蜂窩物聯網NB-IoT的關鍵技術與組網實踐

仇 勇 楊錫繼 郝 雋 張 晶 宋嘯天

1.中國移動通信集團江蘇有限公司；2.鎮江市審計局

0 引言

隨著社會的發展，移動通信技術已經逐步從人與人之間的信息交流擴展到人與物、物與物之間信息互通的時代。物聯網技術的應用已經滲透到社會的各個行業中。物聯網（Internet of Things）是在互聯網基礎上延伸與擴展的一種網絡，是新一代信息技術的重要組成部分，也是信息化時代的重要發展階段。根據2016年6月份愛立信發布的移動報告，到2021年全球約有53.6%的終端連接為物聯網連接。

區別于傳統的蜂窩通信網絡技術，LPWA（Low Power Wide Area，廣覆蓋、低功耗）作為典型的物聯網應用場景之一，要求可提供廣域覆蓋的物聯網新技術。基于此，在3GPP組織的第69次RAN全會上通過了NB-IoT（窄帶物聯網）立項并于2016年6月份完成了NB-IoT標準的凍結。

1 NB-IoT的原理與關鍵技術

相對于傳統的LTE網絡，在網絡功能上NB-IoT不支持：切換、不同系統間的互操作、測量報告、Relay、CSFB等業務。但是在幀結構、物理信道、時隙結構等方面進行了增強。

根據規范要求，NB-IoT網絡與GSM網絡的系統帶寬相同，均為200kHz，NB-IoT的傳輸帶寬為180kHz。NB-IoT的下行幀結構與傳統的LTE幀結構相同，1個無線幀包含10個長度為1ms的子幀，1個子幀包含2個長度0.5ms的時隙。NB-IoT下行支持15kHz的子載波間隔，不支持7.5kHz的子載波間隔，支持常規CP，不支持擴展CP。NB-IoT的上行支持兩種幀結構，即子載波帶寬為3.75kHz的幀結構和子載波帶寬為15kHz的幀結構。

NB-IoT的下行支持3個物理信道，上行只有2個物理信道，如下表1所述：

NB-IoT下行方向以RB為單位進行資源分配，上行方向以資源單元RU（Resource Unit）為單位進行資源分配調度。窄帶物理上行共享信道（NPUSCH）在上行方向僅分配1個子載波的模式稱為Signal-tone模式，窄帶物理上行共享信道在上行方向可以分配多于1個子載波的模式稱為Multi-tone模式。根據NB-IoT的規范標準，NB-IoT具備以下五大特點：

（1）帶寬為180kHz，和現有LTE系統的一個PRB帶寬相同；

（2）下行采用OFDMA技術，子載波間隔15kHz（和LTE相同）；上行支持兩種模式，多載波15kHz和單載波3.75kHz；

（3）全新的物理信道和信號，對下行的PBCH、PDSCH、PDCCH采用單一的TM傳輸模式；

（4）降低終端成本和功耗，采用半雙工方式，一根接收天線；

（5）為充分利用LTE網絡資源，同時提供靈活的零散頻率資源部署，NB-IoT建議部署模式：獨立模式、保護帶模式和帶內部署模式。

根據標準規范要求，NB-IoT計劃實現以下目標：

（1）實現大容量的終端接入；

（2）實現廣域覆蓋和深度覆蓋，覆蓋信號強度比傳統的GPRS技術增強20dB；

（3）降低終端成本，每個終端低于5美元；

（4）降低功耗，在5Wh可提供大于10年的待機時間。

1.1 NB-IoT的工作模式

NB-IoT網絡可以從2G基站共站升級，但僅支持FDD制式，占用的帶寬為180kHz，支持3種不同的部署方式：

（1）獨立部署（Standalone）模式，利用當前被其他系統使用且可以重耕的部分頻譜，如一個或者多個GSM載波，不依賴LTE；

（2）帶內部署（InBand）模式，占用LTE中的一個PRB；

（3）保護帶內部署，利用LTE保護帶內未使用的資源塊，不占用LTE資源。

三種部署方式如下圖1所示：

圖1 NB-IoT的三種工作模式

1.2 NB-IoT的傳輸方式

NB-IoT支持下行OFDMA傳輸，頻域間每個載波只包含一個PRB，子載波間隔為15kHz，循環前綴CP的長度為常規CP。

上行定義了多子載波（Multi-tone）和單子載波（single-tone）兩種傳輸方式。多子載波的傳輸方式支持以15kHz的子載波間隔定義連續12個子載波，并且這些子載波可以組合成3個、6個或者12個連續子載波。單子載波支持兩種子載波間隔：3.75kHz和15kHz。對于3.73kHz的子載波間隔，定義了48個連續的子載波；對于15kHz的子載波間隔，定義了12個連續的子載波。

1.3 NB-IoT的覆蓋增強技術

（1）符號擴頻技術和多次重傳技術。

（2）提高編碼增益以及降低移動性對信道的影響。上行采用Turbo碼，相比GSM采用的卷積碼有更高的增益；并且采用更低的調制解調方式（BPSK），對譯碼信噪比需求降低，因此獲得更高的增益；NB-IoT不支持切換，終端處于靜止或者低速移動狀態，慢信道變化可通過Busrt獲得更高的增益。

（3）提升上行功率譜密度。采用更窄的帶寬（3.75kHz/15kHz）可獲得更高的功率譜密度。

（4）數據重傳。采用數據重傳技術獲得時間分集增益，采用低階調制方式提高解調性能、增強覆蓋性能，各個信道均可實現重復發生。

2 NB-IoT的組網方案選擇

NB-IoT網絡發展過程中需要關注兩方面問題，一方面是來自于網絡內部信號干擾引起的傳輸可靠性問題，另一方面是如何快速高效地滿足LPWA類蜂窩物聯網業務的低功耗、低成本和大連接需求。因此，選擇最優的頻率以及最佳的基站建設方式尤其重要。

2.1 NB-IoT的頻率選擇

對于獨立方式（SA）部署的NB-IoT網絡，由于系統配置靈活，可相對獨立組網，在該模式下需要考慮與鄰頻系統的干擾問題，如GSM、CDMA、UMTS、LTE等系統。獨立模式部署的NB-IoT與其他相鄰系統的保護帶要求，3GPP組織在R13 TS 36.101和R13 TS 36.104中做了評估和限定，如下表2所示：

表2 NB-IoT獨立載波與其他IMT系統鄰頻的載波間隔

對于帶內、保護帶工作模式下的NB-IoT網絡，主要考慮NB-IoT Single-tone 3.75kHz與LTE系統間的干擾問題。一般情況下，可通過預留PRB作為保護帶或通過NB-IoT子載波調度算法來規避NB-IoT與LTE系統間的干擾。

NB-IoT只支持半雙工的FDD模式，就中國移動而言，目前可用的FDD頻率有900MHz頻段以及1800MHz頻段。900MHz的覆蓋能力比1800MHz的深度覆蓋能力強，因此900M頻段為中國移動部署NB-IoT的首選頻段。如下圖2所示：

圖2 中國移動900MHz頻率分布

根據中國移動集團GSM頻率重耕優化指導意見相關討論會議的結果，中國移動物聯網占用頻率為945.8～950.8（下行）和953.3～953.9（下行）共5.6M頻率。

2.2 NB-IoT組網建設方式

目前NB-IoT網絡的建設方式主要包括新建NB-IoT基站和利舊GSM站點升級建設NB-IoT基站兩種方式。

新建NB-IoT基站需要新增天饋系統，新增RRU，新增基帶板卡等。優點是不影響現有GSM網絡，可以獨立進行優化調整，但新增天饋系統難度大、投資較高。

利舊GSM站點升級建設NB-IoT基站可以利舊原有的天饋系統，建設速度快，施工難度較小，投資較少。并且當NBIoT的工作模式為Inband模式或后期引入eMTC后，可同時開通LTE FDD900，增加網絡容量。

以愛立信RBS6000系列設備為例，如下圖3所示：

（1）基帶：新增數字基帶單驗板卡DUS41/BB52系列；

（2）RRU：復用現有的GSM基站RRU；

（3）天饋系統：復用現有GSM基站的天饋系統和饋線；

（4）同步：復用GPS系統；

（5）傳輸接口：NB-IoT新增傳輸接口；

（6）CPRI接口：新增一套光纖及光模塊。

圖3 Ericsson RBS6000系列GSM基站升級NB-IoT基站示意圖

3 NB-IoT網絡組網實踐

江蘇NB-IoT網絡目前實行GSM設備升級的建設模式，NB-IoT和GSM共RRU和天饋，使用Standalone的模式，使用頻段為953—954MHz，一個頻點200kHz，可用NB頻點共四個：

表3 NB-IoT頻段使用

現網對于NB-IoT組網性能進行了相關驗證和實踐工作。

3.1 NB-IoT和GSM覆蓋對比分析

（1）單站拉遠測試對比

由于NB-IoT采用窄帶提升了功率譜密度，同時采用重復傳送技術，相比GSM的覆蓋能力可以提升約20dB。為了驗證實際的覆蓋效果，現網進行了拉遠測試，對比了NB-IoT和GSM的覆蓋能力。

NB-IoT網絡的覆蓋評估一般采用MCL（Maximum Coupling Loss，最大鏈路損耗），不同鏈路損耗情況下，GSM和NB-IoT的上行速率對比如下圖，其中NB的工作模式為Standalone，功率為20w，GSM小區功率也為20w。

圖4 GSM/NB-IoTPathloss對比

GSM在路損達到141dB時，終端脫網，而NB-IoT在路損達到160時，上行速率可以達到1kbps，實測NB-IoT覆蓋能力要高于GSM約19dB，基本符合理論預期。

（2）深度覆蓋測試對比

為進一步驗證NB-IoT網絡的深度覆蓋能力，選擇無錫市中醫院門診樓一樓大廳進行NB-IoT基站以及GSM站點室外覆蓋室內的對比測試。對比測試選擇NB-IoT基站為紅星路隧道NB-IoT站點，由GSM站點紅星路隧道通過升級方式建設，NB-IoT站點的工作方式為Standalone模式。

中醫院一樓大廳距離測試NB-IoT基站距離約700米，實地測試，無錫中醫院門診樓一樓大廳為紅星路隧道NB-IoT基站C小區覆蓋，功率為10W，對應的GSM小區的功率為42dBm（約16W）。

中醫院室內的NB-IoT的各項業務Ping、UDP上傳均正常，如下表4所示：

表4 中醫院門診樓一樓NB-IoT業務測試情況

紅星路隧道GSM站點C小區的覆蓋情況如下圖5所示：

圖5 中醫院門診樓一樓GSM_Rxlev覆蓋圖

GSM測試時，鎖定與紅星路隧道NB-IoT基站C小區共天饋的GSM小區BCCH=51號頻點。通道處接收到GSM小區信號在-85dBm左右，越逐漸向室內1樓大廳走，信號衰弱越大，當進入醫院1樓大廳時，GSM信號強度低于-90dBm，GSM脫網。在整個1樓大廳內均無法接收到該GSM小區信號。

從實際的對比測試看：NB-IoT在RSRP=-120dbm以下的點可以正常接入并且可以做上下行業務，在深度覆蓋方面NBIoT較GSM具有優勢。

3.2 1∶N組網覆蓋情況驗證

NB-IoT站點建設目前是依托GSM站點進行，由于NBIoT的覆蓋能力要強于GSM，所以可采用較少的站點達到比較好的覆蓋效果，現網通過實測，驗證了NB-IoT和GSM站點不同站點數量比例的情況下，信號覆蓋和質量。

現網選取了一個簇，通過路測，分別驗證了1∶1、1∶2和1∶4三種站點數量比例下的覆蓋情況，如表5：

表5 不同NB站點數量的覆蓋對比

覆蓋強度RSRP隨著NB-IoT站點數量的減少逐漸下降，1∶2相比 1∶1 RSRP 下降約 2～5dB，1∶4 相比 1∶1 下降約 10～12dB。

由于重疊覆蓋減少的原因，隨著站點數量的減少，干擾水平下降，覆蓋質量SINR有所改善，空載情況下1∶2和1∶4比 1∶1 組網改善 3-4dB，加載情況下 1∶2 和 1∶4 比 1∶1 組網改善6dB左右。

考慮一定的覆蓋預留，同時參考實測數據，上行1Kbps的速率要求的RSRP約為-120dBm。

按照1kbps的上行邊緣速率和95%覆蓋率要求：

1∶1可提供25 dB穿損余量，1∶2可提供25dB穿損余量，1∶4可提供23 dB穿損余量。

按照1kbpsbps的上行邊緣速率和99%覆蓋率要求：

1∶1可提供21dB穿損余量，1∶2可提供16 dB穿損余量，1∶4可提供12 dB穿損余量。

3.3 NB-IoT異頻組網模式驗證

建網初期，NB-IoT網絡采用同頻組網的模式，由于NBIoT的覆蓋能力高于GSM，重疊覆蓋區域較大，導致了現網存在覆蓋強度較好、SINR較差的情況。以現網一個網格測試為例，同頻組網測試情況如下圖所示：

圖6-1 同頻組網RSRP

圖6-2 同頻組網SINR

可以看出存在較多SINR低于-3dB的區域。為了優化相關問題，現網試點了NB-IoT的異頻組網模式，在試點區域共采用3個頻點組網，將覆蓋方向正對的鄰區配置為異頻，如圖7所示：

圖7 NB-IoT同頻和異頻組網

采用異頻組網后，減少重疊覆蓋區域的相互干擾，達到提升下行信號質量的目的，實際對比情況如表6所示：

表6 同異頻組網覆蓋性能對比

采用異頻組網后，試點區域信號強度RSRP和之前基本持平，信號質量提升明顯，平均SINR提升3.69dB，SINR<-3dB占比降低6.08個百分點。

從測試結果來看，NB-IoT的異頻組網模式，可以有效提升下行的信號質量，在后續組網中有較好的應用價值。

3.4 NB-IoT容量解決方案驗證

NB-IoT的隨機接入能力取決于一個PRACH周期內PRACH信道的資源。如圖8所示：一個NPRACH周期內，有12個PRACH子載波，共占用12×3.75kHz，且與PUSCH預留15kHz保護帶。

圖8 NB-IoT上行信道格式

那么在一個PRACH周期內，同時并發進行隨機接入的終端上限為12個。而物聯網業務多是大連接業務，普遍存在多終端同時接入網絡進行數據交互的情況，需要考慮并發容量受限的應對措施。

以南京某智能路燈項目為例，1000盞路燈試點區域情況如下：

表7 智能路燈試點區域情況

按照燈桿部署30m間距，按NB-IoT間距900m～1.5km，單小區覆蓋3～4條馬路兩側進行計算評估：區域路燈布放后，估計單小區部署的燈桿數約為（912.60/30）×2×4=243個；如果同時上線，明顯超過小區的并發接入用戶數，現網從無線接入側到業務平臺側運用了對應的保障措施。

無線側隨機接入信道擁塞控制（Backoあ）。隨機接入Backoあ功能，是終端在隨機接入失敗之后，隨機推遲一段時間再進行接入，提高終端在一定時間內隨機接入的成功率。

圖9 隨機接入信道擁塞控制

業務平臺進行錯峰接入。在初始上電接入時，對上電時間進行錯峰入網，如采用隨機值，或采用按ID號順序入網等，使路燈入網隨機離散開，最終在一定時間內完成所有終端的入網，避免大量終端同時入網對基站造成沖擊。在周期內上報數據時，周期性狀態上報使用隨機數方式（第一次上電時取隨機值+1小時=下次上報時間）進行上報，應用所管轄的所有的路燈在一小時內把狀態上報完。

圖10 數據錯峰上報

通過各項保障手段的事實，實驗區域1000盞路燈，在規定時間內順利完成了上電入網和點亮。

4 總結

本文在介紹NB-IoT基本特點及組網方式的基礎上，通過實測數據驗證了NB-IoT在覆蓋方面的優勢以及不同站點比例情況下可提供的覆蓋能力，同時驗證了NB-IoT異頻組網模式的可行性，以及提供了NB-IoT并發接入容量問題的解決方案，為下一步網絡的規劃和部署提供參考。