基于網絡特性的NB—IoT覆蓋能力評估研究

郝建民

摘 要：NB-IoT是LPWA的主要解決方案，其具有鮮明的技術特點，以廣覆蓋、大連接、低功耗和低成本的特點成為目前物聯(lián)網的主流技術之一。文章主要介紹了NB-IoT的網絡特性，針對NB-IoT網絡覆蓋能力強的特性進行介紹和分析，并且對NB-IoT網絡在實際應用過程中覆蓋能力的評估方法進行介紹和總結。

關鍵詞：NB-IoT無線通信；物聯(lián)網；覆蓋

隨著科學技術的發(fā)展，通信技術已經從人與人的連接擴展到物與物的連接，萬物互聯(lián)成為通信技術的發(fā)展方向。最近幾年，隨著物聯(lián)網的快速發(fā)展，世界上的一切都可以實現(xiàn)互聯(lián)網連接，包括一些高速率服務（如視頻業(yè)務服務）和一些低速率業(yè)務服務（如抄表抄表業(yè)務服務）。窄帶物聯(lián)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）網絡針對低速率的業(yè)務具有明顯的技術優(yōu)勢。

1 NB-IoT無線通信技術的基本介紹

NB-IoT是3GPP標準定義的低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network，LPWA）解決方案，作為未來物聯(lián)網發(fā)展的重要組成部分，NB-IoT構建于蜂窩網絡，是NB-IoT協(xié)議?；贚TE的設計，然而，根據(jù)物聯(lián)網的要求，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)連接的低功耗設備，僅消耗約180 kHz帶寬，可直接部署在GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡中，以降低部署成本，實現(xiàn)平穩(wěn)升級。

NB-IoT網絡具有以下特點：（1）超級大量連接，NB-IoT一個小區(qū)能夠支持5萬個連接，支持低延遲靈敏度、超低設備成本、低設備功耗和優(yōu)化的網絡結構。（2）覆蓋能力強，NB-IoT比LTE提升20 dB增益，相當于發(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、地下室、地下管道等，信號也很難到達。（3）超低功耗，NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應用，因此，NB-IoT設備功耗可以做到非常小，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達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，模塊成本有望降至5美元之內[1]。

2 NB-IoT無線通信技術的網絡特性

根據(jù)NB-IoT的技術標準，NB-IoT所支持的相關應用具有以下幾個主要特點：（1）低速率屬性，通過前面的相關介紹可知，NB-IoT主要是為了解決IoT中低速率業(yè)務而提出的。NB-IoT采用了低階調制，低速率也是其主要特征。（2）高時延屬性，NB-IoT具有很強的覆蓋能力。為了實現(xiàn)高可靠的廣域覆蓋，NB-IoT網絡中的數(shù)據(jù)傳輸可能需要進行多次重傳，從而導致較大的通信時延。當前NB-IoT標準設想的數(shù)據(jù)傳輸時延可能會達到10 s。（3）低頻次屬性，低頻次就是指單位時間內業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)不能過于頻繁。過于頻繁的數(shù)據(jù)傳輸不僅會增加IoT終端的功率消耗，也會對NB-IoT網絡的時延提出更為嚴苛的要求。（4）移動性弱特性，由于NB-IoT對終端功耗有很高的要求，為了節(jié)省終端功耗，NB-IoT Rel-13標準不支持連接狀態(tài)的移動性管理，包括相關的測量報告、測量、切換等。

3 NB-IoT網絡覆蓋能力

NB-IoT的設計目標是在GSM的基礎上覆蓋20 dB，以144 dB作為GSM的最大耦合損耗，NB-IoT設計的最大耦合損耗（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)來實現(xiàn)覆蓋增強。其上行鏈路覆蓋主要從兩個方面增加：（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。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網絡覆蓋能力的評估研究

NB-IoT網絡在實際應用中的覆蓋能力效果目前主要通過以下幾種方法呈現(xiàn)：路測和CQT測試指標；仿真軟件的仿真結果；網管側的覆蓋等級分布比例。

網絡建設的最終目標是以最優(yōu)性價比網絡提供最優(yōu)的用戶體驗，即充分利用頻譜資源并以高性價比進行網絡部署建設，同時更好地滿足網絡發(fā)展不同階段下網絡覆蓋和用戶容量需求。仿真工具可以有效地模擬真實網絡的性能，驗證規(guī)模估計結論，通過物理調整和參數(shù)調整優(yōu)化網絡性能，并輸出仿真報告，指導后期的網絡建設和優(yōu)化。在規(guī)劃和建設移動通信網絡時，從頻帶的確定、頻率的分布、無線電波的覆蓋、通信概率的計算和系統(tǒng)間的電磁干擾等方面，到最終確定無線設備的參數(shù)為止，都必須依賴于對無線電波傳播特性的研究、對無線電波的理解和基于無線電波的場強預測。無線傳播模型是計算無線傳播損耗、頻率、距離、環(huán)境、天線高度等參數(shù)的數(shù)學公式。在無線網絡規(guī)劃中，無線傳播模型可以幫助設計者理解實際傳輸環(huán)境中的近似傳播效應，并估計空氣傳播的損失。因此，傳播模型的準確性直接關系到社區(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)境的傳播模式也會有所不同，因此，通信環(huán)境對無線通信模型的建立起著關鍵的作用。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；移動臺運動條件等[3]。

鄭州城區(qū)NB-IoT網絡整體評估如圖1所示。重點區(qū)域NB-IoT網絡立體評估如圖2所示。

通過進行穿損測試專項、LTE與NB-IoT覆蓋對比專項、功率對比專項、RSRP與SINR關系專項等專題項目，對NB-IoT網絡的整體覆蓋性能進行系統(tǒng)分析。