NB-IoT組網以及規劃探討

丘繼平

（廣東南方通信建設有限公司）

引言

隨著物聯網技術在行業應用比例的逐年提高，物聯網（IoT）成為移動網絡運營商確定的典型高增長業務。根據機構對M2M/IoT連接分布評估預測發現，未來低速率（小于100kbit·s-1）物聯網業務的連接需求占比高達60%以上，因此，海量LPWA（LowPowerWide Area，低功率廣域）連接需求奠定了蜂窩物聯網（CIoT，Cellular Internet of Thing）的發展基礎。作為LPWA的一項典型技術制式，NB-IoT已形成統一的國際標準，同時明確需要達到的四個基本目標為：①超強覆蓋，能夠加強室內信號覆蓋，與GPRS系統相比，NB-IoT增加20dB的信號增益；②超大連接，一個NB-IoT扇區能夠滿足10萬個用戶設備連接需求；③超低功耗，終端模塊能夠滿足長達10年以上的電池壽命；④超低成本，終端芯片目標約1美元左右，單個接連模塊不超過5美元。相比LoRa及SigFox兩種典型私有LPWA技術，NB-IoT同時可與現有蜂窩網進行融合演進，且具備低功耗、低成本、低速率、廣深覆蓋、電信級高可靠性及高安全性等特征，因此NB-IoT具備良好的技術優勢，是運營商后續建設發展的重要網絡。

目前NB-IoT正處于大范圍商用推廣階段，各地區對NB-IoT的規劃發展思路有所差異，因此，本文立足于規劃視角，從NB-IoT技術特點出發，重點研究分析如何進行NB-IoT組網和規劃，并給出具體的站間距要求、網絡發展建議和主要建設方式等。

1 NB-IoT技術特點與規劃目標

1.1 技術特點

該技術具有覆蓋范圍廣，耗能較低，高性價比，以及速率低下等特點，其承接的業務能夠占據60%的物聯網業務，已經成為世界范圍內的新技術。NB-IoT技術主要應用License頻段，在帶寬方面只需要使用200kHz，其部署方式可以應用獨立載波，保護帶以及帶內等方式，能夠在通用移動通信系統，全球移動通信系統中直接部署，這樣能夠減少部署成本。NB-IoT技術的特點主要表現在以下方面：①能夠連接海量數據，每個單元能夠連接上萬個數據信息；②覆蓋范圍廣，在相同的頻段之下，該技術的網絡效益能夠提升20dB以上，至少擴大上百倍的覆蓋面積；③功耗較低，該技術所具備的終端模塊能夠滿足長達十年的待機時間；④模塊成本較低，該技術的每一個連接模塊成本都在30元人民幣。

1.1.1 低成本

低成本是NB-IoT網絡的一項關鍵指標，低成本主要體現在網絡建設及網絡技術兩個方面，從網絡建設看，相比LoRa等，NB-IoT無需重新建網，射頻和天線基本上都是復用的。以移動現有900MHz改造為例，只需要退出一部分現有2G頻段，就可以直接進行LTE和NB-IoT的同時部署。從網絡技術角度看，NB-IoT標準設計中則考慮了多種降低成本的策略，主要包括：

（1）單RF通路接收：不支持MIMO，只需要單個接收天線、單路RF器件、單個基帶器件，降低15～38%的成本；

（2）減少最大帶寬：支持的最大帶寬減少為1.4MHz或者3MHz，降低13.5～50%的成本；

（3）半雙工操作：去除雙工器，降低4～19%的成本；

（4）減少最大發射功率：減少發射功率或完全移除功率放大器，降低2～12%的成本；減少最大TBS尺寸、分配更少的PRB數、降3%～15%的成本；

（5）低支持的調制階數，降低3～21%的成本。

因此，NB-IoT網絡建設具有改造成本低的優勢，同時低速率、低功耗、低帶寬設計思路同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來低成本優勢。

1.1.2 提高電池壽命技術

相比GPRS，NB-IoT最大的特點是低功耗。除了本身NB-IoT的傳輸速率比較低以外，NB-IoT引入新的節電技術及省電模式，即：①采用e-DRX省電技術，通過延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少信號接收單元不必要的啟動；②提供PSM（PowerSaving Mode）省電模式，針對時延不敏感業務，NB-IoT終端仍注冊在網，但不接受信令，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。以某設備廠家提供的NB-IoT在PSM模式下的終端使用年限評估為例，得出結果如圖1所示。

圖1 NB-IoT終端PSM模式下工作時間

由圖1可以看出：①隨著路損的增加，終端的使用壽命年限也隨之減少，特別在路損大的場景，終端壽命也是最短的，因此保障NB-IoT網絡良好覆蓋有利于提升終端的使用壽命；②在最大路損為164dB情況下，減少終端的上報間隔有利于大幅提升終端壽命。因此實際規劃中需要綜合考慮低速物聯網業務上報時間間隔需求，同時在規劃進一步提升NBIoT網絡本身的深度覆蓋。

1.2 NB-IoT規劃目標

相比于傳統人工式連接網絡，NB-IoT主要作用在于物與物之間的連接，能夠為實際工作提供必要的數據信息，并且在此基礎之上，能夠有效提供優質網絡，在規劃階段，其能夠有效解決出現的各項問題，對現網數據以及長期的運營經驗進行深度挖掘，針對性分析新型網絡建設并提出相應的解決方案。NB-IoT規劃目標主要包括方案建設，體系規劃，指標規劃等方面。

1.3 NB-IoT規劃思路

此次探究NB-IoT規劃思路主要的指引工具為規劃目標，需要利用業務需求對規劃指標進行全面分析，之后，將規劃指標作為基礎性前提，在此基礎之上進行容量規劃，覆蓋規劃，軟件功能規劃以及參數功能規劃等一系列工作，形成一套完整的規劃體系。最后，需要通過組網方案和規劃體系對工程建設方案進行編制。完成之后需要對比分析各個方案，最后得出最優質的建設方案，全面應用在NB-IoT網絡建設當中。

2 NB-IoT組網規劃

2.1 NB-IoT網絡結構規劃

現網規劃建設NB-IoT原則上不單獨新建站點，以GSM升級、GSM/TD-LTE共站新建為主，具體站址的規劃以GSM 900M/GSM 1800M+TDLTE全量站址作為NB-IoT的站點備選庫。GSM 900M/GSM 1800M/TDLTE共站址場景，在滿足規劃目標需求前提下，優選GSM 900M，次選GSM 1800 M，再次選TD-LTE（要求同廠家），最后考慮TD-LTE共站新建（異廠商）。室分系統建設根據物聯網業務發展的實際需求部署，原則上不允許在無業務的場景中部署。

在合理的站間距區間內設站，控制NB-IoT站間距偏移距離，既不存在弱覆蓋也不帶來過多的重疊覆蓋，NB-IoT站間距及站址偏離距離要求如表1所示。基站站址在目標覆蓋區內盡可能平均分布，盡量符合蜂窩網絡結構的要求，一般要求基站站址分布與標準蜂窩結構的偏差應小于站間距的1/4，避免出現超近站和超遠站。

表1 NB-IoT站間距及站址偏離距離要求

NB-IoT天線選項不做特殊要求，2T2R天線即可滿足業務需求。對部分重要站點，網絡結構復雜或者獨立優化要求高的站點，在條件允許情況下，部署獨立天饋或獨立電調天線。為避免高站帶來的重疊覆蓋，室外宏基站掛高控制在20～40m，大于50m的站點原則上不得入網。NB-IoT天饋方向角原則上以GSM或者TDL站點規劃為準，對網絡結構影響重大的站點，可部署獨立天饋或者獨立電調天饋。NB-IoT天饋下傾角原則上以GSM或者TDL站點規劃為準，對網絡結構影響重大的站點，可部署獨立天饋或者獨立電調天饋。

2.2 NB-IoT1：N組網規劃

NB-IoT在物理層發送方式、網絡結構、信令流程等方面做了簡化，在覆蓋上提出了在GSM基礎上增強23dB的覆蓋目標，即MCL（MaximumCouplingLoss，最大耦合路損）要達到164dB，主要通過提高功率譜密度、重復發送、低階調制編制等方式實現。NB-IoT基于GSM站址1：1的方式建設，可提供較GSM增強23dB的深度覆蓋能力；基于1：2的方式建設，可提供較GSM增強17dB的深度覆蓋能力；基于LTEFDD目標網規劃站址1：4的方式建設，可提供較GSM增強11dB的深度覆蓋能力。

理論上23dB可以用于增強深度覆蓋，可以從原網站點中按照1：N比例調整站點進行NB-IoT的部署，其中N代表原網站點數，1代表NBIoT站點數。1：3組網如圖2所示，灰色標識的是NB-IoT與GSM共站建設站點，其余站點為沒有NB-IoT站點，灰色虛線框內劃定1：3組網架構下NB-IoT與GSM站點形成的一個簇，可以看出1：3組網中NB-IoT站間距為GSM站間距的1.73倍。

圖2 NB-IoT與GSM按1：3比例組網

1：4組網如圖3所示，灰色虛線框內劃定1：4組網架構下NB-IoT與GSM站點形成的一個簇，可以看出1：4組網中NB-IoT站間距為GSM站間距的2倍。

1：N組網的影響因素有三大方面：業務要求、鄰頻保護帶要求（頻譜資源）、是否共天饋。從覆蓋深度、業務要求和鄰頻干擾保護帶來看，1：1組網在比GSM多10dB覆蓋深度情況下可達到99%覆蓋率，適用于智能抄表業務；1：4組網在比GSM相等覆蓋深度情況下可達到99%覆蓋率，適用于智能停車、路燈桿業務。

圖3 NB-IoT與GSM按1：4比例組網

3 結束語

綜上所述，本文通過對NB-IoT技術特點，規劃目標以及規劃思路等進行分析研究。NB-IoT在覆蓋、功耗、成本和連接數等方面性能占優，其特有的關鍵技術特性可滿足智能家居、智慧連接、智能抄表、市政物聯、物流追蹤、智能穿戴及廣域物聯等LPWA類物聯網的需求。從建設方案來看，NB-IoT可依托原有2G網絡或4G網絡進行建設。NB-IoT邏輯上是獨立制式的網絡，但與LTEFDD共硬件設備，因此蜂窩物聯網與LTEFDD本質上是同一張網絡，要進行聯合規劃，所建基站未來只需開啟軟件功能即可開通LTEFDD網絡。本文通過分析各種區域和場景的差異化需求，可為后續NB-IoT的網絡規劃、模型校正及發展演進提供參考依據，從而實現NB-IoT組網規劃的目的。