NB-IoT部署方案及關鍵問題分析

張彬，王志鵬，馬慶

（中國移動通信集團設計院河北分公司，石家莊 050021）

NB-IoT部署方案及關鍵問題分析

張彬，王志鵬，馬慶

（中國移動通信集團設計院河北分公司，石家莊 050021）

本文討論了3GPP物聯(lián)網(wǎng)標準NB-IoT的優(yōu)勢及其技術(shù)特點，并對GSM頻率重耕至NB-IoT和FDD過程中涉及的關鍵問題進行了分析和闡述，同時提出了相應的建議，為未來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)白皮書中的定義，物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應用和網(wǎng)絡延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網(wǎng)絡傳輸互聯(lián)，進行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫鏈接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策目的。

物聯(lián)網(wǎng)的基礎是萬物互聯(lián)，萬物互聯(lián)的基礎是通信網(wǎng)絡，隨著聯(lián)網(wǎng)設備增多、設備的類型及應用場景更加豐富，越來越多的設備需要廣范圍、遠距離的連接，而且大部分應用只需要較低的數(shù)據(jù)傳輸速率，到底什么樣的網(wǎng)絡更適合物聯(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))應運而生，專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應用而設計。由于具有“廣域”的特點，必然會涉及到網(wǎng)絡運營，所以LPWA網(wǎng)絡一般是由電信運營商或?qū)ｉT的物聯(lián)網(wǎng)運營商部署，由于LPWA網(wǎng)絡連接的基本都是“物”，因此通常也叫“物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡”。

運營商的網(wǎng)絡是全球覆蓋最為廣泛的網(wǎng)絡，因此在接入能力上有獨特的優(yōu)勢，同時，運營商也正想借物聯(lián)網(wǎng)連接作為切入垂直行業(yè)的關鍵點，那運營商目前的蜂窩移動通信網(wǎng)絡是否能直接承擔LPWA的重任呢？答案是否定的，因為目前的2G/3G/4G網(wǎng)絡還存在不支持海量連接、典型場景網(wǎng)絡覆蓋不足、終端功耗大成本高等問題，與物聯(lián)網(wǎng)的需求尚不匹配。有需求就有解決方案，3GPP針對降低成本、降低功耗、增強覆蓋等方面進行了針對性設計：Cat1、CatM、NB-IoT，并于2015年9月完成立項。前兩個是針對LTE網(wǎng)絡的優(yōu)化，而NBIoT是針對LPWA類業(yè)務“超深覆蓋、低功耗、低成本”需求設計的專有制式網(wǎng)絡，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

2016年6月22日，3GPP宣布已完成NB-IoT的標準化工作，這意味著Release13中面向IoT市場制定的核心協(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，通常只需占用200kHz的頻段，可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT具備以下四大特點。

1.1 覆蓋能力更強

根據(jù)前面的討論，物聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡覆蓋的要求要高于現(xiàn)在人與人之間的通信，因為傳感器一般都安裝在如室內(nèi)、地下、機器內(nèi)等一些對深度覆蓋要求高的場景，因此增強的覆蓋能力是NB-IoT能夠立足的基礎，根據(jù)計算，NB-IoT相對于GSM網(wǎng)絡來說覆蓋可以提高大約20 dB(前提是二者部署的頻段相同)，而藍牙、Wi-Fi等短距離通信技術(shù)更是無法與之相比。NB-IoT主要靠以下兩種技術(shù)來保證這種超強覆蓋能力。

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

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

因為NB-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)務模型下(包含自動上報業(yè)務不同分組大小、不同上報間隔；包含下行軟件更新、配置等業(yè)務不同分組大小)，評估可達到每小區(qū)5萬左右的連接數(shù)，這相對于LTE每小區(qū)1 200個連接已實現(xiàn)了數(shù)量級的增長。

1.3 終端功耗小

如圖3所示，NB-IoT通過采用增強型的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，延長了工作時間，保證物聯(lián)網(wǎng)應用的持續(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和增強型DRX均部署，如果終端每天發(fā)送一次200 byte報文，5 W/h電池壽命可達12.8年。

圖3 NB-IoT降低功耗技術(shù)示意圖

1.4 終端成本低

相對于目前蜂窩網(wǎng)的移動終端，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)議棧均可簡化，模組成本不超過5美元，而且該成本還有望伴隨規(guī)模效應進一步降低。

2 NB-IoT建設方式

以中國移動為例，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，這種方式最簡單，性能最優(yōu)，但該方案無論從成本考慮還是從天面資源考慮，都不太切合實際。

2.2 基于TD-LTE站點部署

基于現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE站點部署NB-IoT，新增基帶板，可利舊傳輸、主控和時鐘，但是需要改動天面，這對于當前作為中國移動主要運營網(wǎng)絡的TD-LTE來說，其性能可能被影響，有一定的風險。

2.3 基于GSM站點部署

新增基帶板、傳輸和時鐘，但射頻和天饋可以利舊(部分老舊設備可能需要替換)，這種方式不會影響TDLTE網(wǎng)絡，還可以盡量利舊GSM的設備資源和綜合考慮FDD網(wǎng)絡建設，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)絡演進，對于中國移動來說，不排除會拿到FDD牌照做一些特殊場景的覆蓋，因此筆者建議在考慮NB-IoT部署時，應做到GSM/NB-IoT/FDD的統(tǒng)一規(guī)劃，主要涉及到頻率和設備兩方面，下面一一進行闡述。

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問題。如表1所示，以中國移動GSM900網(wǎng)絡為例，目前共有19 MHz帶寬，94個GSM頻點。隨著4G網(wǎng)絡的不斷完善，越來越多的2G用戶遷移至4G，GSM900的帶寬便可以重耕為NB-IoT和FDD網(wǎng)絡所用，目前很多省都開始了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的流程進行計算。筆者曾經(jīng)對中部某城市進行過計算，近期可重耕5 MHz帶寬，中遠期可重耕10 MHz。

表1 中國移動GSM900頻點分配

在確定了可用帶寬后，我們還要考慮GSM/NBIoT/FDD 3個系統(tǒng)如何分配頻率的問題，經(jīng)過分析，考慮到NB-IoT頻點的位置，可分為3種方式，分別是Standalone、Guardband、Inband，如圖5所示，即NB-IoT頻點獨立設置、位于保護帶內(nèi)和位于FDD頻段內(nèi)。

考慮到頻點調(diào)整應盡量減少對GSM現(xiàn)網(wǎng)產(chǎn)生影響以及FDD和NB-IoT頻點的擴展靈活性，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頻點采用Standalone方式部署在高端，這種方式FDD在擴展帶寬(如5 MHz擴到10 MHz)時，中心頻點可保持不變，NB-IoT也可根據(jù)容量需求靈活的增加頻點。

圖4 GSM可重耕帶寬計算流程圖

圖5 帶寬分配方式

圖6 建議的帶寬分配方式

3.2 設備規(guī)劃

如前分析，考慮到建設成本和站點天面資源，我們采用利舊GSM現(xiàn)網(wǎng)設備進行升級的方式部署NB-IoT，同時兼顧FDD。下面我們從BBU、RRU、天線3個方面討論利舊設備時要注意的問題。

3.2.1 基帶單元BBU

在基于GSM部署NB-IoT和FDD網(wǎng)絡的實際部署中，對于支持GSM/NB-IoT/FDD三系統(tǒng)共框的設備來說，需新增NB-IoT基帶板和FDD基帶板，同時還要視情況增加IP傳輸和GPS同步源；對于不支持GSM/ NB-IoT/FDD三系統(tǒng)共框的老設備則應進行替換。

3.2.2 射頻單元RRU

RRU設備的改造情況比較復雜，主要考慮以下幾個方面。

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

(2) 考慮到FDD系統(tǒng)，RRU設備應為雙通道，否則無法使用MIMO技術(shù)，所以對于單通道RRU要進行改造，要么直接替換，要么采用2個單通道設備進行雙拼，雙拼時應注意兩個單通道設備要同型號且饋線長度盡量相等。

(3) 在改造過程中，RRU設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，這樣才能保證設備的長久可用性，如果功率存在限制，應考慮更換為更大功率的新設備。

(4) 最后還應該核實現(xiàn)網(wǎng)RRU設備的頻率支持情況，一些老舊設備在支持多模時可能存在頻點配置受限的問題，也需要更換成新設備。

3.2.3 天面

基于GSM部署NB-IoT和FDD，最大的優(yōu)勢就是可利舊現(xiàn)網(wǎng)天面，這對于天面資源緊張的場景尤為重要，可大大降低物業(yè)協(xié)調(diào)難度。不過，考慮到多個系統(tǒng)未來可獨立進行優(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，結(jié)合中國移動網(wǎng)絡現(xiàn)狀建議采用基于GSM900網(wǎng)絡部署NBIoT，同時考慮FDD網(wǎng)絡演進，從頻率和設備角度闡述了GSM900升級部署NB-IoT和FDD過程中需要注意的問題，為GSM/NB-IoT/FDD三網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃提供參考。

[1] 物聯(lián)網(wǎng)白皮書[EB/OL]. 工業(yè)信息化電信研究院, 2014.

[2] 3GPP啟動窄帶IoT標準化工作[J]. 信息技術(shù)與標準化, 2015.

[3] 張炎炎, 徐德平, 程日濤, 等. 中國移動LTE FDD網(wǎng)絡建設方案及引入策略分析[A]. 中國移動通信集團設計院新技術(shù)論壇[C]. 2014.

[4] 吳偉陵, 牛凱. 移動通信原理[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