基于理論和實(shí)測(cè)的NB-IOT覆蓋分析

佘 莎 黃嘉銘

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基于理論和實(shí)測(cè)的NB-IOT覆蓋分析

佘 莎 黃嘉銘

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000

NB-IoT是一種低成本的高可靠性、高安全性廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本等特點(diǎn)，逐漸受到運(yùn)營(yíng)商的青睞。目前，主流運(yùn)營(yíng)商都在加緊研究和部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。基于此，重點(diǎn)對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能進(jìn)行了研究分析，通過(guò)理論鏈路預(yù)算、仿真分析、實(shí)際測(cè)試等多種手段，掌握NB-IoT的覆蓋能力，對(duì)后續(xù)的商用網(wǎng)絡(luò)部署提供參考。

NB-IoT；鏈路預(yù)算；仿真

1 研究背景和意義

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｖ腔奂彝ァ④嚶?lián)網(wǎng)、公用事業(yè)等是運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)的最佳行業(yè)切入點(diǎn)。

移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)按照不同的支持速率，可以分為低速率、中速率、高速率三大類，其中低速率場(chǎng)景最常見(jiàn)，占比在60 %～70 %。NB-IoT是低速率廣覆蓋場(chǎng)景中的一種網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，相對(duì)短距通信、私有技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，它是3GPP定義的標(biāo)準(zhǔn)制式，可與現(xiàn)蜂窩網(wǎng)融合演進(jìn)，是一種低成本的高可靠性、高安全性廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

目前，主流運(yùn)營(yíng)商都在加緊研究和部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。提前了解掌握NB-IOT的覆蓋能力，有助于幫助運(yùn)營(yíng)商快速部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

2 NB-IoT覆蓋分析：鏈路預(yù)算

同傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)一樣，NB-IoT仍然是上行鏈路受限系統(tǒng)，覆蓋距離按上行鏈路預(yù)算計(jì)算。在鏈路預(yù)算過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮物聯(lián)網(wǎng)終端所處位置對(duì)穿透損耗預(yù)留的影響，某些場(chǎng)景下，NB-IoT信號(hào)甚至要求穿透室內(nèi)兩堵墻。因此，在做覆蓋鏈路預(yù)算分析前，有必要針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)用戶所處的位置，進(jìn)行穿透損耗的實(shí)測(cè)，以確定鏈路預(yù)算中的穿透損耗取值。

2.1 實(shí)測(cè)穿透損耗

為了解NB-IoT網(wǎng)絡(luò)究竟要比普通大網(wǎng)預(yù)留多少額外穿透損耗，測(cè)試水/電表安裝場(chǎng)景相對(duì)于正常打電話場(chǎng)景（不是指主干道或室內(nèi)）穿透損耗的差異，我們針對(duì)水表/電表進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)景包含城中村、高層住宅、停車場(chǎng)、寫(xiě)字樓等。見(jiàn)表1。

穿透損耗測(cè)試方法：

（1）在用戶正常撥打電話位置記錄測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度平均值；

（2）在電表安裝位置記錄測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度平均值；

（3）上述記錄的兩值差值即為平均穿透損耗。

從現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試情況看，不同場(chǎng)景損耗各有不同，平均穿透損耗最大平均17.8 dB，NB-IoT的20 dB+覆蓋能力增強(qiáng)需考慮這部分穿透損耗。

表1

測(cè)試場(chǎng)景正常打電話位置測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度（平均）dBm電表安裝位置測(cè)量信號(hào)強(qiáng)（平均）dBm平均差值（dB）最大差值（dB） 城中村（電表安裝在室內(nèi)）-73.2-89.416.225.0 高層住宅-54.0-71.817.826.0 停車場(chǎng)-80.0-96.016.016.0 高層住宅樓，電表安在1F強(qiáng)電井內(nèi)-52.8-62.09.320.0 城中村，電表安裝在1F室外外墻-64.7-66.21.59.0 寫(xiě)字樓，電表安在1F室外外墻-72.5-74.52.04.0

2.2 鏈路預(yù)算結(jié)果

以密集市區(qū)為例（見(jiàn)表2）：

表 2

系統(tǒng)參數(shù)NB-IOT（兩堵墻）NB-IOT（兩堵墻） NB-IOT（2T2R）NB-IOT（2T4R）NB-IOT（2T2R）NB-IOT（2T4R） 邊緣速率（kbps）0.20.20.40.4 MIMO配置1×21×41×21×4 子載波帶寬（MHz）0.0150.0150.0150.015 移動(dòng)臺(tái)最大發(fā)射功率（dBm）23232323 Tx Power/Subcarrier （dBm）23232323 MCSQPSKQPSKQPSKQPSK 基站天線增益（dBi）15151515 基站饋線及接頭損耗（dB）1111 接收機(jī)噪音系數(shù)（dB）3333 熱噪音譜密度（dBm/Hz）No=KT-174-174-174-174 SINR（dB）-12.6-12.6-6.6-6.6 基站靈敏度/Subcarrier（dBm）-141.84-141.84-135.84-135.84 MCL（dB）164.84164.84158.84158.84 干擾余量（dB）2222 分集增益（dB）0303 面積覆蓋概率0.990.990.990.99 正態(tài)衰落余量（dB）19.419.419.419.4 穿透損耗（dB）42424242 MAPL（dB）115.44118.44109.44112.44

關(guān)鍵參數(shù)取值說(shuō)明：

（1）上行邊緣速率：3GPP 要求的NB-IoT系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)最低上行邊緣速率為160 bps，考慮不同業(yè)務(wù)對(duì)速率要求有所不同，本次鏈路預(yù)算里分別按照200 bps和400 bps進(jìn)行上行邊緣速率取值。

（2）MIMO配置：分別按照上行兩接收和上行四接收進(jìn)行預(yù)算。

（3）子載波帶寬：3GPP協(xié)議定義了NB-IoT上行子載波帶寬可以設(shè)置為3.75 kHz或者15 kHz，其中3.75 kHz不支持multi-tone，而15 kHz可以支持多個(gè)子載波綁定。在正常的深度覆蓋時(shí)，15kHz由于允許多個(gè)子載波綁定，速率較3.75 kHz有明顯優(yōu)勢(shì)。本次鏈路預(yù)算按照上行子載波15 kHz進(jìn)行。

（4）移動(dòng)臺(tái)最大發(fā)射功率（dBm）：NB-IoT終端和普通LTE終端一致，最大發(fā)射功率23 dBm。

（5）Tx Power/Subcarrier（dBm）：每子載波發(fā)射功率，取終端全部發(fā)射功率承載在一個(gè)子載波上，即23 dBm/子載波。

（6）面積覆蓋概率：取值需根據(jù)運(yùn)營(yíng)商對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的覆蓋要求來(lái)定，通常NB-IoT的覆蓋要求要高于普通LTE業(yè)務(wù)，這里按99 %取值。

（7）穿透損耗：密集市區(qū)一堵墻穿透損耗取值22 dB，NB-IoT再額外穿透一堵墻20 dB，這里兩堵墻的穿透損耗合計(jì)取值42 dB。

鏈路預(yù)算結(jié)果：

上行邊緣速率200 bps，NB-IoT最大MCL可以達(dá)到164 dB，密集市區(qū)，能夠穿透兩堵墻損耗，達(dá)到99 %面覆蓋率，上行采用2R接收情況下，最大允許路徑損耗115 dB，上行采用4R接收情況下，最大允許路徑損耗118 dB。

上行邊緣速率400 bps，NB-IoT最大MCL可以達(dá)到158 dB，密集市區(qū)能夠穿透兩堵墻損耗達(dá)到99 %面覆蓋率，上行采用2R接收情況下，最大允許路徑損耗109 dB，上行采用4R接收情況下，最大允許路徑損耗112 dB。

3 NB-IoT覆蓋分析：仿真

在NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上定義了相對(duì)LTE 20 dB+的覆蓋增強(qiáng)。理論上20 dB可以用于增強(qiáng)深度覆蓋、提高覆蓋率或增加單站覆蓋面積。本次仿真區(qū)域站點(diǎn)共58個(gè)，NB-IoT站點(diǎn)與現(xiàn)網(wǎng)LTE站點(diǎn)按照1∶1共站址部署，站間距590 m。

3.1 仿真參數(shù)

（1）FrequencyBand：869 NB-IoT–0.2 MHz；

（2）Total Loss（DL）：0.5 dB；

（3）天線端口數(shù)：2；

（4）RS Power：2×5 W場(chǎng)景：29.2 dBm；

（5）穿透損耗： 室外、室內(nèi)、室內(nèi)+10 dB、室內(nèi)+20 dB。

3.2 仿真結(jié)果

采用2×5 W發(fā)射功率，與現(xiàn)網(wǎng)LTE站點(diǎn)按照1∶1共站址部署，覆蓋率仿真結(jié)果如下：

（1）NB-IoT站點(diǎn)按與現(xiàn)網(wǎng)1∶1的比例部署，室外RSRP>-125 dBm的覆蓋率達(dá)到100 %，滿足覆蓋率大于99 %的部署要求；

（2）NB-IoT站點(diǎn)按與現(xiàn)網(wǎng)1∶1的比例部署，室內(nèi)RSRP>-125 dBm的覆蓋率達(dá)到99.96 %，滿足覆蓋率大于99 %的部署要求；

（3）NB-IoT站點(diǎn)按與現(xiàn)網(wǎng)1∶1的比例部署，室內(nèi)兩堵墻（1堵厚墻+1堵薄墻）RSRP>-125 dBm的覆蓋率達(dá)到99.81%，滿足覆蓋率大于99 %的部署要求；

（4）NB-IoT站點(diǎn)按與現(xiàn)網(wǎng)1∶1的比例部署，室內(nèi)兩堵墻（1堵厚墻+1堵厚墻）RSRP>-125 dBm的覆蓋率達(dá)到97.33 %，不能滿足覆蓋率大于99 %的部署要求。

表3

與現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)比例場(chǎng)景RSRP大于-105dBm覆蓋率（%）RSRP大于-115dBm覆蓋率（%）RSRP大于-120dBm覆蓋率（%）RSRP大于-125dBm覆蓋率（%） 1：1室外99.91100100100 室內(nèi)97.2699.8199.8999.96 室內(nèi)+1090.0797.3399.3399.81 室內(nèi)+2081.4690.1394.4197.33

4 NB-IOT覆蓋分析：典型業(yè)務(wù)實(shí)測(cè)結(jié)果

（1）測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景：水表、電表、氣表；

（2）測(cè)試區(qū)域：室外、弱電井、樓內(nèi)水井表、地下1層等；

（3）測(cè)試結(jié)果：在當(dāng)前測(cè)試環(huán)境下，當(dāng)終端距離最近基站400 m，地上基本業(yè)務(wù)可用，地下不可用；當(dāng)終端距離最近基站520 m，在弱電井內(nèi)，業(yè)務(wù)不可用。該結(jié)論基于一定測(cè)試場(chǎng)景和數(shù)量得出，場(chǎng)景未全遍歷，與其他實(shí)際場(chǎng)景可能存在差異[1]。

5 結(jié)束語(yǔ)

NB-IoT是廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)，較大網(wǎng)有20 dB+的增益，但是不同NB-IoT業(yè)務(wù)要求的覆蓋深度不同，對(duì)于常見(jiàn)的抄表類業(yè)務(wù)，終端往往安放在地下室、弱電井等較為隱秘處，對(duì)深度覆蓋要求高，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的部署甚至要求比大網(wǎng)更密。建議從物聯(lián)網(wǎng)需求角度出發(fā)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，統(tǒng)籌規(guī)劃部署NB-IoT。

表4

區(qū)域應(yīng)用場(chǎng)景基站距離（m）樓高（層）典型場(chǎng)景/穿透損耗結(jié)果 1水表30～1726室外1樓墻表基本業(yè)務(wù)可用 2電表或氣表20017（1）弱電井；（2）地下1層墻表 基本業(yè)務(wù)可用 3電表或氣表3206弱電井（室內(nèi)無(wú)法進(jìn)入，故把弱電井作為典型場(chǎng)景）基本業(yè)務(wù)可用 4水表40024（1）樓內(nèi)水表井（2）地下水泵房地上基本業(yè)務(wù)可用，地下不可用 電表弱電井門的穿透損耗10 dB 氣表樓體的穿透損耗19dB 5水表或電表48030弱電井（室內(nèi)無(wú)法進(jìn)入，故把弱電井作為典型場(chǎng)景）地上基本業(yè)務(wù)可用，地下不可用 弱電井門的穿透損耗6dB 6水表或電表52032弱電井（室內(nèi)無(wú)法進(jìn)入，故把弱電井作為典型場(chǎng)景）不可用

[1]盧斌.NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)探討[J].移動(dòng)通信，2016，40（19）：55-59.

Analysis of NB - IOT Coverage Based on Theory and Measurement

She Sha Huang Jiaming

Guangdong Telecom Planning & Design Institute Co.，Ltd.,Guangdong Guangzhou 510000

NB-IoT is a kind of low-cost high-reliability，high-security wide-area Internet of Things technology，with wide coverage，large connections，low power consumption，low cost and other characteristics，favored by the operators.At present，the mainstream operators are stepping up research and deployment of NB-IoT network.In this paper，the coverage of NB-IoT network is studied and analyzed，and the coverage ability of NB-IoT is grasped by means of theoretical link budget，simulation analysis and practical testing.The wireless network planning proposal is proposed，and the subsequent commercial network deployment for reference.

NB-IoT；Link Budget；Simulation

TM714.3

A

1009-6434（2016）12-0072-03

佘莎，助理工程師，2008年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，獲工學(xué)碩士學(xué)位。現(xiàn)在廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司電信咨詢?cè)O(shè)計(jì)院從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)咨詢、規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作。黃嘉銘，工程師，2007年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，獲工學(xué)碩士學(xué)位。現(xiàn)在廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司電信咨詢?cè)O(shè)計(jì)院從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)咨詢、規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作。