郝建民

摘 要：NB-IoT是LPWA的主要解決方案，其具有鮮明的技術(shù)特點(diǎn)，以廣覆蓋、大連接、低功耗和低成本的特點(diǎn)成為目前物聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù)之一。文章主要介紹了NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)特性，針對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強(qiáng)的特性進(jìn)行介紹和分析，并且對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用過程中覆蓋能力的評(píng)估方法進(jìn)行介紹和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：NB-IoT無線通信；物聯(lián)網(wǎng)；覆蓋

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)已經(jīng)從人與人的連接擴(kuò)展到物與物的連接，萬物互聯(lián)成為通信技術(shù)的發(fā)展方向。最近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，世界上的一切都可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)連接，包括一些高速率服務(wù)（如視頻業(yè)務(wù)服務(wù)）和一些低速率業(yè)務(wù)服務(wù)（如抄表抄表業(yè)務(wù)服務(wù)）。窄帶物聯(lián)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）網(wǎng)絡(luò)針對(duì)低速率的業(yè)務(wù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 NB-IoT無線通信技術(shù)的基本介紹

NB-IoT是3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWA）解決方案，作為未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分，NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是NB-IoT協(xié)議?；贚TE的設(shè)計(jì)，然而，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的要求，去除了一些非必需的功能，降低了協(xié)議棧處理的開銷。因此，從協(xié)議棧的角度看，NB-IoT是新的空口協(xié)議。主要用于支持WAN蜂窩數(shù)據(jù)連接的低功耗設(shè)備，僅消耗約180 kHz帶寬，可直接部署在GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)中，以降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)升級(jí)。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：（1）超級(jí)大量連接，NB-IoT一個(gè)小區(qū)能夠支持5萬個(gè)連接，支持低延遲靈敏度、超低設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2）覆蓋能力強(qiáng)，NB-IoT比LTE提升20 dB增益，相當(dāng)于發(fā)射功率提升了100倍，即覆蓋能力提升了100倍，即使在地下車庫(kù)、地下室、地下管道等，信號(hào)也很難到達(dá)。（3）超低功耗，NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此，NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年。（4）低成本，低速率低功耗低帶寬帶來的是低成本優(yōu)勢(shì)，模塊成本有望降至5美元之內(nèi)[1]。

2 NB-IoT無線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)特性

根據(jù)NB-IoT的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT所支持的相關(guān)應(yīng)用具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：（1）低速率屬性，通過前面的相關(guān)介紹可知，NB-IoT主要是為了解決IoT中低速率業(yè)務(wù)而提出的。NB-IoT采用了低階調(diào)制，低速率也是其主要特征。（2）高時(shí)延屬性，NB-IoT具有很強(qiáng)的覆蓋能力。為了實(shí)現(xiàn)高可靠的廣域覆蓋，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸可能需要進(jìn)行多次重傳，從而導(dǎo)致較大的通信時(shí)延。當(dāng)前NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)設(shè)想的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延可能會(huì)達(dá)到10 s。（3）低頻次屬性，低頻次就是指單位時(shí)間內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)不能過于頻繁。過于頻繁的數(shù)據(jù)傳輸不僅會(huì)增加IoT終端的功率消耗，也會(huì)對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延提出更為嚴(yán)苛的要求。（4）移動(dòng)性弱特性，由于NB-IoT對(duì)終端功耗有很高的要求，為了節(jié)省終端功耗，NB-IoT Rel-13標(biāo)準(zhǔn)不支持連接狀態(tài)的移動(dòng)性管理，包括相關(guān)的測(cè)量報(bào)告、測(cè)量、切換等。

3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力

NB-IoT的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在GSM的基礎(chǔ)上覆蓋20 dB，以144 dB作為GSM的最大耦合損耗，NB-IoT設(shè)計(jì)的最大耦合損耗（Max Coupling Loss，MCL）為164 dB。其中，下行鏈路主要依靠增加各自信道的最大重傳次數(shù)來實(shí)現(xiàn)覆蓋增強(qiáng)。其上行鏈路覆蓋主要從兩個(gè)方面增加：（1）在覆蓋范圍有限的條件下，NB-IoT可以通過單子載波傳輸，大大提高了其功率譜密度（功率譜密度）。以Singletone部署模式下3.75 kHz的副載波間隔為例，與GSM 180 kHz的帶寬相比，PSD的增益可達(dá)17 dB左右。（2）可以增加上行鏈路信道的最大重傳次數(shù)以獲得覆蓋增強(qiáng)。因此，雖然NB-IoT終端的上行鏈路傳輸功率（23 dBm）低于GSM（33 dBm）為10 dB，但傳輸帶寬的縮小和最大重傳次數(shù)的增加使上行鏈路工作在16 dB的最大損耗[2]。

4 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的評(píng)估研究

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中的覆蓋能力效果目前主要通過以下幾種方法呈現(xiàn)：路測(cè)和CQT測(cè)試指標(biāo)；仿真軟件的仿真結(jié)果；網(wǎng)管側(cè)的覆蓋等級(jí)分布比例。

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的最終目標(biāo)是以最優(yōu)性價(jià)比網(wǎng)絡(luò)提供最優(yōu)的用戶體驗(yàn)，即充分利用頻譜資源并以高性價(jià)比進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署建設(shè)，同時(shí)更好地滿足網(wǎng)絡(luò)發(fā)展不同階段下網(wǎng)絡(luò)覆蓋和用戶容量需求。仿真工具可以有效地模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的性能，驗(yàn)證規(guī)模估計(jì)結(jié)論，通過物理調(diào)整和參數(shù)調(diào)整優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，并輸出仿真報(bào)告，指導(dǎo)后期的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化。在規(guī)劃和建設(shè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，從頻帶的確定、頻率的分布、無線電波的覆蓋、通信概率的計(jì)算和系統(tǒng)間的電磁干擾等方面，到最終確定無線設(shè)備的參數(shù)為止，都必須依賴于對(duì)無線電波傳播特性的研究、對(duì)無線電波的理解和基于無線電波的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)。無線傳播模型是計(jì)算無線傳播損耗、頻率、距離、環(huán)境、天線高度等參數(shù)的數(shù)學(xué)公式。在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，無線傳播模型可以幫助設(shè)計(jì)者理解實(shí)際傳輸環(huán)境中的近似傳播效應(yīng)，并估計(jì)空氣傳播的損失。因此，傳播模型的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到社區(qū)規(guī)劃是否合理。地面上的無線通信環(huán)境有很大的不同，不同通信環(huán)境的傳播模式也會(huì)有所不同，因此，通信環(huán)境對(duì)無線通信模型的建立起著關(guān)鍵的作用。確定某一地區(qū)傳輸環(huán)境的主要因素有：自然地形（山、水等）；人工建筑物的數(shù)量、高度、分布和物質(zhì)特征；該地區(qū)的植被特征；天氣條件；自然和人為電磁噪聲條件；系統(tǒng)工作頻率；移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)條件等[3]。

鄭州城區(qū)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)整體評(píng)估如圖1所示。重點(diǎn)區(qū)域NB-IoT網(wǎng)絡(luò)立體評(píng)估如圖2所示。

通過進(jìn)行穿損測(cè)試專項(xiàng)、LTE與NB-IoT覆蓋對(duì)比專項(xiàng)、功率對(duì)比專項(xiàng)、RSRP與SINR關(guān)系專項(xiàng)等專題項(xiàng)目，對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋性能進(jìn)行系統(tǒng)分析。