NB-IoT联合组网及优化策略

孟凡，王金忠

(1 中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050000；2 国网河北省电力有限公司检修分公司，石家庄 050000)

随着通信产业推动万物互联时代的到来，预计到2030年全球物联网连接数达到千亿级，重点涵盖智能家居、智慧医疗和物流跟踪等领域[1，2]。在业务承载技术上，分为以Wi-Fi、蓝牙、Sigfox和LoRa为代表的非蜂窝技术和承载在2G/3G/4G、NB-IoT、eMTC等为代表的蜂窝技术。鉴于后者具备广覆盖、可移动性、大连接和多场景等优势，在业务供给、资源配置、建设部署和网络演进等方面非常适合物联网规模发展，其中的典型代表eMTC和NB-IoT得到运营商的重点关注，基于蜂窝连接比重将达到10%以上。NB-IoT技术主要适用于覆盖要求高、用户速率低、非语音和低速移动场景的业务；eMTC能够支持更广泛的业务形态和终端类型，主要适用于有实时性要求、移动场景和语音需求的业务。综合考虑牌照发放和技术性能等因素，NB-IoT技术在现阶段更适合大规模建设部署。

作为满足低功耗广域网的NB-IoT技术支持物联网超低速率业务（分类如表1所示），具备四大基本特点。

（1）更深、更广覆盖性能，同频段和配置下，比现有900 MHz GSM网络增益高约20 dB，覆盖面积扩大约100倍。

（2）支持海量连接数，单小区可支持近50 000个连接终端，比LTE提升1～2个数量级。

（3）更低终端功耗，电池寿命可达10年以上。

（4）更低模块成本，技术改进和规模效应下模组芯片成本低至几美元。因此，在通信技术和物联网高速发展之际，运营商如何利用自身基础资源优势[3，4]、合理推动NB-IoT网络后续演进是亟待解决的问题。本文以某运营商现网情况和规划建设为例进行讨论分析。

1 NB-IoT发展现状和关键技术

随着5G时代的到来，NB-IoT技术受到了各大运营商的积极推动。在国际上，Vodafone为加速部署物联网，通过建立NB-IoT开放实验室研究网络部署、创新应用、设备集成和业务模式等问题，计划2019年实现M2M SIM卡在全球90%以上区域的无缝漫游；SK Telecom投资千亿韩元新建NB-IoT试验网络和ThingPlug开放平台，计划今年在全国范围部署基于LoRa技术的低功耗广域网；DoCoMo和Sprint也在重点发展M2M业务，通过建立服务平台与嵌入模块来推动物联网市场规模发展。在国内，三大运营商早已拟定NB-IoT建设原则和部署计划，对各种场景的覆盖策略、网络部署等问题进行深入研究。

表1 物联网业务分类

与传统LTE技术相比，NB-IoT技术在帧结构、时隙结构、物理信道和不连续接收模式等方面进行了增强设计[5]，从而在实际应用上具有如下性能优势。

在覆盖能力方面，提高功率谱密度：通过自带滤波的OFDM、F-OFDM+自适应调制编码+多用户调度机制、窄带调频技术（PRACH）和共轭双序列同步信号等窄带设计保证传输带宽大幅压缩（如表2所示）；重复发送及低阶编码：根据重传增益=10×lg（重传次数），可获得9～12 dB的时域分集增益连同3～4 dB的编码增益；上行Inter-site CoMP技术：可获得3 dB增益。因此，NB-IoT既能满足乡镇、农村区域的广覆盖需求，也能实现城区的深度覆盖（如室内、地下等高穿透损耗区域）。

表2 不同技术的功率谱密度比较

在容量方面，NB-IoT技术通过小分组数据发送、终端极低激活比和减小空口信令开销等优化设计能够支持更多并发连接，尤其在多种业务混合（即不同分组大小、上报间隔或软件配置业务组合）中，在满足低速物联网业务需求的同时获得比现有蜂窝移动网络50～100倍接入量的提升。

在功耗方面，NB-IoT技术使用一系列端到端优化流程、eDRX（增强型非连续接收）和PSM模式，保证终端在物联网通信连接的持续性。针对终端不同功耗状态（包括连接态、空闲态和休眠态）和分配给业务模型的不同状态占比，通过优化去激活定时器、PSM激活定时器和长TAU定时器等软件设置来实现功耗参数的优化。

在成本方面，NB-IoT技术提出的新物理层标准极大简化了基带模块、协议栈处理流程开销以及收发装置，使得终端成本远低于4G蜂窝网络终端。

2 运营商网络部署方案

3GPP标准组织对5G空口技术标准演进的推动包含全新空口路线和LTE演进空口路线，5G新引入频率将采用全新空口技术，现有低频频率空口技术选择存在不确定性。同时，当前5G新空口尚不支持物联网场景，NB-IoT技术有望演进成为5G技术一部分，基于LTE FDD低频段部署蜂窝物联网是实现5G大连接场景的主要途径之一。

综合国内外运营商业务目标和建设、竞争及投资等因素，我国蜂窝物联网业务目标主要聚焦于90%～95%的覆盖概率下，按照下行边缘速率满足4 Mbit/s、上行边缘速率满足512 kbit/s～1 Mbit/s的目标进行规划建设。NB-IoT为同频组网，而GSM是异频组网，NB-IoT的建设不能简单继承GSM的网络结构。

3 NB-IoT规划建网的优化举措

3.1 确定规划指标

根据不同应用场景（包括密集/一般城区、县城及乡镇和热点农村等）的业务需求，以覆盖率、上/下行边缘速率、参考信号接收功率和信号与干扰加噪声比等为规划指标进行模型确立。充分考虑各场景下无线传播特性的差异，定制分场景的细化设计方案，指导网络建设工作。考虑到不同业务类型的终端分布差异大以及更多集中在室内区域，同时终端业务模型不确定性强（多是混合型业务），需结合实际数据测试对传输模型（如增加穿透损耗等）进行补充修正。

在城区广度加深度覆盖要求下，采用仿真结合路测的方式进行网络规划；在乡镇、农村重点覆盖要求下，一般采用网格化精细规划结合路测的方式进行网络规划。

3.2 建立规划体系

规划体系主要包括频率规划、覆盖规划和容量规划3个方面。

（1）频率规划：NB-IoT带宽为180 kHz，支持独立、LTE带内和LTE保护带3种工作模式，其中独立模式发射功率高，在覆盖、速率、容量和时延方面性能最优，同时部署在传统的GSM频谱或其它离散频谱，更容易减少与现有或未来LTE系统发生干扰，在具备200 kHz频率资源情况下是最佳规划选择。中国移动选择GSM 900 MHz频段部署，中国电信选择CDMA 800 MHz，中国联通选择900 MHz和1800 MHz联合部署、且80%的NB-IoT网络部署在1800 MHz。

（2）覆盖规划：900 MHz具有比1800 MHz更强的穿透能力，建议优先选择。链路预算是评价无线系统覆盖能力的指标之一，通过对系统信号传播过程中各种影响因素分析建模，得出最大允许路径损耗。NB-IoT通过各种措施获得优于其它通信系统的最大允许路径损耗：根据Okumura-Hata传输模型（路径损耗与覆盖频率的关系），在其它条件均相同的情况下，NB-IoT优于LTE FDD（2.1 GHz）系统9.63 dB、优于TDLTE（2.6 GHz）系统12.1 dB。另外，多天线配置、提高发射功率也能从一定程度上提高网络覆盖能力。

虽然NB-IoT覆盖能力较现有GSM、LTE网络大大增强，但实际物联网应用在室内和地下区域居多，仅依靠室外站点覆盖室内场景效果不佳。室内盲区可通过大数据分析，通过新增小基站、直放站、室内分布和手机伴侣等手段进行补充覆盖。在后续网络建设中，需综合参考各覆盖场景的穿透损耗情况， 根据覆盖预期值（等于规划值-OTA及天线损耗-穿透损耗）合理优化室内站点的建设。

（3）容量规划：NB-IoT相比GSM、LTE系统具有约20 dB的覆盖性能增强，是实现1：N组网的基础。在性能测试中，通过设置不同系统参数：如覆盖率（95%、99%等）、站点比例得出不同应用场景的平均速率、边缘速率、RSRP和SINR等指标。对于室内深度覆盖（需考虑额外穿损）的业务，需要99%的覆盖率和1：1（与GSM网站点比例）组网模式；对于浅层室内覆盖类业务，需要99%的覆盖率和1：N1组网模式（没有额外穿损，N1值由具体环境情况和业务类型而定）；对于室外覆盖类业务，可采用1：N2的组网模式（N2＞N1）。

城区的NB-IoT网络基于LTE FDD规划站址按需部署，实现不同的网络覆盖能力（如表3所示）。以1：1组网模式建设，可提供较GSM强23 dB的深度覆盖能力；以1：2组网模式建设，可提供较GSM强17 dB的深度覆盖能力；以1：4组网模式建设，可提供较GSM强8～11 dB的深度覆盖能力。对于LTE网络尚未覆盖的贫困村、偏远村地区，可采用900 MHz LTE FDD基站完成电信普遍服务的覆盖建设，原则上与900 MHz GSM现网宏基站1：1共址建设。

3.3 优化网络建设

（1）建设一张普遍窄带通信网，全面覆盖城区、按需覆盖农村。优点是以终为始进行规划，同频干扰小，推动NB-IoT产业链发展的同时提供普遍服务，缺点是投资较大、风险较高，短期内网络利用率较低。

表3 NB-IoT与LTE FDD容量规划指标

（2）分区域（如智慧城市和大型企业厂区）建设。优点是按需规划建设、投资方向明确，在特定区域内可确保网络结构和投资回报比，缺点是建设规模易受市场谈判、企业本身和政府策略影响。

（3）分小区按需建设。优点是精确投资和较强的回报比，缺点是缺乏全局难以推动产业链规模发展。结合某运营商物联网部署现状，建议方案1为主、方案2为辅进行网络建设，最终实现NB-IoT网络的规模部署。

NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗180 kHz带宽，可直接部署于GSM、LTE或UMTS网络，以降低部署成本、实现平滑升级。在NB-IoT网络部署方面，主要有新建NB-IoT系统（新建BBU和基带板、RRU、天线等，开通NB-IoT和LTE FDD软件功能）、基于LTE系统新建（利旧基带板，新增RRU、天线，开通NB-IoT或LTE FDD软件功能）和基于GSM系统升级（利旧RRU、天线，新增BBU或基带板，开通NB-IoT或LTE FDD软件功能）。方案1虽然实现简单、性能最优，但从投资和天面资源考虑不太推荐，方案2改动天面会对LTE系统性能造成一定影响，方案3基于多模设备便于后期新建系统的部署。建议根据现网不同情况，综合考虑建设成本、实施难度、网络质量等因素合理选择建设方式。

3.4 保障平滑升级

对某运营商而言，后期有拿到LTE FDD牌照的可能，因此要对GSM、NB-IoT和LTE FDD进行统一规划。在频率规划上，GSM 900 MHz会将更多的资源重耕给NB-IoT和LTE FDD系统所用。随着NB-IoT的独立部署（其频点在高端、GSM频点分布在LTE两侧），可根据容量需求灵活增加频点。在设备规划上，主要利旧、升级GSM现网设备，同时兼顾LTE FDD：从设备方面使用多模式设备和多端口天线。

NB-IoT建设还要兼顾GSM和TD-LTE厂家情况，综合考虑建设成本、实施难度和网络质量等因素，合理选择建设方式保障网络平滑升级。GSM升级方案具备节省建设成本、实现快速部署的优势，在GSM升级比例较高地区可优选GSM同厂商设备；TD-LTE/LTE FDD同厂家组网具备接口统一、无线资源调度效率高、可部署载波聚合以及提高客户感知等优势，在GSM升级比例低、工程实施难度小和客户感知要求高的地区，落地方案可优先选择TD-LTE同厂商设备。

4 NB-IoT面临的挑战

近年来，美国、欧盟、中国和日本等经济强国均从国家战略角度积极推动物联网产业发展，但各大运营商在实现过程中仍然面临商业模式、产业链和技术标准等多重挑战：在商业模式方面，由于NB-IoT支持小分组数据发送、终端功能简化，运营商单纯通过数据管道获得的利润远不如建设成本的投资。因此，除了提供基础网络连接服务以外，开拓连接管理平台和业务应用平台、有机整合各项能力是运营商需要转型的重点。在产业链方面，NB-IoT缺乏成熟的上下游产业（包括运营管理、系统软件、模块芯片、云服务平台和业务应用等），因而在市场成熟度方面需要各厂商努力推进与协作。在技术标准方面，该技术尚不支持语音业务，也难以满足定位、连接态移动性等需求，而只适用于小数据周期性上报类型和实时性不强的业务；同时，标准的不确定性和滞后性严重阻碍了技术发展和产业链成熟。总之，低功耗广域类业务除了NB-IoT技术之外，还有基于LTE的eMTC、LoRa和Sigfox等技术，如何推动NB-IoT商业模式、产业链和技术标准的快速成熟并在众多物联网技术中脱颖而出是运营商需要尽快解决的问题。

5 结束语

虽然物联网已在全球范围内建设部署，但其商业模式和产业布局仍处在初期探索阶段。NB-IoT主要在低频段部署，技术特征基本满足未来5G海量物联网连接需求，因此需要在技术标准上继续快速演进，以承载未来5G海量物联网业务。通过分析各种区域和场景的差异化需求，可为后续NB-IoT的网络规划、模型校正及发展演进提供参考依据，从而实现GSM、NB-IoT和LTE FDD联合组网的目的。

[1] 黄悦, 汤远方. NB-IoT物联网组网及覆盖能力探讨[J]. 移动通信，2017(18):11-15.

[2] 鲁娜，等. NB-IoT运营商面临的机遇与挑战[J]. 中兴通讯技术，2017 23(1):29-31.

[3] 孟凡. 低时延光传送网实现方案[J]. 电信科学, 2016(Z1):238-244.

[4] 孟凡，王超, 李云静, 等. 面向5G大容量业务的超高速传输标准及技术探讨[J].电信工程技术与标准化，2018(1):30-34.

[5] 张建国. 中国移动NB-IoT部署策略研究[J]. 移动通信，2017(1):25-30.