监控网）；移动性强、需执行频繁切换、小数据量的业务（如车联网）；无需移动性、小数据量、对时延要求不敏感的业务（如智能抄表、智能停车、智慧农业、资产跟踪等）。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）属于第三类物联网，是一种可与现有蜂窝网络融合演进的低成本、高可靠性、高安全性的广域物联网技术。当前全球物联网蓬勃发展，预计2020年全球物联网链接设备数将超百亿，其中运营商份额占比10%，因此NB-IoT市场广阔。本文以中国电信800 MHz频段LTE网络为研究背景，介绍了NB-IoT技术特征以及应用场景，并通过实测分析了不同站间距对NB-IoT网络覆盖的影响。

2 NB-IoT技术特征及市场应用

2.1 NB-IoT技术特征

（1）超强覆盖：NB-IoT比LTE覆盖增强20 dB以上。

物联网的覆盖率要求比普通通信业务覆盖率要求更高，并且部分终端所处无线环境不理想，如水表与智能手机相比不但存在高度差，而且盖上盖子后会额外增加穿透损耗。因此，现有LTE网络无法满足NB-IoT的覆盖要求，NB-IoT可通过提升功率谱密度、增加重传次数来有效提升覆盖能力。功率谱密度增强可以表示为：

功率谱密度增强值=10log[（功率N/带宽N）/（功率L/带宽L）] （1）

在下行链路中，当发射功率为43 dBm、频谱方案选择Stand-alone方案时，NB-IoT（180 kHz）功率谱密度比LTE（10 MHz频宽）增强17 dB；当发射功率为35 dBm、频谱方案选择In-band方案时，NB-IoT（180 kHz）功率谱密度比LTE（10 MHz频宽）增强6 dB。

在上行链路中，发射功率为23 dBm，子载波方案选用Single-tone模式，当子载波间隔为15 kHz时，NB-IoT（180 kHz）功率谱密度比LTE（10 MHz频宽）增强10.8 dB；当子载波间隔为3.75 kHz时，NB-IoT（180 kHz）功率谱密度比LTE（10 MHz频宽）增强16.8 dB。

增加重传次数。NB-IoT的重传次数达到16次，通过更多的重传次数可获得9～12 dB的增益。

（2）超低功耗：NB-IoT终端可在164 dB路损、5 Wh电池容量的情况下使用10年。

待机时长与物联网业务本身的特性相关，NB-IoT业务定位为低频、小包、时延不敏感业务，小数据、低频次的业务特性是NB-IoT终端实现超长待机的重要因素；不同的业务模型以及覆盖等级，待机时长会有很大差异，可以通过增加深度睡眠模式及加长唤醒周期等方式使系统更加省电。

（3）超大链接：网络目标容量为每小区5万以上用户数。

上行采用Single-tone传输方式可提高载波的利用效率，通过全新的、更高效的随机接入过程及全新的专用控制信道以进一步提升网络容量。

（4）超低成本：终端芯片不超过5美元。

NB-IoT业务以Massive MTC（Machine Type Communication，机器类型通讯）上行业务为主，覆盖是关键，受限于上行，因此可通过牺牲下行性能实现终端成本的下降，如采用终端单接收天线方案、降低终端发射功率等。又因为Massive MTC业务速率和延迟要求极其宽泛，所以可考虑降低终端的峰值速率以减少缓冲区存储空间，降低编码器复杂度；采用半双工模式以节省双工滤波器成本，并可以消除双工滤波器带来的器件损耗，进一步扩大覆盖。

2.2 NB-IoT市场应用

NB-IoT主要用于拓展LPWA（Low Power Wide Area，低功耗广域技术）市场，应用场景包括抄表、交通、公共安全等领域。表1列举了部分NB-IoT典型应用场景的业务特性。

不同的NB-IoT业务对网络的需求不同，如三表（水、电、气）、路灯等固定位置业务只需要网络做定点覆盖，而移动性较强的业务则需要广覆盖网络；话务模型的不同，导致对网络速率要求的差异；设备位置的不同，对深度覆盖要求也不一致。

3 NB-IoT部署方案

3.1 頻率部署方案

NB-IoT频率部署方案可按其分配频段与LTE频段的关系分为In-band、Guard-band、Stand-alone模式，具体如图1所示。

（1）In-band是指NB-IoT占用LTE载波的任意一个PRB（Physical Resource block，物理资源块），但逻辑上仍是独立系统。In-band模式能够较为灵活地通过增加NB-IoT载波进行载波扩展，但是会占用LTE的频率资源，使得LTE系统容量降低，同时LTE系统的RS（Reference Signal，参考信号）、PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）开销也会导致NB-IoT容量降低。此外，In-band模式还需控制下行发射功率以降低对LTE的干扰，因此会降低NB-IoT的覆盖，并且NB-IoT载波不应放置于LTE频段中间，以免影响LTE单用户上行峰值速率。

（2）Guard-band是在LTE保护带中部署，需要预留和LTE之间的100 kHz以上的保护带。利用保护带可提升频谱利用效率，但是依然需要考虑下行发射功率对LTE系统的干扰，因此Guard-band与In-band模式一样会降低NB-IoT的覆盖。

（3）Stand-alone是指在LTE载波外选择一段超过180 kHz以上的空闲频谱独立部署。由于与LTE工作频率相互独立，因此相比其他两种部署方式，无需考虑对LTE系统的影响，与带内部署相比Stand-alone模式可以增加下行发射功率13 dB左右，能够有效增大系统下行能力。但是，独立部署方案需额外占用频谱资源，并需要留出一定的频率保护间隔，而实际上真正可用于部署的频率资源并不丰富。

3.2 站间距选择方案

NB-IoT相对LTE 20 dB的覆盖增强，是实现1：N组网的基础。所谓1：N组网，是以现网站点为基础部署NB-IoT网络，在满足一定的覆盖要求下，可以从原网站点中按照1：N的比例调整站点进行NB-IoT部署，其中N代表原网站点数，1代表NB-IoT的站点数。

如图2和图3所示，用颜色标识的是NB-IoT与原网共站建设站点，其余站点为没有NB-IoT的站点。1：3组网NB-IoT站间距为原网的1.73倍，1：4组网NB-IoT站间距为原网的2倍。

1：N组网的影响因素主要有三大方面：业务要求、邻频保护带要求、是否共天馈。

具体如下：

（1）业务要求需综合考虑覆盖深度、覆盖率以及边缘速率，分别对应穿透损耗、慢衰落损耗以及电平要求，NB-IoT相对LTE的20 dB增益，除去业务需求开销，剩余的覆盖增益可增加单站覆盖面积，提升NB-IoT网络覆盖率。

（2）邻频保护带要求需提供更多可用频谱资源，LTE中部署的NB-IoT占用200 kHz带宽，其中两端各10 kHz保护带宽，剩余有效频宽180 kHz。

（3）NB-IoT采用与现网共天馈的方案，以中国电信800 MHz频段LTE部署NB-IoT为例，NB-IoT可以与800 MHz LTE共天馈、共RRU、共BBU建设。

此外，室内盲区可通过大数据评估分析，并考虑采用小基站、合路C网室分、新增直放站、手机伴侣等手段进行盲区覆盖。

4 测试分析

在中国电信800 MHz频段的LTE网络中采用Stand-alone模式部署NB-IoT系统，对不同场景、不同组网方案进行组网测试。NB-IoT终端用户场景分别为室外、室内、室内+10 dB、室内+20 dB；组网结构中NB-IoT站点数与800 MHz频段LTE站点数的比例分别选取1：1、1：3、1：4。测试区域共计LTE站点58个，具体站点信息如表2所示：

对终端功率为2×5 W和2×10 W这两种情形进行覆盖率测试，测试结果分别如表3和表4所示。

由表3和表4可知，在2×5 W、2×10 W功率配置下，仅红色标识部分达到99%的覆盖要求；以RSRP= -125 dBm作为最小电平接入门限要求，在1：3和1：4组网情况下，只有室外场景覆盖率可以达标；采用Stand-alone模式、2×5 W的NB-IoT功率配置，在1：1组网情况下，可基本满足业务需求，在深度覆盖要求较高、穿透损耗较大的场景，2×10 W功率配置可以提升覆盖率。

5 结束语

物联网市场潜力巨大，是运营商的必争之地，现阶段NB-IoT业务需求主要集中在公共事业（水、电、气抄表）和市政设施（井盖、路灯杆、消防设施等）等。通信全面进入4G时代，低频段LTE网络是NB-IoT最优选择。本文首先介绍了NB-IoT广覆盖、大链接、低功耗、低成本的技术特征以及一些典型的市场应用；然后分析了NB-IoT的3种频率部署方案（In-band、Guard-band、Stand-alone），并将NB-IoT应用场景建模形成4种不同场景；最后对不同场景、不同组网方案进行测试分析，结果表明在Stand-alone模式下，以RSRP=-125dBm作为最小电平接入门限要求，1：3和1：4组网情况下只有室外场景覆盖率可以达到99%，提升终端功率配置可解决更高要求的深度覆盖问题。综合分析测试结果，建议在市区内做NB-IoT的连续覆盖，并采用1：1的组网方案。

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