蜂窝物联网NB-IoT的关键技术与组网实践

仇 勇 杨锡继 郝 隽 张 晶 宋啸天

1.中国移动通信集团江苏有限公司；2.镇江市审计局

0 引言

随着社会的发展，移动通信技术已经逐步从人与人之间的信息交流扩展到人与物、物与物之间信息互通的时代。物联网技术的应用已经渗透到社会的各个行业中。物联网（Internet of Things）是在互联网基础上延伸与扩展的一种网络，是新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代的重要发展阶段。根据2016年6月份爱立信发布的移动报告，到2021年全球约有53.6%的终端连接为物联网连接。

区别于传统的蜂窝通信网络技术，LPWA（Low Power Wide Area，广覆盖、低功耗）作为典型的物联网应用场景之一，要求可提供广域覆盖的物联网新技术。基于此，在3GPP组织的第69次RAN全会上通过了NB-IoT（窄带物联网）立项并于2016年6月份完成了NB-IoT标准的冻结。

1 NB-IoT的原理与关键技术

相对于传统的LTE网络，在网络功能上NB-IoT不支持：切换、不同系统间的互操作、测量报告、Relay、CSFB等业务。但是在帧结构、物理信道、时隙结构等方面进行了增强。

根据规范要求，NB-IoT网络与GSM网络的系统带宽相同，均为200kHz，NB-IoT的传输带宽为180kHz。NB-IoT的下行帧结构与传统的LTE帧结构相同，1个无线帧包含10个长度为1ms的子帧，1个子帧包含2个长度0.5ms的时隙。NB-IoT下行支持15kHz的子载波间隔，不支持7.5kHz的子载波间隔，支持常规CP，不支持扩展CP。NB-IoT的上行支持两种帧结构，即子载波带宽为3.75kHz的帧结构和子载波带宽为15kHz的帧结构。

NB-IoT的下行支持3个物理信道，上行只有2个物理信道，如下表1所述：

NB-IoT下行方向以RB为单位进行资源分配，上行方向以资源单元RU（Resource Unit）为单位进行资源分配调度。窄带物理上行共享信道（NPUSCH）在上行方向仅分配1个子载波的模式称为Signal-tone模式，窄带物理上行共享信道在上行方向可以分配多于1个子载波的模式称为Multi-tone模式。根据NB-IoT的规范标准，NB-IoT具备以下五大特点：

（1）带宽为180kHz，和现有LTE系统的一个PRB带宽相同；

（2）下行采用OFDMA技术，子载波间隔15kHz（和LTE相同）；上行支持两种模式，多载波15kHz和单载波3.75kHz；

（3）全新的物理信道和信号，对下行的PBCH、PDSCH、PDCCH采用单一的TM传输模式；

（4）降低终端成本和功耗，采用半双工方式，一根接收天线；

（5）为充分利用LTE网络资源，同时提供灵活的零散频率资源部署，NB-IoT建议部署模式：独立模式、保护带模式和带内部署模式。

根据标准规范要求，NB-IoT计划实现以下目标：

（1）实现大容量的终端接入；

（2）实现广域覆盖和深度覆盖，覆盖信号强度比传统的GPRS技术增强20dB；

（3）降低终端成本，每个终端低于5美元；

（4）降低功耗，在5Wh可提供大于10年的待机时间。

1.1 NB-IoT的工作模式

NB-IoT网络可以从2G基站共站升级，但仅支持FDD制式，占用的带宽为180kHz，支持3种不同的部署方式：

（1）独立部署（Standalone）模式，利用当前被其他系统使用且可以重耕的部分频谱，如一个或者多个GSM载波，不依赖LTE；

（2）带内部署（InBand）模式，占用LTE中的一个PRB；

（3）保护带内部署，利用LTE保护带内未使用的资源块，不占用LTE资源。

三种部署方式如下图1所示：

图1 NB-IoT的三种工作模式

1.2 NB-IoT的传输方式

NB-IoT支持下行OFDMA传输，频域间每个载波只包含一个PRB，子载波间隔为15kHz，循环前缀CP的长度为常规CP。

上行定义了多子载波（Multi-tone）和单子载波（single-tone）两种传输方式。多子载波的传输方式支持以15kHz的子载波间隔定义连续12个子载波，并且这些子载波可以组合成3个、6个或者12个连续子载波。单子载波支持两种子载波间隔：3.75kHz和15kHz。对于3.73kHz的子载波间隔，定义了48个连续的子载波；对于15kHz的子载波间隔，定义了12个连续的子载波。

1.3 NB-IoT的覆盖增强技术

（1）符号扩频技术和多次重传技术。

（2）提高编码增益以及降低移动性对信道的影响。上行采用Turbo码，相比GSM采用的卷积码有更高的增益；并且采用更低的调制解调方式（BPSK），对译码信噪比需求降低，因此获得更高的增益；NB-IoT不支持切换，终端处于静止或者低速移动状态，慢信道变化可通过Busrt获得更高的增益。

（3）提升上行功率谱密度。采用更窄的带宽（3.75kHz/15kHz）可获得更高的功率谱密度。

（4）数据重传。采用数据重传技术获得时间分集增益，采用低阶调制方式提高解调性能、增强覆盖性能，各个信道均可实现重复发生。

2 NB-IoT的组网方案选择

NB-IoT网络发展过程中需要关注两方面问题，一方面是来自于网络内部信号干扰引起的传输可靠性问题，另一方面是如何快速高效地满足LPWA类蜂窝物联网业务的低功耗、低成本和大连接需求。因此，选择最优的频率以及最佳的基站建设方式尤其重要。

2.1 NB-IoT的频率选择

对于独立方式（SA）部署的NB-IoT网络，由于系统配置灵活，可相对独立组网，在该模式下需要考虑与邻频系统的干扰问题，如GSM、CDMA、UMTS、LTE等系统。独立模式部署的NB-IoT与其他相邻系统的保护带要求，3GPP组织在R13 TS 36.101和R13 TS 36.104中做了评估和限定，如下表2所示：

表2 NB-IoT独立载波与其他IMT系统邻频的载波间隔

对于带内、保护带工作模式下的NB-IoT网络，主要考虑NB-IoT Single-tone 3.75kHz与LTE系统间的干扰问题。一般情况下，可通过预留PRB作为保护带或通过NB-IoT子载波调度算法来规避NB-IoT与LTE系统间的干扰。

NB-IoT只支持半双工的FDD模式，就中国移动而言，目前可用的FDD频率有900MHz频段以及1800MHz频段。900MHz的覆盖能力比1800MHz的深度覆盖能力强，因此900M频段为中国移动部署NB-IoT的首选频段。如下图2所示：

图2 中国移动900MHz频率分布

根据中国移动集团GSM频率重耕优化指导意见相关讨论会议的结果，中国移动物联网占用频率为945.8～950.8（下行）和953.3～953.9（下行）共5.6M频率。

2.2 NB-IoT组网建设方式

目前NB-IoT网络的建设方式主要包括新建NB-IoT基站和利旧GSM站点升级建设NB-IoT基站两种方式。

新建NB-IoT基站需要新增天馈系统，新增RRU，新增基带板卡等。优点是不影响现有GSM网络，可以独立进行优化调整，但新增天馈系统难度大、投资较高。

利旧GSM站点升级建设NB-IoT基站可以利旧原有的天馈系统，建设速度快，施工难度较小，投资较少。并且当NBIoT的工作模式为Inband模式或后期引入eMTC后，可同时开通LTE FDD900，增加网络容量。

以爱立信RBS6000系列设备为例，如下图3所示：

（1）基带：新增数字基带单验板卡DUS41/BB52系列；

（2）RRU：复用现有的GSM基站RRU；

（3）天馈系统：复用现有GSM基站的天馈系统和馈线；

（4）同步：复用GPS系统；

（5）传输接口：NB-IoT新增传输接口；

（6）CPRI接口：新增一套光纤及光模块。

图3 Ericsson RBS6000系列GSM基站升级NB-IoT基站示意图

3 NB-IoT网络组网实践

江苏NB-IoT网络目前实行GSM设备升级的建设模式，NB-IoT和GSM共RRU和天馈，使用Standalone的模式，使用频段为953—954MHz，一个频点200kHz，可用NB频点共四个：

表3 NB-IoT频段使用

现网对于NB-IoT组网性能进行了相关验证和实践工作。

3.1 NB-IoT和GSM覆盖对比分析

（1）单站拉远测试对比

由于NB-IoT采用窄带提升了功率谱密度，同时采用重复传送技术，相比GSM的覆盖能力可以提升约20dB。为了验证实际的覆盖效果，现网进行了拉远测试，对比了NB-IoT和GSM的覆盖能力。

NB-IoT网络的覆盖评估一般采用MCL（Maximum Coupling Loss，最大链路损耗），不同链路损耗情况下，GSM和NB-IoT的上行速率对比如下图，其中NB的工作模式为Standalone，功率为20w，GSM小区功率也为20w。

图4 GSM/NB-IoTPathloss对比

GSM在路损达到141dB时，终端脱网，而NB-IoT在路损达到160时，上行速率可以达到1kbps，实测NB-IoT覆盖能力要高于GSM约19dB，基本符合理论预期。

（2）深度覆盖测试对比

为进一步验证NB-IoT网络的深度覆盖能力，选择无锡市中医院门诊楼一楼大厅进行NB-IoT基站以及GSM站点室外覆盖室内的对比测试。对比测试选择NB-IoT基站为红星路隧道NB-IoT站点，由GSM站点红星路隧道通过升级方式建设，NB-IoT站点的工作方式为Standalone模式。

中医院一楼大厅距离测试NB-IoT基站距离约700米，实地测试，无锡中医院门诊楼一楼大厅为红星路隧道NB-IoT基站C小区覆盖，功率为10W，对应的GSM小区的功率为42dBm（约16W）。

中医院室内的NB-IoT的各项业务Ping、UDP上传均正常，如下表4所示：

表4 中医院门诊楼一楼NB-IoT业务测试情况

红星路隧道GSM站点C小区的覆盖情况如下图5所示：

图5 中医院门诊楼一楼GSM_Rxlev覆盖图

GSM测试时，锁定与红星路隧道NB-IoT基站C小区共天馈的GSM小区BCCH=51号频点。通道处接收到GSM小区信号在-85dBm左右，越逐渐向室内1楼大厅走，信号衰弱越大，当进入医院1楼大厅时，GSM信号强度低于-90dBm，GSM脱网。在整个1楼大厅内均无法接收到该GSM小区信号。

从实际的对比测试看：NB-IoT在RSRP=-120dbm以下的点可以正常接入并且可以做上下行业务，在深度覆盖方面NBIoT较GSM具有优势。

3.2 1∶N组网覆盖情况验证

NB-IoT站点建设目前是依托GSM站点进行，由于NBIoT的覆盖能力要强于GSM，所以可采用较少的站点达到比较好的覆盖效果，现网通过实测，验证了NB-IoT和GSM站点不同站点数量比例的情况下，信号覆盖和质量。

现网选取了一个簇，通过路测，分别验证了1∶1、1∶2和1∶4三种站点数量比例下的覆盖情况，如表5：

表5 不同NB站点数量的覆盖对比

覆盖强度RSRP随着NB-IoT站点数量的减少逐渐下降，1∶2相比 1∶1 RSRP 下降约 2～5dB，1∶4 相比 1∶1 下降约 10～12dB。

由于重叠覆盖减少的原因，随着站点数量的减少，干扰水平下降，覆盖质量SINR有所改善，空载情况下1∶2和1∶4比 1∶1 组网改善 3-4dB，加载情况下 1∶2 和 1∶4 比 1∶1 组网改善6dB左右。

考虑一定的覆盖预留，同时参考实测数据，上行1Kbps的速率要求的RSRP约为-120dBm。

按照1kbps的上行边缘速率和95%覆盖率要求：

1∶1可提供25 dB穿损余量，1∶2可提供25dB穿损余量，1∶4可提供23 dB穿损余量。

按照1kbpsbps的上行边缘速率和99%覆盖率要求：

1∶1可提供21dB穿损余量，1∶2可提供16 dB穿损余量，1∶4可提供12 dB穿损余量。

3.3 NB-IoT异频组网模式验证

建网初期，NB-IoT网络采用同频组网的模式，由于NBIoT的覆盖能力高于GSM，重叠覆盖区域较大，导致了现网存在覆盖强度较好、SINR较差的情况。以现网一个网格测试为例，同频组网测试情况如下图所示：

图6-1 同频组网RSRP

图6-2 同频组网SINR

可以看出存在较多SINR低于-3dB的区域。为了优化相关问题，现网试点了NB-IoT的异频组网模式，在试点区域共采用3个频点组网，将覆盖方向正对的邻区配置为异频，如图7所示：

图7 NB-IoT同频和异频组网

采用异频组网后，减少重叠覆盖区域的相互干扰，达到提升下行信号质量的目的，实际对比情况如表6所示：

表6 同异频组网覆盖性能对比

采用异频组网后，试点区域信号强度RSRP和之前基本持平，信号质量提升明显，平均SINR提升3.69dB，SINR<-3dB占比降低6.08个百分点。

从测试结果来看，NB-IoT的异频组网模式，可以有效提升下行的信号质量，在后续组网中有较好的应用价值。

3.4 NB-IoT容量解决方案验证

NB-IoT的随机接入能力取决于一个PRACH周期内PRACH信道的资源。如图8所示：一个NPRACH周期内，有12个PRACH子载波，共占用12×3.75kHz，且与PUSCH预留15kHz保护带。

图8 NB-IoT上行信道格式

那么在一个PRACH周期内，同时并发进行随机接入的终端上限为12个。而物联网业务多是大连接业务，普遍存在多终端同时接入网络进行数据交互的情况，需要考虑并发容量受限的应对措施。

以南京某智能路灯项目为例，1000盏路灯试点区域情况如下：

表7 智能路灯试点区域情况

按照灯杆部署30m间距，按NB-IoT间距900m～1.5km，单小区覆盖3～4条马路两侧进行计算评估：区域路灯布放后，估计单小区部署的灯杆数约为（912.60/30）×2×4=243个；如果同时上线，明显超过小区的并发接入用户数，现网从无线接入侧到业务平台侧运用了对应的保障措施。

无线侧随机接入信道拥塞控制（Backoあ）。随机接入Backoあ功能，是终端在随机接入失败之后，随机推迟一段时间再进行接入，提高终端在一定时间内随机接入的成功率。

图9 随机接入信道拥塞控制

业务平台进行错峰接入。在初始上电接入时，对上电时间进行错峰入网，如采用随机值，或采用按ID号顺序入网等，使路灯入网随机离散开，最终在一定时间内完成所有终端的入网，避免大量终端同时入网对基站造成冲击。在周期内上报数据时，周期性状态上报使用随机数方式（第一次上电时取随机值+1小时=下次上报时间）进行上报，应用所管辖的所有的路灯在一小时内把状态上报完。

图10 数据错峰上报

通过各项保障手段的事实，实验区域1000盏路灯，在规定时间内顺利完成了上电入网和点亮。

4 总结

本文在介绍NB-IoT基本特点及组网方式的基础上，通过实测数据验证了NB-IoT在覆盖方面的优势以及不同站点比例情况下可提供的覆盖能力，同时验证了NB-IoT异频组网模式的可行性，以及提供了NB-IoT并发接入容量问题的解决方案，为下一步网络的规划和部署提供参考。