中國(guó)移動(dòng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案探討-徐濤

中國(guó)移動(dòng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案探討徐濤摘要：本文以中國(guó)移動(dòng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署為方案為研究對(duì)象，先分析NB-IoT基本原理及其部署的技術(shù)要點(diǎn)；之后根據(jù)中國(guó)移動(dòng)的具體要求，研究了其N(xiāo)B-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案的具體思路。本次研究結(jié)果顯示，NB-IoT部署方案主要體現(xiàn)在頻率部署、站間距選擇等方面，因此對(duì)相關(guān)單位而言，在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案確定中，應(yīng)該嚴(yán)格按照上述標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展工作，這樣才能更好的滿(mǎn)足NB-IoT部署方案的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：中國(guó)移動(dòng)；NB-IoT；部署方案；物理信道

前言：愛(ài)立信2016年調(diào)查報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)在2021年，全球的280億個(gè)連接中將達(dá)到157億個(gè)物聯(lián)網(wǎng)連接，其中使用蜂窩網(wǎng)連接數(shù)量約占總數(shù)的9.6%，中國(guó)移動(dòng)作為我國(guó)知名的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商，在當(dāng)前工作中必須要深入了解這一趨勢(shì)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行速率進(jìn)行改進(jìn)，爭(zhēng)取能更好的滿(mǎn)足用戶(hù)需求。與其他技術(shù)相比，NB-IoT技術(shù)具有覆蓋范圍廣、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的首選，因此應(yīng)該得到相關(guān)人員的重視。

1.NB-IoT技術(shù)分析

1.1NB-loT的技術(shù)原理

隨著未來(lái)我國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來(lái)越大，為了更好的滿(mǎn)足未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展要求，相關(guān)學(xué)者開(kāi)始在REL-13中應(yīng)用NB-IoT技術(shù)，并取得成功。從應(yīng)用情況來(lái)看，與傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，NB-IoT技術(shù)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，并且其服務(wù)功能范圍更加廣泛，能夠有效提高物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行水平；在終端方面，NB-IoT技術(shù)僅支持FDD模式，這樣不僅降低了雙工濾波器的成本，也能有效改善2dB的器件插入消耗情況，因此在應(yīng)用上更具有優(yōu)勢(shì)。

有關(guān)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用一直是相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容，有學(xué)者[1-2]在研究評(píng)價(jià)NB-IoT技術(shù)與LTE技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值時(shí)，分別采用兩種技術(shù)對(duì)本地區(qū)進(jìn)行覆蓋仿真分析，分析結(jié)果如圖1所示。

通過(guò)對(duì)圖1的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行觀察后可以發(fā)現(xiàn)，NB-IoT的仿真結(jié)果更加清晰，能夠提供的資料更加豐富，因此該學(xué)者得出結(jié)論：NB-IoT在當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中擁有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

（a）LTE仿真結(jié)果

（b）NB-IoT仿真結(jié)果

圖1兩種方法的仿真結(jié)果

1.2NB-loT的技術(shù)特征

與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，NB-loT具有明顯的先進(jìn)性：

（1）具有更廣闊的覆蓋范圍。物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋率比普通通信業(yè)務(wù)提出了更高的覆蓋率要求，并且部分終端所處的環(huán)境不理想，會(huì)影響信息傳播效果（例如水表與智能手機(jī)，兩者之間存在明顯的高度差異，水表在蓋上蓋子后，它接受無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的能力還會(huì)被進(jìn)一步削弱）。因此，現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿(mǎn)足NB-loT的基本要求。而在這種情況下，通過(guò)采用NB-loT技術(shù)能夠顯著增加其覆蓋水平，獲得更好的信息傳播效果。在這個(gè)過(guò)程中，功率譜密度的計(jì)算公式表示為：

增強(qiáng)值=10log[（功率N/寬帶N）/（功率L/功率L）]

（2）低能耗。一般認(rèn)為，NB-loT的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)本身所具有的特性存在密切關(guān)系。在業(yè)務(wù)定位上，NB-loT被定位在小包、低頻等不敏感的業(yè)務(wù)上，其中小數(shù)據(jù)已經(jīng)成為NB-loT實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)待機(jī)的重要保障?，F(xiàn)代研究技術(shù)證實(shí)[3]，NB-loT終端可以在5Wh的電池容量下使用十年，這是其他技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)。

（3）成本低。NB-loT的業(yè)務(wù)主要為上行業(yè)務(wù)，正是因?yàn)橛羞@種特殊性，在應(yīng)用NB-loT時(shí)可以采用犧牲下行性能的方法控制終端成本。對(duì)于中國(guó)移動(dòng)而言，在應(yīng)用NB-loT技術(shù)中，可以采用半雙工模式來(lái)控制雙工濾波器的成本，并改善其能耗情況，這種方法還有助于擴(kuò)大NB-loT的覆蓋范圍，保證其應(yīng)用效果。

1.3市場(chǎng)應(yīng)用前景

NB-loT在當(dāng)前市場(chǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，主要集中在拓展LPWA市場(chǎng)上，包括公共安全、抄表、交通等。面對(duì)不同的市場(chǎng)需求，NB-loT的應(yīng)用范圍也存在一定的差異，但是從整體情況而言，NB-loT在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，必須要保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，保證其適應(yīng)性，這樣才能強(qiáng)化信息傳輸能力。

2.NB-IoT部署的技術(shù)要點(diǎn)

2.1頻率部署方案

一般在部署NB-IoT時(shí)，其頻率部署方案需要充分考慮其分配頻段與LTE頻段之間的關(guān)系，并分別從In-band、Guard-band、Stand-alone三種模式入手進(jìn)行分析。

其中In-band主要指NB-IoT占用LTE載波的任意一個(gè)物理資源塊（簡(jiǎn)稱(chēng)為PRB）但是在實(shí)際上依然屬于一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。在這種模式中，能夠靈活的增加NB-IoT載波完成載波擴(kuò)展，但是會(huì)導(dǎo)致LTE系統(tǒng)容量降低，無(wú)法保證LTE頻率資源的使用效率。同時(shí)，LTE系統(tǒng)的參考信號(hào)、物理下行控制信道的開(kāi)銷(xiāo)也會(huì)影響NB-IoT的容量水平。其具體的部署方案結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2基于In-band的NB-IoT頻率部署方案結(jié)構(gòu)圖

Guard-band是在LTE保護(hù)帶中部署，因此需要預(yù)留與LTE之間的100kHz以上的保護(hù)帶。在應(yīng)用這種方案時(shí)，可以依靠保護(hù)帶改善頻率的利用效率，但是依然需要充分考慮下行發(fā)射功率對(duì)LTE系統(tǒng)的干擾，因此在應(yīng)用這種模式中也需要考慮NB-IoT的覆蓋問(wèn)題，避免直接影響其運(yùn)行效率。

Stand-alone主要指LTE載波外選擇一段大于180kHz以上的空閑頻譜獨(dú)立部署，在應(yīng)用過(guò)程中需要注意的是，考慮到這種模式下的NB-IoT與LTE工作頻率相互獨(dú)立，因素這種部署模式與上述兩種部署模式相比，不需要考慮對(duì)LTE系統(tǒng)的影響。同時(shí)，這種模式還能在一定程度上條發(fā)射功率（增幅數(shù)值約為13dB）

2.2站間距選擇方案

NB-IoT相對(duì)于LTE20dB覆蓋增強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)1：N的組網(wǎng)部署。在當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，1:N是以現(xiàn)網(wǎng)站為基礎(chǔ)的方式部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，并且在特定的覆蓋要求下，能夠從原網(wǎng)站中按照相應(yīng)的比例完整的部署NB-IoT，其中“N”代表原網(wǎng)站數(shù)量，“1”代表NB-IoT站點(diǎn)數(shù)。

一般在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，影響1：N組網(wǎng)的因素主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）業(yè)務(wù)要求需要綜合考慮其覆蓋深度、覆蓋效率、邊緣速率等因素，并分別對(duì)應(yīng)穿透損耗、慢衰落損耗、電平要求。NB-IoT出去業(yè)務(wù)的需求開(kāi)銷(xiāo)，其余的覆蓋增益能夠保證單站的覆蓋效果，進(jìn)而保證其網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平[4]。

（2）鄰頻保護(hù)帶需要提供更加服務(wù)的可用頻譜資源，這樣在LTE網(wǎng)路中所部署的NB-IoT將會(huì)占用200kHz帶寬，其中兩端的保護(hù)帶寬為10kHz，其余均為有效頻寬。

（3）NB-IoT采用與現(xiàn)網(wǎng)共天饋的方案，例如可以與800MHz共天饋、共BUU建設(shè)等。

3.中國(guó)移動(dòng)NB-IoT部署策略研究

中國(guó)移動(dòng)在NB-IoT部署中，所采用的策略主要包括：

3.1上行子載波帶寬

從當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，NB-IoT的上行子載波帶寬可以選擇3.75kHz，也可以選擇15kHz，兩種載波帶寬的覆蓋范圍、運(yùn)行速率等均存在明顯的差異，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）覆蓋范圍。3GPP仿真結(jié)果顯示，子載波帶寬分別為15kHz與3.75kHz時(shí)均能滿(mǎn)足164dB最大耦合損耗的覆蓋極限要求，但是相比之下，當(dāng)兩種在載波帶寬在正常的覆蓋范圍下，15kHz的上行速率更加明顯。

（2）傳輸速率。在最大限度的覆蓋范圍下，兩種規(guī)格的子載波帶寬的傳輸效率沒(méi)有明顯的差別。但是有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MCL小于150dB的情況下，采用Multi-tone模式能夠顯著增強(qiáng)用戶(hù)的上行速率，而在這種情況下，只有15kHz才能滿(mǎn)足這種模式的應(yīng)用要求。

（3）未來(lái)演進(jìn)。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，5G技術(shù)勢(shì)必會(huì)取代4G而成為人們?nèi)粘Ｉ畹氖走x。在這種大背景下，子載波帶寬為15kHz時(shí)，能夠更好的兼容5GMassiveloT演進(jìn)的要求。

在綜合考慮上述幾點(diǎn)特征之后，本文認(rèn)為在上行子載波帶寬選擇中，中國(guó)移動(dòng)在部署NB-loT時(shí)應(yīng)該選擇15kHz的上行子載波帶寬。

3.2操作模式

根據(jù)上文的研究結(jié)果，現(xiàn)階段所熟知的NB-loT操作模式主要分為三種，具體的資料見(jiàn)表1。

在比較三種操作模式的特征后，本文認(rèn)為獨(dú)立載波操作模式在功率分配、PCI規(guī)劃等方面更具有靈活性，因此中國(guó)移動(dòng)在選擇NB-loT網(wǎng)絡(luò)部署方案過(guò)程中，可以使用Stand-alone的部署模式。

3.3頻率使用策略

考慮到NB-loT網(wǎng)絡(luò)部署只支持半雙工的FDD模式，當(dāng)前中國(guó)移動(dòng)的FDD頻率主要包括900MHz頻段與1800MHz頻段兩種。隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提出了更高的覆蓋能力要求，而相比之下，900MHz頻段的覆蓋能力更強(qiáng)，因此可以成為NB-loT網(wǎng)絡(luò)部署方案中的首選頻段[5]。從另一角度來(lái)看，NB-loT的寬帶為180kHz/載波，而中國(guó)移動(dòng)的900MHz頻段的釋放能力也確實(shí)能滿(mǎn)足NB-loT網(wǎng)絡(luò)部署的基本要求。

從當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用情況來(lái)看，900MHz頻段的應(yīng)用范圍較為廣泛，已經(jīng)成為中國(guó)移動(dòng)GSM語(yǔ)音業(yè)務(wù)的首選承載頻段。因此對(duì)于中國(guó)移動(dòng)而言，在NB-loT網(wǎng)絡(luò)部署中需要充分考慮GSM、NB-loT的基本需要，努力構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一完整的900頻段使用策略。

本文認(rèn)為，當(dāng)前中國(guó)移動(dòng)在900MHz頻段共有19MHz×2的寬帶資源，其中分別為有890-909MHz（上行頻段）與935-954MHz（下行頻段）。因此中國(guó)移動(dòng)在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該先在邊緣處預(yù)留15MHz的帶寬，通過(guò)預(yù)留這部分帶寬來(lái)滿(mǎn)足部署FDD的要求；之后，剩下的頻率可以用戶(hù)NB-loT的部署的要求。在這個(gè)過(guò)程中，可以在NB-loT的頻點(diǎn)兩側(cè)各空閑一個(gè)GSM頻點(diǎn)作為保護(hù)帶，避免NB-loT與GSM之間出現(xiàn)載頻的干擾問(wèn)題而影響運(yùn)行質(zhì)量。

3.4站址選擇策略

根據(jù)未來(lái)中國(guó)移動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展要求，在初期的NB-loT網(wǎng)絡(luò)部署中應(yīng)該保證區(qū)域性的連續(xù)覆蓋。為了滿(mǎn)足這個(gè)要求，在900HMz頻段，應(yīng)該保證NB-loT覆蓋距離達(dá)到GSM900的2-3倍，這樣才能切實(shí)滿(mǎn)足其運(yùn)行要求。同時(shí)還應(yīng)該注意的是，中國(guó)第一棟的GSM站點(diǎn)據(jù)城區(qū)站間的距離要明顯小于GSM的最大覆蓋面積，因此在站址選擇策略確定中，應(yīng)該借助這一特點(diǎn)，通過(guò)在少部分GSM站點(diǎn)上部署NB-loT，來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)線(xiàn)覆蓋的目的。

城區(qū)作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心區(qū)域，中國(guó)移動(dòng)在部署NB-loT的站址選擇中，應(yīng)該按照“先城區(qū)后農(nóng)村”的基本策略部署NB-loT，這樣才能保證NB-loT網(wǎng)絡(luò)部署方案能最大程度上的滿(mǎn)足社會(huì)使用要求。為了節(jié)省部署NB-loT網(wǎng)路的成本，中國(guó)移動(dòng)在實(shí)踐中可以使用現(xiàn)有的GSM站址的50%實(shí)現(xiàn)NB-loT連續(xù)覆蓋，之后根據(jù)需要逐級(jí)增加其覆蓋范圍，保證部署效果。

3.5建設(shè)方式

中國(guó)移動(dòng)在建設(shè)NB-loT網(wǎng)絡(luò)中，所采用的基站建設(shè)分為三種，其具體內(nèi)容如下：

（1）新建NB-loT基站。這種在建設(shè)這種基站時(shí)，需要新增天饋系統(tǒng)、RRU、新增傳輸與時(shí)鐘等。這種基站模式的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，即不會(huì)受到現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的影響，并且能夠獨(dú)立優(yōu)化，因此所發(fā)揮的網(wǎng)絡(luò)性能最為明顯。但是這種模式也具有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是存在投資大、天饋線(xiàn)新建難度大等。

（2）建設(shè)基于TD-LTE的NB-loT基站。在此基站建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)該新建或者替換天饋、新增基帶板等，但是與新建NB-loT基站相比，這種模式能夠與TD-LTE共用主控板與時(shí)鐘。這種基站建設(shè)模式的主要優(yōu)點(diǎn)就是能利舊TD-LTE硬件，并且不影響GSM網(wǎng)絡(luò)性能，投資成本水平一般。但是這種基站建設(shè)方法的主要缺點(diǎn)，就是存在一定的替換或者新建天饋線(xiàn)的難度，難以保證質(zhì)量。

（3）建設(shè)基于GSM的NB-loT基站。這種基站建設(shè)模式能夠充分利用已有的天饋線(xiàn)，但是需要增加新的基帶板、主控板等，并且不支持NB-loT站點(diǎn)，為了保證這種基站模式的正常運(yùn)行，就需要更換新的GSM設(shè)備。與上述兩種基站建設(shè)模式相比，這種基站的建設(shè)速度快，能在短時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足中國(guó)移動(dòng)的要求，短時(shí)間內(nèi)完成NB-loT部署。但是在NB-loT優(yōu)化過(guò)程中，可能會(huì)影響GSM的網(wǎng)絡(luò)性能。

在綜合對(duì)比三種建設(shè)方案后，由于第三種方案可能會(huì)影響GSM網(wǎng)絡(luò)性能，這對(duì)于NB-loT網(wǎng)絡(luò)部署而言是不利的，因此可以從第一種方案與第二種方案中選擇一個(gè)。

結(jié)論：NB-IoT已經(jīng)成為未來(lái)中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的核心組成部分，在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。在這種情況中，中國(guó)移動(dòng)進(jìn)一步明確了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署的基本思路，能夠顯著提高自身的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平，讓自己在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，因此具有社會(huì)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值?？傮w而言，在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署中，需要充分考慮頻率部署方案、站間距選擇方案等所產(chǎn)生的影響，努力改進(jìn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案的應(yīng)用思路，使其能更好的服務(wù)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢(qián)小聰，穆明鑫.NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化、技