基于网络特性的NB—IoT覆盖能力评估研究

郝建民

摘 要：NB-IoT是LPWA的主要解决方案，其具有鲜明的技术特点，以广覆盖、大连接、低功耗和低成本的特点成为目前物联网的主流技术之一。文章主要介绍了NB-IoT的网络特性，针对NB-IoT网络覆盖能力强的特性进行介绍和分析，并且对NB-IoT网络在实际应用过程中覆盖能力的评估方法进行介绍和总结。

关键词：NB-IoT无线通信；物联网；覆盖

随着科学技术的发展，通信技术已经从人与人的连接扩展到物与物的连接，万物互联成为通信技术的发展方向。最近几年，随着物联网的快速发展，世界上的一切都可以实现互联网连接，包括一些高速率服务（如视频业务服务）和一些低速率业务服务（如抄表抄表业务服务）。窄带物联（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）网络针对低速率的业务具有明显的技术优势。

1 NB-IoT无线通信技术的基本介绍

NB-IoT是3GPP标准定义的低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWA）解决方案，作为未来物联网发展的重要组成部分，NB-IoT构建于蜂窝网络，是NB-IoT协议栈基于LTE的设计，然而，根据物联网的要求，去除了一些非必需的功能，降低了协议栈处理的开销。因此，从协议栈的角度看，NB-IoT是新的空口协议。主要用于支持WAN蜂窝数据连接的低功耗设备，仅消耗约180 kHz带宽，可直接部署在GSM网络、UMTS网络或LTE网络中，以降低部署成本，实现平稳升级。

NB-IoT网络具有以下特点：（1）超级大量连接，NB-IoT一个小区能够支持5万个连接，支持低延迟灵敏度、超低设备成本、低设备功耗和优化的网络结构。（2）覆盖能力强，NB-IoT比LTE提升20 dB增益，相当于发射功率提升了100倍，即覆盖能力提升了100倍，即使在地下车库、地下室、地下管道等，信号也很难到达。（3）超低功耗，NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此，NB-IoT设备功耗可以做到非常小，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年。（4）低成本，低速率低功耗低带宽带来的是低成本优势，模块成本有望降至5美元之内[1]。

2 NB-IoT无线通信技术的网络特性

根据NB-IoT的技术标准，NB-IoT所支持的相关应用具有以下几个主要特点：（1）低速率属性，通过前面的相关介绍可知，NB-IoT主要是为了解决IoT中低速率业务而提出的。NB-IoT采用了低阶调制，低速率也是其主要特征。（2）高时延属性，NB-IoT具有很强的覆盖能力。为了实现高可靠的广域覆盖，NB-IoT网络中的数据传输可能需要进行多次重传，从而导致较大的通信时延。当前NB-IoT标准设想的数据传输时延可能会达到10 s。（3）低频次属性，低频次就是指单位时间内业务数据传输次数不能过于频繁。过于频繁的数据传输不仅会增加IoT终端的功率消耗，也会对NB-IoT网络的时延提出更为严苛的要求。（4）移动性弱特性，由于NB-IoT对终端功耗有很高的要求，为了节省终端功耗，NB-IoT Rel-13标准不支持连接状态的移动性管理，包括相关的测量报告、测量、切换等。

3 NB-IoT网络覆盖能力

NB-IoT的设计目标是在GSM的基础上覆盖20 dB，以144 dB作为GSM的最大耦合损耗，NB-IoT设计的最大耦合损耗（Max Coupling Loss，MCL）为164 dB。其中，下行链路主要依靠增加各自信道的最大重传次数来实现覆盖增强。其上行链路覆盖主要从两个方面增加：（1）在覆盖范围有限的条件下，NB-IoT可以通过单子载波传输，大大提高了其功率谱密度（功率谱密度）。以Singletone部署模式下3.75 kHz的副载波间隔为例，与GSM 180 kHz的带宽相比，PSD的增益可达17 dB左右。（2）可以增加上行链路信道的最大重传次数以获得覆盖增强。因此，虽然NB-IoT终端的上行链路传输功率（23 dBm）低于GSM（33 dBm）为10 dB，但传输带宽的缩小和最大重传次数的增加使上行链路工作在16 dB的最大损耗[2]。

4 NB-IoT网络覆盖能力的评估研究

NB-IoT网络在实际应用中的覆盖能力效果目前主要通过以下几种方法呈现：路测和CQT测试指标；仿真软件的仿真结果；网管侧的覆盖等级分布比例。

网络建设的最终目标是以最优性价比网络提供最优的用户体验，即充分利用频谱资源并以高性价比进行网络部署建设，同时更好地满足网络发展不同阶段下网络覆盖和用户容量需求。仿真工具可以有效地模拟真实网络的性能，验证规模估计结论，通过物理调整和参数调整优化网络性能，并输出仿真报告，指导后期的网络建设和优化。在规划和建设移动通信网络时，从频带的确定、频率的分布、无线电波的覆盖、通信概率的计算和系统间的电磁干扰等方面，到最终确定无线设备的参数为止，都必须依赖于对无线电波传播特性的研究、对无线电波的理解和基于无线电波的场强预测。无线传播模型是计算无线传播损耗、频率、距离、环境、天线高度等参数的数学公式。在无线网络规划中，无线传播模型可以帮助设计者理解实际传输环境中的近似传播效应，并估计空气传播的损失。因此，传播模型的准确性直接关系到社区规划是否合理。地面上的无线通信环境有很大的不同，不同通信环境的传播模式也会有所不同，因此，通信环境对无线通信模型的建立起着关键的作用。确定某一地区传输环境的主要因素有：自然地形（山、水等）；人工建筑物的数量、高度、分布和物质特征；该地区的植被特征；天气条件；自然和人為电磁噪声条件；系统工作频率；移动台运动条件等[3]。

郑州城区NB-IoT网络整体评估如图1所示。重点区域NB-IoT网络立体评估如图2所示。

通过进行穿损测试专项、LTE与NB-IoT覆盖对比专项、功率对比专项、RSRP与SINR关系专项等专题项目，对NB-IoT网络的整体覆盖性能进行系统分析。