基于800M頻段的NB—IoT網絡部署研究

李自富 張變芝

摘 要：NB-IoT技術是移動物聯網領域一個新興技術，具有廣覆蓋、低成本、低功耗和低速率等特性。本文首先分析了NB-IoT的發展情況、技術特點和應用，然后從網絡部署的角度，結合覆蓋、建網成本和全球應用頻段等，提出了基于800M頻段的NB-IoT網絡部署方案，并評估了此方案實施后的效果。

關鍵詞：NB-IoT；網絡部署；空口特性；應用場景

中圖分類號：TP391.44；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0007-03

Research on the Deployment of NB-IoT Network Based on 800M Band

LI Zifu1 ZHANG Bianzhi2

（1. China Telecom Luoyang Branch， Luoyang Henan 471000；2. Henan Vocational College of Agriculture，Luoyang Henan 471000）

Abstract： NB-IoT technology is an emerging technology in the field of mobile Internet of things， with wide coverage， low cost， low power consumption， low rate and other characteristics. This paper first analyzed the development， technical characteristics and application of NB-IoT， and then from the perspective of network deployment， combined with coverage， the cost of network， global application frequency and so on， put forward the deployment of NB-IoT network based 800M band， and evaluated the effects after the implementation of this project.

Keywords： NB-IoT；network deployment；airface character；application scenarios

隨著移動物聯網的發展，網絡需要根據不同場景，滿足不同的細分需求。移動物聯網由寬、窄帶（高、低速）等多種技術組成，NB-IoT技術是移動物聯網領域一個新興的技術，具有支持海量連接、深度覆蓋、低功耗和低成本等優勢，可以廣泛應用于多種垂直行業。

1 NB-IoT技術演進

為實現提升室內覆蓋，支持大規模設備連接，減小設備復雜度，減小功耗和時延的目標，3GPP于2014年啟動窄帶蜂窩物聯網研究，并最終形成了基于GSM的技術演進和全新的技術方案研究報告TR45.820。主要提及3項技術，分別為：擴展覆蓋GSM技術EC-GSM，由華為、高通主導的NB-CIoT，以及由愛立信、中興主導的NB-LTE。NB-CIoT相對于現有的LTE網絡上改動較大，需要通過網絡升級的代價帶來NB-CIoT性能上的提高，NB-LTE技術與NB-CIoT定位相似但更傾向于對兼容現有LTE網絡，在部署上更簡單。因此，在RAN#69次會議上，經過激烈討論，各方最終達成一致，將NB-CIoT和NB-LTE兩個技術方案進行融和，形成NB-IoT[1]。

2 NB-IoT技術特點

NB-IoT是在LTE基礎上發展起來的，主要采用了LTE的相關技術，對自身特點進行了相應修改，具有獨特的空口特性和數據傳輸特性。

2.1 空口特性

2.1.1 空閑態的eDRX（extended DRX）。在eDRX（extended DRX）尋呼周期中，UE長時間處于非尋呼監聽狀態，只在尋呼時間窗內按DRX（Discontinuous Reception）方式監聽尋呼消息，降低終端功耗，延長終端電池續航時間。引入eDRX機制后，DRX周期為2.56s～2.92h。

2.1.2 NB-IoT覆蓋擴展。NB-IoT通過PSD（Power Spectrum Density）提升和增加重復發送次數，相比LTE FDD獲得更好的覆蓋。

2.1.2.1 PSD提升。UE在相同的發射功率下，NB-IoT的發射帶寬比LTE FDD的發射帶寬窄，在上行方向可獲得10.8dB的覆蓋增益。

2.1.2.2 重復發送。NB-IoT支持根據信號強度調整數據的重復發送次數，邊緣區域通過增加重復發送次數保障數據有效傳輸[2]。

2.1.3 Multi-tone。NB-IoT支持一次分配3、6或12個15kHz子載波提升UE上行數據吞吐率。傳輸時延小、時間短、UE睡眠時間更長。

2.1.4 PSM（Power Saving Mode）。終端非業務期間深度休眠，不接收下行數據，適合對下行業務時延無要求的場景。TAU定時器超時喚醒，或終端主動發起數據時喚醒。在PSM模式下，UE類似于關機狀態，保持注冊的狀態，不需要re-attach，也不需要re-establish PDN連接。PSM模式下，周期TAU最大可以設置為12.1d。

2.2 數據傳輸特性

2.2.1 CP方案（3GPP已明確此方案為必選方案）。CP模式下，UE的用戶數據和NAS層信令一起發送至MME（C-SGN），由MME（C-SGN）轉發到SGW/PGW。協議要求，NB-IoT終端和網絡必須支持CP模式。CP模式EPC側消息傳遞流程如圖1所示。

2.2.2 UP方案（3GPP已明確此方案為可選方案）。與CP方案相比，UE和基站需要保存用戶面連接相關上下文。UP模式下，需要建立S1-U承載，用戶數據通過S1-U和S-GW收發，和LTE原理一致。CP模式EPC側消息傳遞流程如圖2所示。

3 800M NB-IoT網絡部署方案

為更好地實現覆蓋范圍廣、室內深度覆蓋好、節約建網成本、設備重用且能快速部署，現階段800M頻段優勢明顯。基于800M的NB-IoT網絡部署需要考慮工作模式選擇、芯片、模組或終端、NB-IoT基站、NB-IoT核心網和IoT連接管理平臺等部分。

3.1 工作模式選擇

部署在800M頻段的NB-IoT有3種工作模式：①In Band模式，即部署在現有LTE網絡頻段內；②Guard band模式，即部署在現有網絡兩端，與LTE有保護間隔；③Stand-alone模式，即與現有LTE網絡分開部署。現在從覆蓋、容量、干擾等方面分析比較各個模式的優缺點。

3.1.1 覆蓋。物聯網以上行業務為主，覆蓋上行受限。從覆蓋維度分析，三種工作模式差異不明顯。

3.1.2 容量。LTE帶內模式、保護帶模式NB-IoT與LTE系統容量相互影響，獨立模式無相互影響。

3.1.3 干擾。LTE帶內模式、保護帶模式NB-IoT與LTE干擾問題復雜，獨立部署模式干擾場景相對單一，通過預留保護帶規避與CDMA干擾。

3.2 芯片、模組或終端部署

考慮到簡化射頻硬件、簡化協議降低成本、減小基帶復雜度，決定采用模組。

3.3 基站部署

NB-IoT基站采用與L800M站點、共設備、共天饋、共射頻和共傳輸等，降低了建站成本，且能快速部署。

3.4 核心網部署

現網EPC網元升級支持NB-IoT，實現EPC合設，物聯網專網PGW、HSS合設，800M基站改回單掛形式，所有業務完全由現網承載。

3.5 NB-IoT平臺部署

NB-IoT平臺主要包括應用安全接入、設備管理、數據采集、設備服務調用、規則引擎和消息推送功能。

4 800M NB-IoT網絡實施評估

4.1 單站室外廣覆蓋能力較強

NB-IoT有效覆蓋距離約為C網的2倍，L1800/C/NB信號強度如圖3所示。

4.2 干擾測試

4.2.1 上行干擾。當NB-IoT網絡覆蓋較弱而C網覆蓋較好時，NB終端上行發射功率會偏高，從而干擾C網。NB-IoT對283頻點干擾幅度如圖4所示。

4.2.2 下行干擾。NB開通后對C網下行基本沒有干擾，只有NB RSRP大于-50dBm時才會對283右邊緣產生微弱干擾。

4.3 時延測試

NB-IoT時延評估（RSRP【-100，-90】）。

①響應時延。尋呼時延約750ms，RRC建立時延約730ms，業務態單向時延約為400ms。

②被叫空閑態時延。從服務器下發命令至服務器收到終端ACK響應，約為3 046.049ms。

③主叫空閑態時延。終端在空閑態發送數據包至收到服務器ACK響應，約為2 035+730（RRC連接建立時延）=2 765ms。

4.4 速率測試

單用戶速率測試，按照目前的參數配置（15kHz的single-tone上行調度）上行理論速率15.6kbps，下行理論速率21.2Kbps。在極近點/近點/中點時，上、下行速率相對比較穩定，平均速率接近峰值，在加載時下行速率影響不大，在遠點由于RSRP、SINR的惡化，上下行速率降低較為明顯。

5 結語

通過對800M NB-IoT網絡部署實驗，積累了建設經驗，利用NB-IoT本身的技術特點，解決了目前物理網面臨的技術難題。但其速率只有15K左右，對于帶寬型大速率的業務是不適用的，目前不支持切換，高速移動的車載業務也是不適用的，由于時延普遍較長，對時延特別敏感的智能制造業務也是不適用的，且目前的NB-IoT只適用于FDD，不適用于TDD，這是很大的技術瓶頸。

參考文獻：

[1]皮和平.關于中國電信物聯網的部署策略的探討[J].移動通信，2017（6）：24-27.

[2]陳博，甘志輝.NB-IoT網絡商業價值及組網方案研究[J].移動通信，2016（13）：42-46.