城區(qū)GSM與NB-IoT同頻部署對NB-IoT底噪影響研究

何小丹，宋 磊

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310012）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)市場正在快速發(fā)展，全球主流運營商正在積極部署物聯(lián)網(wǎng)，我國也已將物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提升到國家戰(zhàn)略中。NB-IoT由于工作在授權(quán)頻段上，且具有廣覆蓋、低功耗、低成本及大連接的技術(shù)特點，從眾多候選技術(shù)中脫穎而出。2017年6月20日，我國工業(yè)和信息化部針對NB-IoT的使用頻率發(fā)布公告（2017年第27號），在已分配的GSM或FDD方式的IMT系統(tǒng)頻段上，電信運營商可根據(jù)需要選擇帶內(nèi)工作模式、保護(hù)帶工作模式、獨立工作模式部署NB-IoT系統(tǒng)，這意味著NB-IoT的建設(shè)運營即將拉開帷幕。對于還未獲取FDD牌照的電信運營商，目前僅可以使用已分配的GSM頻段部署NB-IoT。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)所處的環(huán)境變得越來越復(fù)雜，本文針對城區(qū)GSM與NB-IoT同頻部署條件下，GSM對NB-IoT底噪的影響展開深入研究，首先基于測試結(jié)果分析底噪對性能的影響，然后剖析底噪的構(gòu)成，最后針對同頻干擾引起的底噪抬升進(jìn)行了定量的分析。

2 底噪對NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的影響

2.1 底噪對覆蓋能力的影響

NB-IoT作為一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有廣覆蓋的特點。為了定量描述NB-IoT的覆蓋能力，本文使用最大耦合損耗（MCL, Maximum Coupling Loss）來表征。3GPP協(xié)議規(guī)定，NB-IoT相比GSM技術(shù)具有20 dB的覆蓋增強(qiáng)，即MCL可達(dá)164 dB[1]。

（1）通過測試研究上行底噪對覆蓋性能的影響

測試方法：將測試終端放置在NRSRP=-100 dBm的位置，經(jīng)后臺統(tǒng)計，接入小區(qū)的上行底噪為-103 dBm，此時可正常發(fā)起200 Byte的ping包業(yè)務(wù)。然后保持測試終端位置不變，利用上行信號發(fā)射器模擬上行干擾，以5 dB為步長遞增，直至無法成功進(jìn)行ping包業(yè)務(wù)。

測試結(jié)果表明，當(dāng)上行底噪達(dá)到-94 dBm時，終端出現(xiàn)了無法進(jìn)行ping包業(yè)務(wù)的現(xiàn)象，此時NRSRP為-101.7 dBm。因此，當(dāng)?shù)自胩?5 dB時（相比于上行理論底噪-129 dBm），MCL收縮30 dB（相比于理論MCL 164），具體如下所示：

上行理論底噪=噪聲普密度+帶寬+噪聲系數(shù)

MCL=發(fā)射功率-接收功率

（2）通過測試研究下行底噪對覆蓋性能的影響

測試方法：將測試終端放置在NRS-SINR=10 dB處，此時可正常發(fā)起200 Byte的ping包業(yè)務(wù)。然后保持終端處于連接態(tài)，以NRS-SINR變化3 dB為步長向測試小區(qū)的邊緣移動，直至無法成功進(jìn)行ping包業(yè)務(wù)。在測試時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NRS-SINR為-10.5 dB時，仍可成功接入并進(jìn)行ping包業(yè)務(wù)，此時NRSRP=-131.6 dBm；當(dāng)NRS-SINR降為-12.5 dB后，無法成功接入，此時NRSRP為-133.5 dBm，與NRS-SINR=11.8處的NRSRP相比變化不大。因此，底噪的抬升若使NRS-SINR降到-12.5 dB以下，將無法接入成功。

2.2 底噪對速率的影響

NB-IoT作為一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要適用于承載低速率業(yè)務(wù)，理論計算可得上行峰值速率為15.6 kbit/s，下行峰值速率為21.2 kbit/s[2]。為了研究干擾對速率的影響，上行采用信號發(fā)射器進(jìn)行3 dB～5 dB的上行干擾模擬抬升，下行采用模擬加擾的方式進(jìn)行50%加擾，加擾前后的速率如圖1、圖2所示。上行底噪抬升3 dB～5 dB后，相同上行速率所需的NRSRP提高0 dB～5 dB；下行50%加擾后，下行速率在NRS-SINR越差的測試點惡化越嚴(yán)重，相同下行速率所需的NRSSINR提高0 dB～5 dB。

圖1 加擾前后的上行速率

圖2 加擾前后的下行速率

3 底噪抬升的原因

在傳播環(huán)境中，存在著因電子熱運動產(chǎn)生的熱噪聲，熱噪聲的公式如公式(3)所示，其中k=1.38×10-23J/K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，k×T稱為熱噪聲的噪聲譜密度。在室溫下（T=300 K），可以計算得到噪聲譜密度為-174 dBm/Hz[3]。對于NB-IoT技術(shù)，將上行子載波帶寬15 kHz和下行帶寬180 kHz[4]代入公式(3)（B為系統(tǒng)帶寬）后，可分別計算得到上行的熱噪聲為-132 dBm、下行的熱噪聲為-121 dBm。考慮到接收機(jī)內(nèi)部的電路損耗，取上行的噪聲系數(shù)為3 dB，下行的噪聲系數(shù)為5 dB，根據(jù)公式(4)計算得到上行的理論底噪為-129 dBm，下行的理論底噪為-116 dBm。

在實際的通信網(wǎng)絡(luò)中，底噪往往會比理論底噪要高，產(chǎn)生的原因從頻率屬性上分可以歸為兩類：第一類為授權(quán)頻譜內(nèi)的干擾，包括同頻干擾和異頻干擾。其中同頻干擾包含了同工作頻率異系統(tǒng)干擾及不同工作頻率系統(tǒng)由于非線性原因引起的干擾（例如互調(diào)干擾）。系統(tǒng)非線性干擾與設(shè)備功率容限、非線性特性相關(guān)，通過設(shè)備規(guī)范等方式進(jìn)行規(guī)避。鄰頻干擾主要與系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)性能相關(guān)，本文不再討論；第二類為外部干擾，即非授權(quán)頻譜內(nèi)的干擾，需由無線電執(zhí)法管理部門進(jìn)行查處，本文也不再討論。接下來本文將對同頻干擾中同工作頻率的合法異系統(tǒng)干擾進(jìn)行定量分析。

4 同頻異系統(tǒng)干擾引起的底噪抬升

根據(jù)工信部的頻率使用公告，電信運營商部署NBIoT時，須使用已有的GSM頻率資源。國內(nèi)GSM可用頻率資源為900 M（上行：889 MHz—915 MHz，下行：934 MHz—960 MHz）和1800 M（上行：1 710 MHz—1 755 MHz，下行：1 805 MHz—1 850 MHz）。考慮到廣覆蓋需求，也為了減少站點建設(shè)規(guī)模以縮短工期、節(jié)約成本，NB-IoT優(yōu)選使用900 M頻率資源。在NB-IoT區(qū)域部署時，NB-IoT將與現(xiàn)有GSM共用頻譜資源，即相同頻率在不同區(qū)域同時被NB-IoT、GSM使用。這種情況下，就會出現(xiàn)GSM對NB-IoT的同頻異系統(tǒng)干擾。本小節(jié)將對GSM與NB-IoT同頻部署條件下，典型城區(qū)環(huán)境中GSM對NB-IoT底噪的影響進(jìn)行定量分析。

4.1 GSM對NB-IoT下行底噪的影響

在下行方向上，GSM同頻基站會對NB-IoT終端產(chǎn)生干擾。為了降低干擾，在部署NB-IoT時，需在部署區(qū)域周圍對GSM劃定一定的隔離帶，隔離帶內(nèi)GSM網(wǎng)絡(luò)不再使用與NB-IoT相同的頻點。對于隔離帶外的GSM 900M同頻基站，其發(fā)射的信號經(jīng)過空間傳播后到達(dá)NB-IoT用戶，造成下行底噪的抬升。理想的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)GSM的清頻范圍為L0km，清頻范圍內(nèi)的小區(qū)總個數(shù)為N0，清頻范圍內(nèi)的圈數(shù)為C0，站間距為S，則：

圖3 理想蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的清頻范圍示意圖

同理，若設(shè)清頻范圍外第i圈內(nèi)的小區(qū)總個數(shù)為Ni，清頻范圍外第i圈離干擾小區(qū)的等效距離為Li，則：

設(shè)GSM 900M的基站發(fā)射功率為W，發(fā)射天線增益為ω，頻率復(fù)用因子為x，發(fā)射機(jī)內(nèi)部損耗為α，NBIoT接收機(jī)OTA損耗為β，清頻范圍外第i圈到被干擾的NB-IoT用戶的路損為Pathloss(Li)。由于三個不同方向的小區(qū)中，一般僅有一個小區(qū)干擾NB-IoT用戶，因此設(shè)定1/3小區(qū)能對NB-IoT用戶產(chǎn)生干擾，即干擾衰減因子為p=1/3。則清頻范圍外第i圈GSM小區(qū)對NB-IoT用戶的下行干擾Ii為：

根據(jù)Okumura-Hata傳播模型，路損Pathloss(Li)與lg(Li)呈線性關(guān)系，如公式(8)所示，將公式(6)代入公式(8)，并將公式(8)代入公式(7)后，可得到清頻范圍外第i圈GSM小區(qū)對NB-IoT用戶的下行干擾Ii如公式(9)所示：

清頻范圍外第i圈至第j圈引起的干擾可以表示為：

對于400 km2的區(qū)域，區(qū)域半徑約為11.28 km，不同的清頻范圍引起的下行底噪抬升如圖4所示，參數(shù)的設(shè)置如表1所示。若清頻范圍小于9.6 km，則會引起10 dB以上的下行底噪抬升。需要說明的一點是，圖中給出的是400 km2區(qū)域內(nèi)的GSM 900M基站引起的下行底噪抬升，在實際的空間環(huán)境中，400 km2區(qū)域外的GSM基站也會引起下行底噪的抬升，因此實際的底噪抬升大小比圖中給出的數(shù)值略大。

圖4 不同清頻范圍下GSM引起的下行底噪抬升

表1 參數(shù)設(shè)置

4.2 GSM對NB-IoT上行底噪的影響

在上行方向上，GSM用戶會對NB-IoT基站產(chǎn)生干擾。在部署NB-IoT時，同樣使用隔離帶降低干擾。對于隔離帶范圍外的GSM 900M用戶，其發(fā)射的信號經(jīng)過空間傳播后到達(dá)NB-IoT基站，造成上行底噪的抬升。

一般情況下，GSM干擾用戶既有室外用戶，又有室內(nèi)用戶。設(shè)單個小區(qū)的同時服務(wù)用戶數(shù)為U，站間距為S，GSM用戶接收機(jī)OTA損耗為γ。根據(jù)GSM宏站的用戶MR數(shù)據(jù)，可以得到各RSRP區(qū)間內(nèi)的MR占比mi，將RSRP折算為路損pli，按照公式(12)和公式(13)可以計算得到某市多個用戶經(jīng)過穿透損耗bli后的等效發(fā)射功率W至少為20.49 dBm。

U=無線利用率×每載波業(yè)務(wù)信道數(shù)×每小區(qū)載波數(shù)×K (13)

然后，清頻范圍對上行底噪的影響與4.1小節(jié)的分析方法相同，僅需將基站發(fā)射功率變換成干擾小區(qū)內(nèi)多個GSM用戶經(jīng)過穿透損耗后的等效發(fā)射功率（20.49 dB），將基站的天線增益變換成GSM用戶的天線增益（0 dB），基站的發(fā)射機(jī)內(nèi)部損耗變換為GSM用戶的發(fā)射機(jī)內(nèi)部損耗（0 dB），NB-IoT接收機(jī)OTA變換為NB-IoT基站的接收機(jī)內(nèi)部損耗（3 dB），并且干擾衰減因子為1。對于400 km2的區(qū)域，采用4.1小節(jié)的分析方法并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的變換后，不同的清頻范圍引起的下行底噪抬升如圖5所示。若清頻范圍小于6.2 km，則至少會引起10 dB以上的上行底噪抬升。

圖5 不同清頻范圍下GSM引起的上行底噪抬升

5 結(jié)束語

在NB-IoT與GSM同頻部署條件下，本文以NBIoT底噪為研究對象，首先基于測試結(jié)果分析，得到底噪的抬升將引起覆蓋的收縮與速率的下降，然后剖析底噪的影響因素，最后針對GSM同頻干擾引起的底噪抬升進(jìn)行了定量的分析。研究結(jié)果表明，下行底噪對于清頻范圍更為敏感。

[1] 3GPP TR 45.820. Technical Specification Group Radio Access Network, Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT)(Release 13)[S]. 2016.

[2] 3GPP TS 36.213. Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), Physical layer procedures (Release 13)[S]. 2016.

[3] Wikipedia. Johnson-Nyquist noise[EB/OL]. (2017-09-13)[2017-12-07]. https://en.wikipedia.org/wiki/Johnson%E2%80%93Nyquist_noise.

[4] 3GPP TS 36.201. Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), LTE physical layer, General description (Release 13)[S]. 2016.

[5] 劉瑋,董江波,劉娜,等. NB-IOT關(guān)鍵技術(shù)與規(guī)劃仿真方法[J]. 電信科學(xué), 2016(S1): 144-148.

[6] 程日濤,鄧安達(dá),孟繁麗,等. NB-IoT規(guī)劃目標(biāo)及規(guī)劃思路初探[J]. 電信科學(xué), 2016(S1): 137-143.

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

[8] 戴博,袁弋非,余媛芳. 窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）標(biāo)準(zhǔn)與關(guān)鍵技術(shù)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2016.

[9] 蘇華鴻,孫孺石,楊孜勤,等. 蜂窩移動通信射頻工程[M].北京: 人民郵電出版社, 2005.

[10] Henry L. Bertoni. Radio Propagation for Modern Wireless Systems[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002. ★