传统蜂窝网对NB-IoT物联网性能的影响研究*

于晓阳

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

NB-IoT（窄带物联网）是3GPP引入的新功能，未来无线系统的部署中，NB-IoT系统将与相同地理区域内的其他无线通信系统相邻，以便改善频谱资源的使用。同时，由于通信设备发送器、接收器的非线性特性，可能发生两个系统之间的相互干扰影响[1］。考虑系统间的共存影响对于频谱规划以及如何实施网络规划以提高系统容量和频谱利用率非常重要。

1 NB-IoT物联网

1.1 NB-IoT物联网系统

NB-IoT系统是由3GPP组织定义的CIoT接入技术。作为LTE-M的补充，NB-IoT提供了完整的CIoT解决方案[2］。与传统的蜂窝网络系统相比，NB-IoT系统具有以下特征。

（1）改善室内覆盖，在现有的蜂窝网络系统上具有20 dB的覆盖增强。

（2）支持大规模低吞吐量设备。

（3）支持低复杂度的设备。

（4）支持低功耗设备。

（5）支持低延迟灵敏度。

1.2 NB-IoT物联网与其他系统共存

NB-loT系统支持三种不同模式的部署方案如下：

（1）stand-alone场景，占用独立频谱资源的独立场景，例如使用GERAN系统的频谱，替换一个或多个GSM载波。

（2）in-band场景，在正常LTE系统载波中占用资源块的带内场景。

（3）guard-band场景，保护频带场景占用LTE系统保护频带内未使用的资源块。

2 LTE系统对NB-IoT物联网系统的影响研究

长期演进（LTE）是由3GPP组织开发的UMTS技术标准的长期演进计划。

2.1 影响评估准则

对于LTE系统的上行链路和下行链路，如果相对吞吐量损失小于5%，则认为满足共存性能损失要求。吞吐量损失通过观察ACLR曲线判断LTE系统的性能损失。首先，在模拟单系统吞吐量Thrsingle后，引入NB-loT系统的相应链路干扰，此时获得LTE系统的吞吐量，NB-IoT系统产生的系统吞吐量损失计算如式（1）所示：

通过SINR、曲线观察NB-IoT系统的性能。首先，模拟单个系统的SINR曲线，并引入相应LTE系统的链路影响。类似地，获得NB-IoT系统的SINR曲线，与无影响情况相比，观察影响情况下SINR曲线损失表明，如果SINR的损耗小于1dB，则可满足系统共存的性能指标。

表1 NB-loT与LTE系统计算参数

2.2 计算参数

从大规模共存场景的角度来看，stand-alone场景中，需考虑NB-IoT、LTE系统的上、下行链路共存影响，in-band、guard-band场景中，考虑NB-IoT系统和上行链路处的LTE系统共存影响情况。

2.3 结果分析

2.3.1 stand-alone场景下行链路仿真结果

独立场景中，载波频率为900 MHz、2 000 MHz。在下行链路上，NB-loT系统的子载波间隔统一为20 kHz，下行链路共存情况如表2所示。

表2 NB-loT与LTE系统下行链路场景

（1）频率为900MHz

计算LTE系统的吞吐量损失。图1显示了载波频率为900 MHz时LTE系统的吞吐量损失模拟结果。NB-IoT系统通过估计共存情况下的系统组件损耗标准来评估NB-IoT系统的SINR分布，图2显示了载波频率为900 MHz时NB-IoT系统的S1NR分布。

图1 LTE系统下行链路吞吐量损失，900 MHz

图2 NB-IoT系统SINR下行链路损失，900 MHz

（2）频率为2 000 MHz

当载波频率为2 000 MHz时，LTE系统的共存影响的吞吐量损失如图3所示。当载波频率为2 000 MHz时，NB-IoT系统的共存干扰的SINR分布如图4所示。

图3 LTE系统下行链路吞吐量损失，2 000 MHz

图4 LTE系统下行链路SINR损失，2 000 MHz

在NB-IoT、LTE系统共存仿真平台上，运行时仿真程序，统计影响结果是双向的。

GSM系统BS模板可应用于NB-IoT系统，且在LTE系统的干扰带内，NB-IoT系统中心频率的频率补偿被认为大于600 kHz并且等效ACLR被认为大于60 dB。因此，LTE系统吞吐量损失小于1%。虽然假设GSM系统的UE ACS适用于NB-loT系统，但在LTE系统的影响带宽内，NB-loT系统中心频率的频率补偿大于600 kHz且等效ACS 被认为大于58 dB。因此，NB-loT系统的SINR与没有影响的SINR损耗相比较小。

上述分析表明，NB-loT系统和LTE系统可在独立场景下在下行链路上共存，并且在共存时满足系统性能要求。

2.3.2 stand-alone场景上行链路仿真结果

stand-alone场景中，载波频率为900 MHz、2 000 MHz，链接共存如表3所示。

表3 NB-IoT与TLE系统共存上行链路场景

假设NB-IoT系统的UE ACLR在LTE影响系统的带宽内是平坦的，且具有40 dB的值。从仿真结果来看，LTE系统吞吐量损失小于5%。在LTE系统的影响带宽内，NB-IoT系统中心频率的频率补偿大于600 kHz，并且等效ACLR大于60 dB。因此，NB-IoT系统single-tone、multi-tone传输下，LTE系统的吞吐量损失都很小。

假设GSM系统的BS ACS适用于LTE系统干扰带宽内的NB-IoT系统，NB-IoT系统中心频率的频率补偿大于600 kHz，等效ACS大于58 dB 。因此，NB-IoT系统single-tone、multi-tone传输下，NB-IoT系统的SINR损耗都是小的。

根据以上分析，如果NB-IoT系统的ACLR大于40 dB且ACS大于40 dB，则stand-alone场景中NBIoT、LTE系统间的上行链路共存时，可满足性能要求。

2.3.3 guard-band场景仿真结果

guard-band场景中，NB-IoT、LTE系统间的共存与stand-alone场景有些不同，表4为NB-IoT、LTE系统共存的场景。

表4 guard-band场景NB-IoT与LTE系统共存场景

从仿真结果可看出，NB-IoT、LTE系统的性能参数处于允许范围内，且NB-IoT、LTE系统可在保护频带场景中共存。

2.3.4 in-band场景仿真结果

in-band场景中NB-IoT、LTE系统的共存与guard-band场景相同，且有必要仅考虑NB-IoT、LTE系统间的共存和影响。表5为NB-IoT系统与LTE系统共存的场景。

表5 in-band场景下NB-IoT与LTE系统共存场景

基于仿真结果，NB-loT系统的LTE系统中的干扰，无论载波频率在带内情况下是900 MHz还是2 000 MHz，对于相邻的第一PRB，有更大的干扰。对相邻的第二，第三和其他PRB的干扰很小。

从仿真结果可看出，NB-IoT、LTE系统的性能下降在允许范围内，NB-IoT、LTE系统可在in-band场景中共存。

3 GSM系统对NB-IoT物联网系统的影响研究

GSM是全球移动通信系统的缩写，GSM也是由3GPP建立的开放标准。

3.1 计算参数

表6显示了与GSM系统和UMTS系统共存的NB-IoT系统的模拟参数。

3.2 结果分析

3.2.1 下行链路仿真结果

考虑到GSM系统所在的频带，两个系统共存只需模拟900 MHz的载波频率。下行链路NB-loT系统的子载波间隔统一为15 kHz。因此，NB-loT、GSM系统间的下行链路共存场景如表7所示。

表7 NB-loT与GSM系统下行链路共存场景

NB-IoT系统的BS ACLR在GSM系统的干扰带内是平坦的，其值为40 dB，GSM系统用户比例较小。假设GSM系统BS模板适用于NB-IoT系统，相邻GSM系统载波中NB-IoT系统的等效ACLR被认为大于36 dB，其他GSM系统载波的等效ACLR为60 dB。因此，对于GSM系统载波，GSM系统的暂停用户数量很少。

假设GSM系统UE ACS适用于NB-IoT系统，考虑到额外的100 kHz保护带宽，相邻GSM系统载波中NB-IoT系统的等效ACS被认为是47 dB，GSM系统载波中的等效ACS大于55 dB。因此NB-loT系统的SINR损失很小。

根据仿真结果，NB-IoT系统和GSM系统可在stand-alone场景中在下行链路上共存。

3.2.2 上行链路仿真结果

考虑到GSM系统所在的频带，两个系统共存只需模拟900 MHz的载波频率。上行链路需在两种情况下考虑NB-IoT系统的传输模式：single-tone传输和multi-tone传输。因此，表8显示出了NB-loT、GSM系统链路共存情况。

表8 NB-IoT与GSM 系统上行链路共存场景

NB-IoT系统的UE ACLR在GSM系统的干扰带内是平坦的，其值为20～25 dB，且假设GSM系统的用户数量的增加很小。给定额外的100 kHz保护带宽，假设GSM系统UE模板适用于NB-loT系统，相邻GSM系统载波中NB-loT系统的等效ACLR被认为大于36 dB，其他GSM系统载波中的等效ACLR为60 dB。因此，对于GSM系统载波，GSM系统的暂停用户数量很少。

假设GSM系统BS ACS适用于NB-loT系统，考虑额外的100 kHz保护带宽，相邻GSM系统载波中NB-loT系统的等效ACS被认为是47 dB，而另一个是GSM 系统载波中的等效ACS大于55 dB。因此，NB-loT系统的SINR损失很小。根据仿真结果，NB-loT系统和GSM系统可在Stand-alone场景中在上行链路中共存。

4 结 语

通过以上研究，得到以下几点结论：

（1）stand-alone场景下行链路情况下，LTE系统吞吐量损失都小于1%。NB-loT系统的SINR与没有影响的SINR损耗相比较小。stand-alone场景上行链路情况下，NB-IoT系统SINR损耗很小。guard-band场景下，NB-IoT、LTE系统的性能下降在设置泄漏模型中处于允许范围内，且NB-IoT、LTE系统可在保护频带场景中共存。in-band场景下，NB-IoT、LTE系统的性能下降在允许范围内，NB-IoT、LTE系统可在设置泄漏模型中的in-band场景中共存。

（2）NB-IoT、GSM系统可在stand-alone场景中在下行链路上共存。NB-IoT系统的UE ACLR在GSM系统的干扰带内是平坦的，其值为20～25 dB，NB-loT、GSM系统可在Stand-alone场景中在上行链路中共存。