傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)對(duì)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)性能的影響研究*

于曉陽(yáng)

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引 言

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是3GPP引入的新功能，未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)的部署中，NB-IoT系統(tǒng)將與相同地理區(qū)域內(nèi)的其他無(wú)線通信系統(tǒng)相鄰，以便改善頻譜資源的使用。同時(shí)，由于通信設(shè)備發(fā)送器、接收器的非線性特性，可能發(fā)生兩個(gè)系統(tǒng)之間的相互干擾影響[1］。考慮系統(tǒng)間的共存影響對(duì)于頻譜規(guī)劃以及如何實(shí)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率非常重要。

1 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)

1.1 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

NB-IoT系統(tǒng)是由3GPP組織定義的CIoT接入技術(shù)。作為L(zhǎng)TE-M的補(bǔ)充，NB-IoT提供了完整的CIoT解決方案[2］。與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，NB-IoT系統(tǒng)具有以下特征。

（1）改善室內(nèi)覆蓋，在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上具有20 dB的覆蓋增強(qiáng)。

（2）支持大規(guī)模低吞吐量設(shè)備。

（3）支持低復(fù)雜度的設(shè)備。

（4）支持低功耗設(shè)備。

（5）支持低延遲靈敏度。

1.2 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)與其他系統(tǒng)共存

NB-loT系統(tǒng)支持三種不同模式的部署方案如下：

（1）stand-alone場(chǎng)景，占用獨(dú)立頻譜資源的獨(dú)立場(chǎng)景，例如使用GERAN系統(tǒng)的頻譜，替換一個(gè)或多個(gè)GSM載波。

（2）in-band場(chǎng)景，在正常LTE系統(tǒng)載波中占用資源塊的帶內(nèi)場(chǎng)景。

（3）guard-band場(chǎng)景，保護(hù)頻帶場(chǎng)景占用LTE系統(tǒng)保護(hù)頻帶內(nèi)未使用的資源塊。

2 LTE系統(tǒng)對(duì)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的影響研究

長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）是由3GPP組織開(kāi)發(fā)的UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃。

2.1 影響評(píng)估準(zhǔn)則

對(duì)于LTE系統(tǒng)的上行鏈路和下行鏈路，如果相對(duì)吞吐量損失小于5%，則認(rèn)為滿足共存性能損失要求。吞吐量損失通過(guò)觀察ACLR曲線判斷LTE系統(tǒng)的性能損失。首先，在模擬單系統(tǒng)吞吐量Thrsingle后，引入NB-loT系統(tǒng)的相應(yīng)鏈路干擾，此時(shí)獲得LTE系統(tǒng)的吞吐量，NB-IoT系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)吞吐量損失計(jì)算如式（1）所示：

通過(guò)SINR、曲線觀察NB-IoT系統(tǒng)的性能。首先，模擬單個(gè)系統(tǒng)的SINR曲線，并引入相應(yīng)LTE系統(tǒng)的鏈路影響。類似地，獲得NB-IoT系統(tǒng)的SINR曲線，與無(wú)影響情況相比，觀察影響情況下SINR曲線損失表明，如果SINR的損耗小于1dB，則可滿足系統(tǒng)共存的性能指標(biāo)。

表1 NB-loT與LTE系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)

2.2 計(jì)算參數(shù)

從大規(guī)模共存場(chǎng)景的角度來(lái)看，stand-alone場(chǎng)景中，需考慮NB-IoT、LTE系統(tǒng)的上、下行鏈路共存影響，in-band、guard-band場(chǎng)景中，考慮NB-IoT系統(tǒng)和上行鏈路處的LTE系統(tǒng)共存影響情況。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 stand-alone場(chǎng)景下行鏈路仿真結(jié)果

獨(dú)立場(chǎng)景中，載波頻率為900 MHz、2 000 MHz。在下行鏈路上，NB-loT系統(tǒng)的子載波間隔統(tǒng)一為20 kHz，下行鏈路共存情況如表2所示。

表2 NB-loT與LTE系統(tǒng)下行鏈路場(chǎng)景

（1）頻率為900MHz

計(jì)算LTE系統(tǒng)的吞吐量損失。圖1顯示了載波頻率為900 MHz時(shí)LTE系統(tǒng)的吞吐量損失模擬結(jié)果。NB-IoT系統(tǒng)通過(guò)估計(jì)共存情況下的系統(tǒng)組件損耗標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估NB-IoT系統(tǒng)的SINR分布，圖2顯示了載波頻率為900 MHz時(shí)NB-IoT系統(tǒng)的S1NR分布。

圖1 LTE系統(tǒng)下行鏈路吞吐量損失，900 MHz

圖2 NB-IoT系統(tǒng)SINR下行鏈路損失，900 MHz

（2）頻率為2 000 MHz

當(dāng)載波頻率為2 000 MHz時(shí)，LTE系統(tǒng)的共存影響的吞吐量損失如圖3所示。當(dāng)載波頻率為2 000 MHz時(shí)，NB-IoT系統(tǒng)的共存干擾的SINR分布如圖4所示。

圖3 LTE系統(tǒng)下行鏈路吞吐量損失，2 000 MHz

圖4 LTE系統(tǒng)下行鏈路SINR損失，2 000 MHz

在NB-IoT、LTE系統(tǒng)共存仿真平臺(tái)上，運(yùn)行時(shí)仿真程序，統(tǒng)計(jì)影響結(jié)果是雙向的。

GSM系統(tǒng)BS模板可應(yīng)用于NB-IoT系統(tǒng)，且在LTE系統(tǒng)的干擾帶內(nèi)，NB-IoT系統(tǒng)中心頻率的頻率補(bǔ)償被認(rèn)為大于600 kHz并且等效ACLR被認(rèn)為大于60 dB。因此，LTE系統(tǒng)吞吐量損失小于1%。雖然假設(shè)GSM系統(tǒng)的UE ACS適用于NB-loT系統(tǒng)，但在LTE系統(tǒng)的影響帶寬內(nèi)，NB-loT系統(tǒng)中心頻率的頻率補(bǔ)償大于600 kHz且等效ACS 被認(rèn)為大于58 dB。因此，NB-loT系統(tǒng)的SINR與沒(méi)有影響的SINR損耗相比較小。

上述分析表明，NB-loT系統(tǒng)和LTE系統(tǒng)可在獨(dú)立場(chǎng)景下在下行鏈路上共存，并且在共存時(shí)滿足系統(tǒng)性能要求。

2.3.2 stand-alone場(chǎng)景上行鏈路仿真結(jié)果

stand-alone場(chǎng)景中，載波頻率為900 MHz、2 000 MHz，鏈接共存如表3所示。

表3 NB-IoT與TLE系統(tǒng)共存上行鏈路場(chǎng)景

假設(shè)NB-IoT系統(tǒng)的UE ACLR在LTE影響系統(tǒng)的帶寬內(nèi)是平坦的，且具有40 dB的值。從仿真結(jié)果來(lái)看，LTE系統(tǒng)吞吐量損失小于5%。在LTE系統(tǒng)的影響帶寬內(nèi)，NB-IoT系統(tǒng)中心頻率的頻率補(bǔ)償大于600 kHz，并且等效ACLR大于60 dB。因此，NB-IoT系統(tǒng)single-tone、multi-tone傳輸下，LTE系統(tǒng)的吞吐量損失都很小。

假設(shè)GSM系統(tǒng)的BS ACS適用于LTE系統(tǒng)干擾帶寬內(nèi)的NB-IoT系統(tǒng)，NB-IoT系統(tǒng)中心頻率的頻率補(bǔ)償大于600 kHz，等效ACS大于58 dB 。因此，NB-IoT系統(tǒng)single-tone、multi-tone傳輸下，NB-IoT系統(tǒng)的SINR損耗都是小的。

根據(jù)以上分析，如果NB-IoT系統(tǒng)的ACLR大于40 dB且ACS大于40 dB，則stand-alone場(chǎng)景中NBIoT、LTE系統(tǒng)間的上行鏈路共存時(shí)，可滿足性能要求。

2.3.3 guard-band場(chǎng)景仿真結(jié)果

guard-band場(chǎng)景中，NB-IoT、LTE系統(tǒng)間的共存與stand-alone場(chǎng)景有些不同，表4為NB-IoT、LTE系統(tǒng)共存的場(chǎng)景。

表4 guard-band場(chǎng)景NB-IoT與LTE系統(tǒng)共存場(chǎng)景

從仿真結(jié)果可看出，NB-IoT、LTE系統(tǒng)的性能參數(shù)處于允許范圍內(nèi)，且NB-IoT、LTE系統(tǒng)可在保護(hù)頻帶場(chǎng)景中共存。

2.3.4 in-band場(chǎng)景仿真結(jié)果

in-band場(chǎng)景中NB-IoT、LTE系統(tǒng)的共存與guard-band場(chǎng)景相同，且有必要僅考慮NB-IoT、LTE系統(tǒng)間的共存和影響。表5為NB-IoT系統(tǒng)與LTE系統(tǒng)共存的場(chǎng)景。

表5 in-band場(chǎng)景下NB-IoT與LTE系統(tǒng)共存場(chǎng)景

基于仿真結(jié)果，NB-loT系統(tǒng)的LTE系統(tǒng)中的干擾，無(wú)論載波頻率在帶內(nèi)情況下是900 MHz還是2 000 MHz，對(duì)于相鄰的第一PRB，有更大的干擾。對(duì)相鄰的第二，第三和其他PRB的干擾很小。

從仿真結(jié)果可看出，NB-IoT、LTE系統(tǒng)的性能下降在允許范圍內(nèi)，NB-IoT、LTE系統(tǒng)可在in-band場(chǎng)景中共存。

3 GSM系統(tǒng)對(duì)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的影響研究

GSM是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的縮寫，GSM也是由3GPP建立的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 計(jì)算參數(shù)

表6顯示了與GSM系統(tǒng)和UMTS系統(tǒng)共存的NB-IoT系統(tǒng)的模擬參數(shù)。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 下行鏈路仿真結(jié)果

考慮到GSM系統(tǒng)所在的頻帶，兩個(gè)系統(tǒng)共存只需模擬900 MHz的載波頻率。下行鏈路NB-loT系統(tǒng)的子載波間隔統(tǒng)一為15 kHz。因此，NB-loT、GSM系統(tǒng)間的下行鏈路共存場(chǎng)景如表7所示。

表7 NB-loT與GSM系統(tǒng)下行鏈路共存場(chǎng)景

NB-IoT系統(tǒng)的BS ACLR在GSM系統(tǒng)的干擾帶內(nèi)是平坦的，其值為40 dB，GSM系統(tǒng)用戶比例較小。假設(shè)GSM系統(tǒng)BS模板適用于NB-IoT系統(tǒng)，相鄰GSM系統(tǒng)載波中NB-IoT系統(tǒng)的等效ACLR被認(rèn)為大于36 dB，其他GSM系統(tǒng)載波的等效ACLR為60 dB。因此，對(duì)于GSM系統(tǒng)載波，GSM系統(tǒng)的暫停用戶數(shù)量很少。

假設(shè)GSM系統(tǒng)UE ACS適用于NB-IoT系統(tǒng)，考慮到額外的100 kHz保護(hù)帶寬，相鄰GSM系統(tǒng)載波中NB-IoT系統(tǒng)的等效ACS被認(rèn)為是47 dB，GSM系統(tǒng)載波中的等效ACS大于55 dB。因此NB-loT系統(tǒng)的SINR損失很小。

根據(jù)仿真結(jié)果，NB-IoT系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)可在stand-alone場(chǎng)景中在下行鏈路上共存。

3.2.2 上行鏈路仿真結(jié)果

考慮到GSM系統(tǒng)所在的頻帶，兩個(gè)系統(tǒng)共存只需模擬900 MHz的載波頻率。上行鏈路需在兩種情況下考慮NB-IoT系統(tǒng)的傳輸模式：single-tone傳輸和multi-tone傳輸。因此，表8顯示出了NB-loT、GSM系統(tǒng)鏈路共存情況。

表8 NB-IoT與GSM 系統(tǒng)上行鏈路共存場(chǎng)景

NB-IoT系統(tǒng)的UE ACLR在GSM系統(tǒng)的干擾帶內(nèi)是平坦的，其值為20～25 dB，且假設(shè)GSM系統(tǒng)的用戶數(shù)量的增加很小。給定額外的100 kHz保護(hù)帶寬，假設(shè)GSM系統(tǒng)UE模板適用于NB-loT系統(tǒng)，相鄰GSM系統(tǒng)載波中NB-loT系統(tǒng)的等效ACLR被認(rèn)為大于36 dB，其他GSM系統(tǒng)載波中的等效ACLR為60 dB。因此，對(duì)于GSM系統(tǒng)載波，GSM系統(tǒng)的暫停用戶數(shù)量很少。

假設(shè)GSM系統(tǒng)BS ACS適用于NB-loT系統(tǒng)，考慮額外的100 kHz保護(hù)帶寬，相鄰GSM系統(tǒng)載波中NB-loT系統(tǒng)的等效ACS被認(rèn)為是47 dB，而另一個(gè)是GSM 系統(tǒng)載波中的等效ACS大于55 dB。因此，NB-loT系統(tǒng)的SINR損失很小。根據(jù)仿真結(jié)果，NB-loT系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)可在Stand-alone場(chǎng)景中在上行鏈路中共存。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）stand-alone場(chǎng)景下行鏈路情況下，LTE系統(tǒng)吞吐量損失都小于1%。NB-loT系統(tǒng)的SINR與沒(méi)有影響的SINR損耗相比較小。stand-alone場(chǎng)景上行鏈路情況下，NB-IoT系統(tǒng)SINR損耗很小。guard-band場(chǎng)景下，NB-IoT、LTE系統(tǒng)的性能下降在設(shè)置泄漏模型中處于允許范圍內(nèi)，且NB-IoT、LTE系統(tǒng)可在保護(hù)頻帶場(chǎng)景中共存。in-band場(chǎng)景下，NB-IoT、LTE系統(tǒng)的性能下降在允許范圍內(nèi)，NB-IoT、LTE系統(tǒng)可在設(shè)置泄漏模型中的in-band場(chǎng)景中共存。

（2）NB-IoT、GSM系統(tǒng)可在stand-alone場(chǎng)景中在下行鏈路上共存。NB-IoT系統(tǒng)的UE ACLR在GSM系統(tǒng)的干擾帶內(nèi)是平坦的，其值為20～25 dB，NB-loT、GSM系統(tǒng)可在Stand-alone場(chǎng)景中在上行鏈路中共存。