中国移动NB—IoT部署策略研究

张建国

【摘 要】为了研究中国移动NB-IoT的部署策略，首先介绍了中国移动可以根据客户对速率的不同要求，提供三种物联网解决方案，即TD-LTE技术、eMTC技术、NB-IoT技术；然后从NB-IoT的帧结构、时隙结构、物理信道和扩展不连续接收模式等方面分析了NB-IoT的基本原理；最后提出了中国移动NB-IoT的部署策略，主要涉及上行子载波带宽的选择、操作模式的选择、频率使用策略、站址选择策略和建设方式的选择。

【关键词】NB-IoT eDRX 物理信道

Research on NB-IoT Deployment Strategy of China MobileIn

[Abstract] order to investigate NB-IoT deployment strategy of China Mobile， it was firstly introduced that three IoT solutions， including TD-LTE， eMTC and NB-IoT， can be provided by China Mobile to customers according to their requirements for rate. Then， the principle of NB-IoT was expounded in terms of the frame structure， timeslot structure， physical channel and extended discontinuous reception mode. Finally， NB-IoT deployment strategy of China Mobile was put forward which deals with the uplink subcarrier bandwidth selection， operation mode selection， frequency usage strategy， site selection strategy and construction mode.

[Key words]NB-IoT eDRX physical channel

1 引言

根據2016年6月爱立信发布的移动报告[1]，到2021年，全球280亿个连接中将有157亿个连接是物联网连接，占比高达53.6%，157亿个物联网连接中，使用蜂窝网的是15亿个，占物联网连接数的9.6%。蜂窝网络使用授权的频率资源，具有干扰少、可靠性高、覆盖范围广等优点，因此成为客户的首要选择。

中国移动可以根据客户对速率的不同要求，提供三种类型的物联网解决方案。对于高速率（大于1 Mbps）、实时性的应用，如车联网、视频监控和远程医疗等，可以使用中国移动现有的TD-LTE网络，通过载波聚合、MIMO增强、CoMP等技术提供高速率的数据服务；对于中等速率（小于1 Mbps且大于100 kbps）的应用，如可穿戴设备、银行业PoS机、电梯广告推送、车队管理等，可以使用eMTC（enhanced Machine-Type Communication，增强机器类通信）网络，eMTC技术通过降低带宽、多次重传等技术提供深度覆盖能力，对中国移动现有的TD-LTE网络进行软件升级即可提供eMTC服务；对于低速率（小于100 kbps）的应用，如能源抄表、气象/环保监测、资产标签、智能停车、智能锁等，可以使用NB-IoT（NarrowBand IoT，窄带物联网）网络，NB-IoT技术通过降低终端的峰值速率、终端采用单天线接收、降低终端支持的带宽等技术满足低成本、低功耗、小数据量、广覆盖、巨大设备数目的应用。

NB-IoT作为一个全新的网络，在帧结构、时隙结构、物理信道、不连续接收模式等方面与传统的LTE网络都有较大的差别，本文接下来重点分析NB-IoT的基本原理和中国移动NB-IoT的部署策略。

2 NB-IoT的基本原理

为了满足低成本、低功耗、广覆盖的物联网应用，3GPP组织在REL-13引入了NB-IoT技术。

在功能方面，相对于传统的LTE网络，NB-IoT进行了极大地简化，NB-IoT不支持以下功能：不同制式间的移动性、切换、GBR（Guaranteed Bit Rate，保证比特速率）、测量报告、Relay、载波聚合、双连接、MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体广播组播服务）、实时性业务、紧急呼叫和CS回落等业务。同时NB-IoT在帧结构、时隙结构、物理信道、不连续接收模式等方面进行了增强[2]。

在终端方面，NB-IoT UE仅支持半双工的FDD模式，既节约了双工滤波器成本，又减少了约2 dB的器件插入衰耗，NB-IoT UE只采用单接收天线，减少了一套接收天线的成本[10]。

2.1 NB-IoT的帧结构

为了减少RF和基带的复杂性，同时便于GSM频率再利用，NB-IoT的系统带宽与GSM相一致，都是200 kHz，NB-IoT的传输带宽是180 kHz[3]。

NB-IoT的下行帧结构与传统的LTE帧结构相同，即1个无线帧（10 ms）包含10个长度为1 ms的子帧，1个子帧包含2个长度为0.5 ms的时隙。在下行，NB-IoT只支持15 kHz的子载波间隔，不支持7.5 kHz的子载波间隔，仅支持常规CP，不支持扩展CP。

NB-IoT上行有两种帧结构可供选择，子载波带宽为15 kHz的帧结构与LTE的下行帧结构相同，1个10 ms的无线帧包含10个1 ms的子帧，180 kHz带宽上共有12个子载波；子载波带宽为3.75 kHz的帧结构是一种新设计的帧结构，1个10 ms的无线帧包含5个长度为2 ms的时隙，180 kHz带宽上共有48个子载波。

在资源分配方面，下行方向，NB-IoT以RB为单位进行资源分配，由于NB-IoT在下行只有1个RB，因此只能进行时域上的调度，不能进行频域上的调度；上行方向，以RU（Resource Unit，资源单元）为单位进行资源分配，RU在时间域上定义为NULsymb个连续的SC-FDMDA符号，在频率域上定义为NRUSC个连续的子载波，NULslot、NRUSC和NULsymb支持的组合如表1所示。NPUSCH在上行只能分配1个子载波的模式称为Single-tone模式，NPUSCH在上行可以分配多于1个子载波的模式称为Multi-tone模式。

2.2 NB-IoT的物理信道

为了减少实现的复杂性，NB-IoT精简了不必要的物理信道，在下行只有三种物理信道和两种参考信号，在上行只有两种物理信道和一种参考信号[3]。

三种下行物理信道分别如下：

NPBCH（Narrowband Physical Broadcast CHannel，窄带物理广播信道）：NPBCH信道传递系统帧号、NB-SIB1的调度信息、接入限制和操作模式等信息[5]，采用QPSK调制方式。NPBCH信道以640 ms为周期，经过编码后的符号首先映射在帧0的子帧0上，映射在帧0的子帧0上的内容在随后的7个帧的子帧0上重复映射；剩下的符号再重复映射在帧8～15的子帧0上，依次類推。

NPDCCH（Narrowband Physical Downlink Control CHannel，窄带物理下行控制信道）：NPDCCH信道用于指示NPDSCH、NPUSCH的传输格式、资源分配等信息，采用QPSK调制方式。NPDCCH信道由1个或2个NCCE（Narrowband Control Channel Element，窄带控制信道单元）组成，每个NCCE占用6个子载波，NCCE0占用子载波0～5，NCCE1占用子载波6～11。NPDCCH信道通过多次传输以便增加接收的可靠性，进而增加下行覆盖。

NPDSCH（Narrowband Physical Downlink Shared CHannel，窄带物理下行共享信道）：NPDSCH用于传输DL-SCH和PCH的信息，采用QPSK调制方式，NPDSCH信道的TBS（Transport Block Size，传输块尺寸）最大为680 bit[4]。与NPDCCH类似，NPDSCH通过多次传输来增加下行覆盖。

两种下行物理信号分别如下：

NRS（Narrowband Reference Signal，窄带参考信号）：NRS信号用于下行信道质量测量和信道估计，用于NB-IoT UE的相干检测和解调，NRS信号只支持单天线端口和两天线端口，不支持四天线端口，与传统的LTE参考信号一样，不同小区之间的NRS信号通过循环移位来避免频率上的干扰。

NSS（Narrowband Synchronization Signal，窄带同步信号）：NSS信号用于时间同步，确定小区唯一的PCI（Physical Cell Identity，物理小区号）。所有的小区的NPSS信号（Narrowband Primary Synchronization Signal，窄带主同步信号）都采用同一个序列，用于确定无线帧的位置，NSSS信号（Narrowband Secondary Synchronization Signal，窄带辅同步信号）通过504个序列来区分不同小区的PCI。

两种上行物理信道和一种上行参考信号分别如下：

NPUSCH（Narrowband Physical Uplink Shared CHannel，窄带物理上行共享信道）：NPUSCH信道用于承载上行数据和信令，采用BPSK或者QPSK调制方式。NPUSCH有两种格式，NPUSCH格式1用于传输上行数据信息，TBS最大为1000 bit[4]，在Single-tone模式下，上行NPUSCH只能分配1个子载波，在Multi-tone模式下，上行可以分配1、3、6、12个子载波；NPUSCH格式2用于传输上行控制信息，只能分配1个子载波。与NPDSCH一样，NPUSCH通过多次传输来增加上行覆盖。

NPRACH（Narrowband Physical Random Access CHannel，窄带物理随机接入信道）：NPRACH信道用于NB-IoT UE的随机接入，采用BPSK调制方式。NPRACH信道由4个随机接入符号组构成，每个随机接入符号组由1个CP和5个内容一样的符号组成，子载波的宽度为3.75 kHz。在频域上，NPRACH信道可以分成多组，每组12个子载波，NB-IoT UE每次只能使用单个子载波在一组（12个）子载波内跳频传输。

NDMRS（Narrowband Demodulation Reference Signal，窄带解调参考信号）：NDMRS用于上行信道估计、NPUSCH信道的相干检测和解调。

总之，NB-IoT的物理信道通过降低目标速率、多次传输、采用低阶调制方式等措施，以达到增加覆盖、降低成本、降低功耗的目的。

2.3 扩展不连续接收模式

在空闲模式下，传统LTE的DRX（Discontinuous Reception，不连续接收）周期最大为2.56 s，频繁的唤醒NB-IoT UE会快速消耗NB-IoT UE的电量，降低NB-IoT UE的待机时间，为了降低功耗、延长待机时间，NB-IoT引入了eDRX（extended Discontinuous Reception，扩展不连续接收）模式[7]。

eDRX模式定义了H-SFN（Hyper-SFN）帧、TeDRX_H、PH等几个概念。

1）1个H-SFN帧对应1024个无线帧，即10.24 s；

2）TeDRX_H是NB-IoT UE的eDRX周期，定义为H-SFN帧的倍数，TeDRX_H=2， 4， 8， …， 1024个H-SFN帧；

3）PH（Paging Hyperframe）是NB-IoT UE在PTW（Paging Time Window，寻呼时间窗口）期间开始监测寻呼消息的Hyperframe。

在eDRX模式下，NB-IoT UE在TeDRX_H周期内，仅在PTW期间按照传统的DRX模式监测寻呼消息，如果监测到发给该NB-IoT UE的寻呼消息，则该NB-IoT UE被唤醒，否则该NB-IoT UE继续进入休眠状态，eDRX模式下NB-IoT UE的状态原理。

通过引入eDRX模式，NB-IoT UE的eDRX周期最大可以达到10.24×1024=10485.76 s=2.91小时，因此可以显著地降低NB-IoT的功耗，延长NB-IoT UE的待机时间。

3 中国移动NB-IoT部署策略

中国移动NB-IoT部署策略主要涉及上行子载波带宽的选择、操作模式的选择、频率使用策略、站址选择策略和建设方式的选择等。

3.1 上行子载波带宽

NB-IoT上行子载波带宽可以选择3.75 kHz，也可以选择15 kHz，两者对比如下：

（1）覆盖方面：基于3GPP的仿真结果，子载波带宽为15 kHz和子载波带宽为3.75 kHz时均可满足164 dB MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合损耗）的极限覆盖，但在正常的深度覆盖时子载波带宽为15 kHz时上行速率具有明显优势。

（2）速率方面：在极限深度覆盖时，15 kHz和3.75 kHz在速率上并无明显差别，而在MCL小于150 dB时，Multi-tone模式可以明显增加用户的上行速率，只有上行子载波带宽为15 kHz时NB-IoT UE才能支持Multi-tone模式。

（3）干扰方面：子载波带宽为3.75 kHz的带内部署，NB-IoT与传统的LTE会产生干扰，NB-IoT系统有约15%的容量损失。

（4）未来演进方面：子载波带宽为15 kHz更兼容未来5G Massive IoT演进。

（5）终端方面：从规范上，不存在NB-IoT UE只支持子载波带宽为3.75 kHz Single-tone的情况，按3GPP要求，NB-IoT UE必须同时支持子载波带宽为3.75 kHz和子载波带宽为15 kHz两种模式，而子载波带宽为3.75 kHz时因为速率低、发射时间长，更加耗电。

综合以上几个方面，建议中国移动NB-IoT部署时，上行子载波带宽选择为15 kHz。

3.2 操作模式

NB-IoT共有4种操作模式，分别是Inband-Same PCI模式、Inband-DifferentPCI模式、Guardband模式和Standalone模式。

Inband-SamePCI：带内操作模式，NB-IoT与LTE的PCI相同，NRS端口数和CRS端口数相同；

Inband-DifferentPCI：带内操作模式，NB-IoT 与LTE具有不同的PCI；

Guardband：保护带操作模式，NB-IoT部署在LTE的保护带内；

Standalone：独立载波操作模式，NB-IoT部署在独立的载频上。

相较于带内操作模式，独立载波操作模式在功率分配以及PCI规划等方面都具有很大的灵活性，建议中国移动采用独立载波模式部署NB-IoT。

3.3 频率使用策略

NB-IoT只支持半双工FDD模式，中国移动目前可用的FDD频率有900 MHz频段和1800 MHz频段。因为物联网设备无处不在，比手机有更高的覆盖能力要求，而900 MHz频段比1800 MHz频段覆盖能力强，因此900 MHz频段是中国移动部署NB-IoT的首选频段，同时NB-IoT所需的带宽是180 kHz/载波，中国移动900 MHz频段释放能力能够满足NB-IoT部署的需要。

900 MHz频段目前也是中国移动GSM语音业务的主要承载频段，同时是中国移动获取LTE FDD牌照后LTE FDD部署的主要频段，因此需要综合考虑GSM、LTE FDD、NB-IoT的各自需要，统一制定GSM900频段的使用策略。

中国移动在900 MHz频段共有19 MHz×2的带宽资源，上行为890 MHz—909 MHz，下行为935 MHz—954 MHz，首先应在边缘（894 MHz—909 MHz/939 MHz—954 MHz）预留15 MHz的带宽以满足LTE FDD的部署需要，剩下的频率（890 MHz—894 MHz/935 MHz—939 MHz）用于GSM和NB-IoT的部署需要，NB-IoT的频点两边各空闲1个GSM频点作为保护带以避免GSM载频和NB-IoT载频之间的相互干扰，900 MHz频段使用。

3.4 站址選择策略

考虑到移动性物联网需求，初期的NB-IoT网络应实现区域的连续性覆盖，在900 MHz频段，NB-IoT最大覆盖距离约是GSM900的2倍左右，同时中国移动GSM站点在城区的站间距远远小于GSM的最大覆盖距离，因此中国移动只需要在少部分GSM站点上部署NB-IoT即可实现连续覆盖要求。

城区是物联网应用的热点区域，建议中国移动按照先城区后农村的策略部署NB-IoT，为了节省初期投资，建议中国移动仅使用现有GSM站址的50%来实现NB-IoT城区范围内的连续覆盖，后续根据需要逐渐增加，室内分布信源可根据用户及业务需求情况逐步部署。

3.5 建设方式

中国移动的NB-IoT建设方式主要有三种，分别是新建NB-IoT基站、基于TD-LTE建设NB-IoT基站以及基于GSM建设NB-IoT基站。

新建NB-IoT基站需要新增天馈系统、新增RRU、新增主控板和基带板、新增传输和时钟，其优点是完全不影响现有的GSM网络，可以独立优化因而网络性能最优，缺点是投资大、新建天馈线难度大。

基于TD-LTE建设NB-IoT基站需要新建或者替换天馈、新增RRU、新增基带板，但是可以与TD-LTE共用主控板、传输和时钟，其优点是不影响GSM网络，可以利旧TD-LTE的部分硬件，投资中等，缺点是新建或替换天馈难度大。

基于GSM建设NB-IoT基站可以利旧或者替换原有的天馈，但是需要新增主控板和基带板、新增传输和时钟，部分不支持NB-IoT的站点需要替换GSM设备，其优点是建设速度快，缺点是NB-IoT的优化会影响GSM的网络性能，在GSM和NB-IoT基础上再部署LTE FDD会导致功率不足以及不利于LTE FDD/TDD的互操作。

由于基于GSM建设NB-IoT基站会给中国移动部署LTE FDD带来不利影响，因此建议中国移动采用新建NB-IoT基站或者基于TD-LTE建设NB-IoT基站方式建设NB-IoT网络。

4 结束语

本文提及的建设策略属于物联网价值链中的连接能力部分，除此之外，物联网的价值链还包括平台、终端、应用和解决方案，建议中国移动积极开展NB-IoT实验网的建设，初期为客户提供连接服务，中期为客户提供平台开放能力、提供终端，最终为客户提供端到端的解决方案，以便在物联网的价值链中占据主导地位，获取最大价值。

参考文献：

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[10] 張建国，徐福永，杨东来. LTE-M关键技术研究[A]. 面向5G的LTE网络创新研讨会（2016）[C]. 2016： 163-167.