張彬，王志鵬，馬慶

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院河北分公司，石家莊 050021）

NB-IoT部署方案及關(guān)鍵問(wèn)題分析

張彬，王志鵬，馬慶

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院河北分公司，石家莊 050021）

本文討論了3GPP物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT的優(yōu)勢(shì)及其技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)GSM頻率重耕至NB-IoT和FDD過(guò)程中涉及的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析和闡述，同時(shí)提出了相應(yīng)的建議，為未來(lái)NB-IoT和FDD的統(tǒng)一部署提供了技術(shù)參考。

NB-IoT；LPWA；3GPP；頻率重耕

物聯(lián)網(wǎng)的概念想必大家都不陌生，根據(jù)工信部物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)中的定義，物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無(wú)縫鏈接，達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策目的。

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是萬(wàn)物互聯(lián)，萬(wàn)物互聯(lián)的基礎(chǔ)是通信網(wǎng)絡(luò)，隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備增多、設(shè)備的類(lèi)型及應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富，越來(lái)越多的設(shè)備需要廣范圍、遠(yuǎn)距離的連接，而且大部分應(yīng)用只需要較低的數(shù)據(jù)傳輸速率，到底什么樣的網(wǎng)絡(luò)更適合物聯(lián)網(wǎng)呢？為了滿足這種需求，LPWA(Low Power Wide Area Network，低功耗廣域網(wǎng))應(yīng)運(yùn)而生，專(zhuān)為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。由于具有“廣域”的特點(diǎn)，必然會(huì)涉及到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)，所以LPWA網(wǎng)絡(luò)一般是由電信運(yùn)營(yíng)商或?qū)ｉT(mén)的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商部署，由于LPWA網(wǎng)絡(luò)連接的基本都是“物”，因此通常也叫“物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)”。

運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)是全球覆蓋最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)，因此在接入能力上有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商也正想借物聯(lián)網(wǎng)連接作為切入垂直行業(yè)的關(guān)鍵點(diǎn)，那運(yùn)營(yíng)商目前的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是否能直接承擔(dān)LPWA的重任呢？答案是否定的，因?yàn)槟壳暗?G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)還存在不支持海量連接、典型場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足、終端功耗大成本高等問(wèn)題，與物聯(lián)網(wǎng)的需求尚不匹配。有需求就有解決方案，3GPP針對(duì)降低成本、降低功耗、增強(qiáng)覆蓋等方面進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)：Cat1、CatM、NB-IoT，并于2015年9月完成立項(xiàng)。前兩個(gè)是針對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，而NBIoT是針對(duì)LPWA類(lèi)業(yè)務(wù)“超深覆蓋、低功耗、低成本”需求設(shè)計(jì)的專(zhuān)有制式網(wǎng)絡(luò)，終端成本最低，是本文討論的主要內(nèi)容。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)

2016年6月22日，3GPP宣布已完成NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化工作，這意味著Release13中面向IoT市場(chǎng)制定的核心協(xié)議已經(jīng)完成。NB-IoT可以看作是一種基于4.5G的技術(shù)，它構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通常只需占用200kHz的頻段，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT具備以下四大特點(diǎn)。

1.1 覆蓋能力更強(qiáng)

根據(jù)前面的討論，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求要高于現(xiàn)在人與人之間的通信，因?yàn)閭鞲衅饕话愣及惭b在如室內(nèi)、地下、機(jī)器內(nèi)等一些對(duì)深度覆蓋要求高的場(chǎng)景，因此增強(qiáng)的覆蓋能力是NB-IoT能夠立足的基礎(chǔ)，根據(jù)計(jì)算，NB-IoT相對(duì)于GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)覆蓋可以提高大約20 dB(前提是二者部署的頻段相同)，而藍(lán)牙、Wi-Fi等短距離通信技術(shù)更是無(wú)法與之相比。NB-IoT主要靠以下兩種技術(shù)來(lái)保證這種超強(qiáng)覆蓋能力。

增強(qiáng)的功率譜密度，如圖1所示，NB-IoT信道帶寬為15 kHz和3.75 kHz(一個(gè)LTE子載波或者1/4個(gè)子載波)，和GSM相比，能夠?qū)⑾嗤墓β史峙湓诟男诺郎?，功率譜密度提高約10～17 dB。

重復(fù)發(fā)送及編碼，為保證傳輸?shù)目煽啃裕琋B-IoT采用重復(fù)發(fā)送和編碼，可獲得3～12 dB (重復(fù)發(fā)送2～16次)的分集增益和3～4 dB的編碼增益，共計(jì)3～16 dB，如圖2所示。

因?yàn)镹B-IoT終端發(fā)射功率較GSM終端要小(前者最大發(fā)射功率23 dBm，后者最大發(fā)射功率33 dBm)，因此在總增益中還要減去10 dB，即便如此，NB-IoT依然能提供20 dB的增益。

圖1 NB-IoT功率譜密度示意圖

圖2 NB-IoT重復(fù)發(fā)送示意圖

1.2 支持海量連接

NB-IoT具有更小的資源粒度，能支持更多的并發(fā)連接，在混合業(yè)務(wù)模型下(包含自動(dòng)上報(bào)業(yè)務(wù)不同分組大小、不同上報(bào)間隔；包含下行軟件更新、配置等業(yè)務(wù)不同分組大小)，評(píng)估可達(dá)到每小區(qū)5萬(wàn)左右的連接數(shù)，這相對(duì)于LTE每小區(qū)1 200個(gè)連接已實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。

1.3 終端功耗小

如圖3所示，NB-IoT通過(guò)采用增強(qiáng)型的DRX (非連續(xù)接收)和引入新的PSM (Power Saving Mode，節(jié)電模式)，使得終端芯片的功耗大大降低，延長(zhǎng)了工作時(shí)間，保證物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的持續(xù)性，根據(jù)3GPP TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，在耦合耗損164 dB的惡劣環(huán)境下，PSM和增強(qiáng)型DRX均部署，如果終端每天發(fā)送一次200 byte報(bào)文，5 W/h電池壽命可達(dá)12.8年。

圖3 NB-IoT降低功耗技術(shù)示意圖

1.4 終端成本低

相對(duì)于目前蜂窩網(wǎng)的移動(dòng)終端，物聯(lián)網(wǎng)終端芯片工作頻帶窄，速率要求低，不需要多天線，因此射頻部分和協(xié)議棧均可簡(jiǎn)化，模組成本不超過(guò)5美元，而且該成本還有望伴隨規(guī)模效應(yīng)進(jìn)一步降低。

2 NB-IoT建設(shè)方式

以中國(guó)移動(dòng)為例，可以考慮以下3種部署方式。

2.1 新建NB-IoT系統(tǒng)

新建NB-IoT系統(tǒng)，增加基帶和天饋，這種方式最簡(jiǎn)單，性能最優(yōu)，但該方案無(wú)論從成本考慮還是從天面資源考慮，都不太切合實(shí)際。

2.2 基于TD-LTE站點(diǎn)部署

基于現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE站點(diǎn)部署NB-IoT，新增基帶板，可利舊傳輸、主控和時(shí)鐘，但是需要改動(dòng)天面，這對(duì)于當(dāng)前作為中國(guó)移動(dòng)主要運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)的TD-LTE來(lái)說(shuō)，其性能可能被影響，有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 基于GSM站點(diǎn)部署

新增基帶板、傳輸和時(shí)鐘，但射頻和天饋可以利舊(部分老舊設(shè)備可能需要替換)，這種方式不會(huì)影響TDLTE網(wǎng)絡(luò)，還可以盡量利舊GSM的設(shè)備資源和綜合考慮FDD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，是本文推薦的部署方式。

3 GSM/NB-IoT/FDD統(tǒng)一規(guī)劃

考慮到后續(xù)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，對(duì)于中國(guó)移動(dòng)來(lái)說(shuō)，不排除會(huì)拿到FDD牌照做一些特殊場(chǎng)景的覆蓋，因此筆者建議在考慮NB-IoT部署時(shí)，應(yīng)做到GSM/NB-IoT/FDD的統(tǒng)一規(guī)劃，主要涉及到頻率和設(shè)備兩方面，下面一一進(jìn)行闡述。

3.1 頻率規(guī)劃

頻率規(guī)劃方面，主要考慮GSM900頻率可重耕多少和頻率如何分配兩個(gè)問(wèn)題。如表1所示，以中國(guó)移動(dòng)GSM900網(wǎng)絡(luò)為例，目前共有19 MHz帶寬，94個(gè)GSM頻點(diǎn)。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，越來(lái)越多的2G用戶遷移至4G，GSM900的帶寬便可以重耕為NB-IoT和FDD網(wǎng)絡(luò)所用，目前很多省都開(kāi)始了GSM頻段的翻頻工作。那么，到底可以重耕多少2G帶寬呢？可以參考圖4的流程進(jìn)行計(jì)算。筆者曾經(jīng)對(duì)中部某城市進(jìn)行過(guò)計(jì)算，近期可重耕5 MHz帶寬，中遠(yuǎn)期可重耕10 MHz。

表1 中國(guó)移動(dòng)GSM900頻點(diǎn)分配

在確定了可用帶寬后，我們還要考慮GSM/NBIoT/FDD 3個(gè)系統(tǒng)如何分配頻率的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析，考慮到NB-IoT頻點(diǎn)的位置，可分為3種方式，分別是Standalone、Guardband、Inband，如圖5所示，即NB-IoT頻點(diǎn)獨(dú)立設(shè)置、位于保護(hù)帶內(nèi)和位于FDD頻段內(nèi)。

考慮到頻點(diǎn)調(diào)整應(yīng)盡量減少對(duì)GSM現(xiàn)網(wǎng)產(chǎn)生影響以及FDD和NB-IoT頻點(diǎn)的擴(kuò)展靈活性，筆者建議使用圖6所示的分配方式，LTE頻段采用三明治方式，NB-IoT頻點(diǎn)采用Standalone方式部署在高端，這種方式FDD在擴(kuò)展帶寬(如5 MHz擴(kuò)到10 MHz)時(shí)，中心頻點(diǎn)可保持不變，NB-IoT也可根據(jù)容量需求靈活的增加頻點(diǎn)。

圖4 GSM可重耕帶寬計(jì)算流程圖

圖5 帶寬分配方式

圖6 建議的帶寬分配方式

3.2 設(shè)備規(guī)劃

如前分析，考慮到建設(shè)成本和站點(diǎn)天面資源，我們采用利舊GSM現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)的方式部署NB-IoT，同時(shí)兼顧FDD。下面我們從BBU、RRU、天線3個(gè)方面討論利舊設(shè)備時(shí)要注意的問(wèn)題。

3.2.1 基帶單元BBU

在基于GSM部署NB-IoT和FDD網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際部署中，對(duì)于支持GSM/NB-IoT/FDD三系統(tǒng)共框的設(shè)備來(lái)說(shuō)，需新增NB-IoT基帶板和FDD基帶板，同時(shí)還要視情況增加IP傳輸和GPS同步源；對(duì)于不支持GSM/ NB-IoT/FDD三系統(tǒng)共框的老設(shè)備則應(yīng)進(jìn)行替換。

3.2.2 射頻單元RRU

RRU設(shè)備的改造情況比較復(fù)雜，主要考慮以下幾個(gè)方面。

(1) RRU設(shè)備是否支持GSM/NB-IoT/FDD三模，如不支持則需要更換新設(shè)備。

(2) 考慮到FDD系統(tǒng)，RRU設(shè)備應(yīng)為雙通道，否則無(wú)法使用MIMO技術(shù)，所以對(duì)于單通道RRU要進(jìn)行改造，要么直接替換，要么采用2個(gè)單通道設(shè)備進(jìn)行雙拼，雙拼時(shí)應(yīng)注意兩個(gè)單通道設(shè)備要同型號(hào)且饋線長(zhǎng)度盡量相等。

(3) 在改造過(guò)程中，RRU設(shè)備的功率要滿足保證GSM現(xiàn)網(wǎng)覆蓋質(zhì)量不受影響的前提下，剩余功率還能滿足NB-IoT和FDD系統(tǒng)的要求，這樣才能保證設(shè)備的長(zhǎng)久可用性，如果功率存在限制，應(yīng)考慮更換為更大功率的新設(shè)備。

(4) 最后還應(yīng)該核實(shí)現(xiàn)網(wǎng)RRU設(shè)備的頻率支持情況，一些老舊設(shè)備在支持多模時(shí)可能存在頻點(diǎn)配置受限的問(wèn)題，也需要更換成新設(shè)備。

3.2.3 天面

基于GSM部署NB-IoT和FDD，最大的優(yōu)勢(shì)就是可利舊現(xiàn)網(wǎng)天面，這對(duì)于天面資源緊張的場(chǎng)景尤為重要，可大大降低物業(yè)協(xié)調(diào)難度。不過(guò)，考慮到多個(gè)系統(tǒng)未來(lái)可獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最好將現(xiàn)網(wǎng)GSM天線替換成多端口天線。

4 結(jié)論

本文討論了NB-IoT的概念及其技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀建議采用基于GSM900網(wǎng)絡(luò)部署NBIoT，同時(shí)考慮FDD網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，從頻率和設(shè)備角度闡述了GSM900升級(jí)部署NB-IoT和FDD過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，為GSM/NB-IoT/FDD三網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃提供參考。

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[3] 張炎炎, 徐德平, 程日濤, 等. 中國(guó)移動(dòng)LTE FDD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案及引入策略分析[A]. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院新技術(shù)論壇[C]. 2014.

[4] 吳偉陵, 牛凱. 移動(dòng)通信原理[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2009.

Discussion and key problem analysis of deployment scheme of NB-IoT

ZHANG Bin, WANG Zhi-peng, MA Qing
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Hebei Branch, Shijiazhuang 050021, China)

This paper discusses the advantage and technical features of NB-IoT, and the key technical problems involved in GSM frequency refarming to NB-IoT and FDD. Meanwhile, some suggestions are presented, which provide a reference for the integrated deployment of NB-IoT and FDD network.

NB-IoT; LPWA; 3GPP; frequency refarming

TP393

A

1008-5599（2017）06-0072-04

2017-05-06