安進朝

（河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司 河北省石家莊市 050200）

在第四代移動通信推廣的背景下，網(wǎng)絡(luò)帶給人們的體驗愈加豐富，在網(wǎng)絡(luò)速率提升的同時，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活程度也不斷增加，能夠使人們的需求得到滿足。與此同時，智能技術(shù)的普及應(yīng)用，加強了人與人、物與物和人與物之間的聯(lián)系，物聯(lián)網(wǎng)的重要作用逐漸被各行各業(yè)所重視，成為了廣域移動通信未來發(fā)展的方向。在此背景下，以4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的NB-IoT 應(yīng)運而生。網(wǎng)絡(luò)運營商的基站資源十分豐富，只需要升級軟件或硬件，即可達成廣域物聯(lián)服務(wù)的目標，目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為國內(nèi)各大網(wǎng)絡(luò)運營商的重要業(yè)務(wù)。在查閱資料后得知，我國物聯(lián)網(wǎng)用戶的規(guī)模已達1.5 億。借助廣域覆蓋資源，使用戶物聯(lián)需求得到滿足，需要網(wǎng)絡(luò)運營商進行研究。

1 NB-IoT特點和國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 NB-IoT概述

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，大數(shù)據(jù)和智能化的時代已經(jīng)悄然而至，在此背景下，建設(shè)新一代的信息基礎(chǔ)設(shè)施刻不容緩，以促進通信技術(shù)的進一步發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，為人們創(chuàng)造了便利的生活條件，有助于社會的進步和發(fā)展，與人們生活之間存在密切的關(guān)聯(lián)。自改革開放以來，我國居民的生活水平日漸提升，對互聯(lián)網(wǎng)性能提出了更高的要求，對物聯(lián)網(wǎng)的要求也同樣如此。以傳輸距離為依據(jù)，我們可以將物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)分為兩大類，分別是短距離通信技術(shù)和廣域網(wǎng)通信技術(shù)，而NB-IoT 就屬于廣域網(wǎng)通信技術(shù)的一種。與Wi-Fi 等短距離通信技術(shù)相比，以NB-IoT 為代表的廣域網(wǎng)通信技術(shù)，所應(yīng)用的基站主要包括公有基站和私有基站，故在覆蓋范圍上更為廣泛，可以為物聯(lián)網(wǎng)深度覆蓋創(chuàng)造有利的條件。相較于LET 技術(shù)而言，廣域網(wǎng)通信技術(shù)的窄帶技術(shù)可以實現(xiàn)對頻譜的充分利用，故連接數(shù)量較多，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)海量連接的需求。NB-IoT 的覆蓋率目標為163.7dB，同時采用了窄帶技術(shù)，可根據(jù)實際需求對其子載波帶寬進行調(diào)整，調(diào)整范圍是3.75KHz 和15KHz，子載波之間存在15KHz 的間隔。這種窄帶技術(shù)的運用，使功率譜密度大幅度提升。NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)覆蓋技術(shù)的部署方案包括三種，分別是寬內(nèi)部署、獨立部署和保護帶部署，網(wǎng)絡(luò)運營商可結(jié)合業(yè)務(wù)需求，靈活選擇部署方式。

1.2 NB-IoT的特點

將3GPP 標準定義作為依據(jù)可知，NB-IoT 具有以下特點：

（1）覆蓋范圍廣；

（2）連接大；

（3）網(wǎng)絡(luò)速率低；

（4）時延敏感程度差；

（5）成本低廉；

（6）功耗較低。

因此NB-IoT 在具有相同特點的設(shè)備或工作中較為適用，可以取得良好的應(yīng)用效果。例如：智能抄表、穿戴類設(shè)備以及資產(chǎn)跟蹤等。在網(wǎng)絡(luò)運營商提供的4G 網(wǎng)絡(luò)頻段帶內(nèi)，NB-IoT 僅需使用頻率為180Hz 的窄頻寬帶，就能獲取非常高的接入能力，在查閱資料后得知，最高接入能力可達50000/載扇，且實現(xiàn)方式較為簡單，網(wǎng)絡(luò)運營商只需升級硬件和軟件。

1.3 NB-IoT國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國移動在2G/3G 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，用戶規(guī)模占比高達70%以上，同時在2016年在國內(nèi)多個城市對NB-IoT 進行外場測試。在進入2017年后，中國移動的申請得到了批準，可以將現(xiàn)有頻段作為基礎(chǔ)建設(shè)NB-IoT，之后，中國移動通過招標的方式，計劃在未來建設(shè)14.5 萬個基站，并借助基站數(shù)量優(yōu)勢，使快速部署的目標成功實現(xiàn)。

中國電信在2016年的論壇會議上提出了發(fā)展物聯(lián)的計劃，并計劃在年內(nèi)部署頻段為800Hz 的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，希望通過這種方式，改善基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)狀，并實現(xiàn)進一步的發(fā)展。在查閱統(tǒng)計數(shù)據(jù)后得知，截止到2018年初，中國電信所建設(shè)的基站數(shù)量高達31 萬，使廣域全覆蓋目標成功實現(xiàn)，同時與眾多知名企業(yè)簽訂了合作協(xié)議，這些企業(yè)包括海爾、海信和ofo。

中國聯(lián)通的NB-IoT 已經(jīng)實現(xiàn)了對全國大部分城市的覆蓋，并成立產(chǎn)業(yè)基金促進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)基金規(guī)模達到了100 億元人民幣。

將現(xiàn)有基站升級方式作為基礎(chǔ)，廣域覆蓋目標并不難實現(xiàn)，但卻無法消除物聯(lián)通信和移動通信之間的差別，繼而引發(fā)了以下方面的問題：

（1）移動通信基站主要位于人類生活區(qū)域，而物與物之間的通信，卻經(jīng)常遠離人群，甚至在荒無人煙的地方進行，現(xiàn)有基站部署存在覆蓋漏洞，無法從根本上滿足物聯(lián)通信的需求。

（2）NB-IoT 對網(wǎng)絡(luò)覆蓋深度提出了嚴格的要求，但結(jié)合上文可知，NB-IoT 具有網(wǎng)絡(luò)使用成本低廉的特點，簡言之，就是用戶僅需花費少量的費用即可享受服務(wù)，因此NB-IoT 與傳統(tǒng)通信相比，資費較低。如果網(wǎng)絡(luò)運營商為滿足NB-IoT 需要單獨建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，會導(dǎo)致成本無法有效回收，投入與產(chǎn)出不匹配的現(xiàn)象也會隨之發(fā)生。

通過上述分析可知，NB-IoT 的發(fā)展尚未完善，接下來，本文會將NB-IoT 發(fā)生場景、延伸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)分析作為基礎(chǔ)，提出減少站點數(shù)量并促進網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能提升的措施，從而解決NB-IoT 發(fā)展過程中存在的問題，促使其實現(xiàn)更好的發(fā)展[1]。

2 NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)性能要求

2.1 發(fā)生場景

NB-IoT 主要的應(yīng)用場景如下所述：

（1）公共事業(yè)：智能水表、電表和氣表。部署的位置為地下室、外墻和樓梯間；

（2）智慧城市：智能燈桿和停車。部署位置為路邊和室外；

（3）消費醫(yī)療：寵物跟蹤。部署位置是寵物身上或周邊區(qū)域。

與傳統(tǒng)移動通信相比，NB-IoT 的部署位置相對較多。

2.2 NB-IoT典型場景覆蓋

目前，國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)運營商出于成本的考慮，會將傳統(tǒng)移動通信基站作為物聯(lián)通信基站，以實現(xiàn)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的目標。但實踐結(jié)果表明，這種基站部署方式存在覆蓋漏洞，部分特定場景無法被覆蓋，比如：智能水表、智能電表等等。在查閱統(tǒng)計數(shù)據(jù)后得知利用現(xiàn)有站址的典型NB-IoT 業(yè)務(wù)覆蓋率不盡如人意，具體數(shù)據(jù)如下所述：

（1）智能停車的覆蓋率為81%；

（2）智能電表的覆蓋率為85%；

（3）智能水表的覆蓋率為91%；

（4）ATM 機的覆蓋率為92%；

（5）智能家居的覆蓋率為95.1%；

（6）共享單車的覆蓋率為96%；

（7）智能路燈的覆蓋率為98%。

上述數(shù)據(jù)為某城市測試所得到的數(shù)據(jù)，僅具有參考價值[2]。

3 網(wǎng)絡(luò)性能提升的措施

結(jié)合上文可知，如果將現(xiàn)有基站作為升級部署，很難對特殊位置實現(xiàn)全面覆蓋，繼而引發(fā)覆蓋漏洞，與此同時，物聯(lián)業(yè)務(wù)資費較低，如果在弱區(qū)建設(shè)基站，會導(dǎo)致成本無法回收，建議網(wǎng)絡(luò)運營商將周邊網(wǎng)絡(luò)和終端采用情況作為依據(jù)，選擇合適的延伸技術(shù)，通過這種措施，使網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果得到強化，并在控制建設(shè)成本的基礎(chǔ)上，使覆蓋性能增強，為此，本文提出了以下幾種措施。

3.1 網(wǎng)絡(luò)延伸

所謂的網(wǎng)絡(luò)延伸是指通過信號放大設(shè)備的增加，使網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能提升的方法，這種網(wǎng)絡(luò)性能提升措施，有利于節(jié)省成本，究其原因，主要是信號放大設(shè)備僅需在NB-IoT 業(yè)務(wù)發(fā)生區(qū)域增加即可，與此同時，還要加強對舊有網(wǎng)絡(luò)天饋系統(tǒng)的使用，在選擇設(shè)備時，盡量以價格低廉且功率小的設(shè)備為主，比如：微站和無線直放站等等[3]。

上述方法雖然建設(shè)成本較低，但適用范圍卻相對較小，如果NB-IoT 業(yè)務(wù)所在區(qū)域并沒有分布式天饋系統(tǒng)或不具備建設(shè)天饋系統(tǒng)的條件，則這種方法的應(yīng)用難度較高，無法發(fā)揮應(yīng)有的作用。反之，如果具備上述條件，網(wǎng)絡(luò)延伸技術(shù)的優(yōu)勢可以充分實現(xiàn)。比如：網(wǎng)絡(luò)運營商可以對NB-IoT 業(yè)務(wù)發(fā)生區(qū)域進行改造和建設(shè)，通過微站和直放站的設(shè)置，達成預(yù)期的目的。在了解后得知，與宏基站相比，此類設(shè)備的價格僅為前者的25%左右，網(wǎng)絡(luò)運營商可以將業(yè)務(wù)開展情況作為依據(jù)，合理設(shè)置微站和直放站，從而在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果的基礎(chǔ)上，在最大限度上控制投資成本。

3.2 終端延伸

雖然網(wǎng)絡(luò)延伸可以取得良好的應(yīng)用效果，但依然會浪費一定的成本，因此，針對分散的應(yīng)用，可以使其與外接天線相聯(lián)合，構(gòu)成無源接收系統(tǒng)，使終端側(cè)的接收和發(fā)送增益得到有效提升，通過這種措施，確保弱覆蓋區(qū)域通信質(zhì)量的提升。在部署終端延伸的過程中，考慮到穿透墻所造成的損耗為10db，在設(shè)計過程中，應(yīng)該盡量將多個聯(lián)合設(shè)備的穿墻損耗控制在15db 以內(nèi)，這里所說的損耗主要由器件插損、饋線傳輸損耗和接頭損耗。通常情況下，延伸天線所連接的終端數(shù)量不少于6 個，而主天線位置對NB-IoT 信號強度要求相對較高，與終端最小接收電平相比，超出幅度為20dB。且具有安裝便捷和安裝方式靈活的特點，在終端分布較為零散的地區(qū)尤為適用，每個終端最高建設(shè)成本不超過300 元，平均成本為150 元[4]。

3.3 碼元重復(fù)傳輸

為確保物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強技術(shù)的整體效率，使碼元重復(fù)傳輸具有非常高的可行性，究其原因，主要是重復(fù)性傳輸，可以使信號碼元的整體傳輸時間延長。碼元重復(fù)傳輸?shù)膶嵸|(zhì)就是簡化的信道編碼，雖然會導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率下降，但有助于提升解調(diào)和譯碼的可靠性。尤其是在信噪比的環(huán)境下，可以發(fā)揮重要的作用。

3.4 應(yīng)用場景分析

考慮到部分區(qū)域?qū)儆诟采w盲區(qū)，且面積相對偏小，故終端數(shù)量不超過10 個，集中程度偏低，如果采用集中投資的方式，會導(dǎo)致投入成本無法回收的問題出現(xiàn)，針對此類情況，可以將終端側(cè)解決方案作為首要選擇。這里所描述的情況，常見于小型地下室、小型隧道、小型管井等場景之中。改進措施如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)運營商應(yīng)加強與終端廠商的合作，要求其在終端上設(shè)置隱蔽接收天線；

（2）網(wǎng)絡(luò)運營商應(yīng)將SMA 接口設(shè)置到終端天線和主板之間，如果在檢測過程中發(fā)現(xiàn)電線無法正常工作，可以將天線設(shè)置成外接天線。

如果業(yè)務(wù)覆蓋盲區(qū)過大，連片存在，且終端數(shù)量大于10 個，則采取集中投資的方式，簡言之，就是將網(wǎng)絡(luò)側(cè)的延伸覆蓋方案作為首選。常見于高層樓宇管井、大型地下室和設(shè)備機房等場景之中。改進措施如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)運營商需要將設(shè)備覆蓋面積作為依據(jù)，做好無線直放站的選擇，確保所選直放站的功率與業(yè)務(wù)要求相符。除無線直放站之外，選擇功率合適的微站和光纖直放站亦可。

（2）如果覆蓋區(qū)域已經(jīng)存在移動通信系統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)，可以在原有天饋基礎(chǔ)上進行合路改造，以節(jié)省成本。

4 結(jié)論

總而言之，物聯(lián)網(wǎng)作為國家信息規(guī)劃的重要內(nèi)容，是國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)未來發(fā)展的方向，由于NB-IoT 具備諸多方面的優(yōu)點，使其在低速率、大連接的應(yīng)用場景之中取得了良好的應(yīng)用效果。目前，國內(nèi)外知名網(wǎng)絡(luò)運營商紛紛對NB-IoT 進行研究和部署。為實現(xiàn)低投入，高覆蓋率的目標，建議網(wǎng)絡(luò)運營商基于實際需求，選擇合適的延伸覆蓋技術(shù)。