基于NB-IoT物联业务的网络延伸覆盖技术

安进朝

（河北远东通信系统工程有限公司 河北省石家庄市 050200）

在第四代移动通信推广的背景下，网络带给人们的体验愈加丰富，在网络速率提升的同时，网络架构的灵活程度也不断增加，能够使人们的需求得到满足。与此同时，智能技术的普及应用，加强了人与人、物与物和人与物之间的联系，物联网的重要作用逐渐被各行各业所重视，成为了广域移动通信未来发展的方向。在此背景下，以4G 蜂窝网络为基础的NB-IoT 应运而生。网络运营商的基站资源十分丰富，只需要升级软件或硬件，即可达成广域物联服务的目标，目前，物联网已经成为国内各大网络运营商的重要业务。在查阅资料后得知，我国物联网用户的规模已达1.5 亿。借助广域覆盖资源，使用户物联需求得到满足，需要网络运营商进行研究。

1 NB-IoT特点和国内发展现状

1.1 NB-IoT概述

在科学技术高速发展的背景下，大数据和智能化的时代已经悄然而至，在此背景下，建设新一代的信息基础设施刻不容缓，以促进通信技术的进一步发展。物联网技术的高速发展，为人们创造了便利的生活条件，有助于社会的进步和发展，与人们生活之间存在密切的关联。自改革开放以来，我国居民的生活水平日渐提升，对互联网性能提出了更高的要求，对物联网的要求也同样如此。以传输距离为依据，我们可以将物联网通信技术分为两大类，分别是短距离通信技术和广域网通信技术，而NB-IoT 就属于广域网通信技术的一种。与Wi-Fi 等短距离通信技术相比，以NB-IoT 为代表的广域网通信技术，所应用的基站主要包括公有基站和私有基站，故在覆盖范围上更为广泛，可以为物联网深度覆盖创造有利的条件。相较于LET 技术而言，广域网通信技术的窄带技术可以实现对频谱的充分利用，故连接数量较多，能够满足物联网海量连接的需求。NB-IoT 的覆盖率目标为163.7dB，同时采用了窄带技术，可根据实际需求对其子载波带宽进行调整，调整范围是3.75KHz 和15KHz，子载波之间存在15KHz 的间隔。这种窄带技术的运用，使功率谱密度大幅度提升。NB-IoT 物联网覆盖技术的部署方案包括三种，分别是宽内部署、独立部署和保护带部署，网络运营商可结合业务需求，灵活选择部署方式。

1.2 NB-IoT的特点

将3GPP 标准定义作为依据可知，NB-IoT 具有以下特点：

（1）覆盖范围广；

（2）连接大；

（3）网络速率低；

（4）时延敏感程度差；

（5）成本低廉；

（6）功耗较低。

因此NB-IoT 在具有相同特点的设备或工作中较为适用，可以取得良好的应用效果。例如：智能抄表、穿戴类设备以及资产跟踪等。在网络运营商提供的4G 网络频段带内，NB-IoT 仅需使用频率为180Hz 的窄频宽带，就能获取非常高的接入能力，在查阅资料后得知，最高接入能力可达50000/载扇，且实现方式较为简单，网络运营商只需升级硬件和软件。

1.3 NB-IoT国内发展现状

中国移动在2G/3G 物联网业务中，用户规模占比高达70%以上，同时在2016年在国内多个城市对NB-IoT 进行外场测试。在进入2017年后，中国移动的申请得到了批准，可以将现有频段作为基础建设NB-IoT，之后，中国移动通过招标的方式，计划在未来建设14.5 万个基站，并借助基站数量优势，使快速部署的目标成功实现。

中国电信在2016年的论坛会议上提出了发展物联的计划，并计划在年内部署频段为800Hz 的NB-IoT 网络，希望通过这种方式，改善基础薄弱的现状，并实现进一步的发展。在查阅统计数据后得知，截止到2018年初，中国电信所建设的基站数量高达31 万，使广域全覆盖目标成功实现，同时与众多知名企业签订了合作协议，这些企业包括海尔、海信和ofo。

中国联通的NB-IoT 已经实现了对全国大部分城市的覆盖，并成立产业基金促进物联网产业的发展，产业基金规模达到了100 亿元人民币。

将现有基站升级方式作为基础，广域覆盖目标并不难实现，但却无法消除物联通信和移动通信之间的差别，继而引发了以下方面的问题：

（1）移动通信基站主要位于人类生活区域，而物与物之间的通信，却经常远离人群，甚至在荒无人烟的地方进行，现有基站部署存在覆盖漏洞，无法从根本上满足物联通信的需求。

（2）NB-IoT 对网络覆盖深度提出了严格的要求，但结合上文可知，NB-IoT 具有网络使用成本低廉的特点，简言之，就是用户仅需花费少量的费用即可享受服务，因此NB-IoT 与传统通信相比，资费较低。如果网络运营商为满足NB-IoT 需要单独建设网络，会导致成本无法有效回收，投入与产出不匹配的现象也会随之发生。

通过上述分析可知，NB-IoT 的发展尚未完善，接下来，本文会将NB-IoT 发生场景、延伸技术、网络侧分析作为基础，提出减少站点数量并促进网络覆盖性能提升的措施，从而解决NB-IoT 发展过程中存在的问题，促使其实现更好的发展[1]。

2 NB-IoT的网络性能要求

2.1 发生场景

NB-IoT 主要的应用场景如下所述：

（1）公共事业：智能水表、电表和气表。部署的位置为地下室、外墙和楼梯间；

（2）智慧城市：智能灯杆和停车。部署位置为路边和室外；

（3）消费医疗：宠物跟踪。部署位置是宠物身上或周边区域。

与传统移动通信相比，NB-IoT 的部署位置相对较多。

2.2 NB-IoT典型场景覆盖

目前，国内网络运营商出于成本的考虑，会将传统移动通信基站作为物联通信基站，以实现NB-IoT 网络全覆盖的目标。但实践结果表明，这种基站部署方式存在覆盖漏洞，部分特定场景无法被覆盖，比如：智能水表、智能电表等等。在查阅统计数据后得知利用现有站址的典型NB-IoT 业务覆盖率不尽如人意，具体数据如下所述：

（1）智能停车的覆盖率为81%；

（2）智能电表的覆盖率为85%；

（3）智能水表的覆盖率为91%；

（4）ATM 机的覆盖率为92%；

（5）智能家居的覆盖率为95.1%；

（6）共享单车的覆盖率为96%；

（7）智能路灯的覆盖率为98%。

上述数据为某城市测试所得到的数据，仅具有参考价值[2]。

3 网络性能提升的措施

结合上文可知，如果将现有基站作为升级部署，很难对特殊位置实现全面覆盖，继而引发覆盖漏洞，与此同时，物联业务资费较低，如果在弱区建设基站，会导致成本无法回收，建议网络运营商将周边网络和终端采用情况作为依据，选择合适的延伸技术，通过这种措施，使网络覆盖效果得到强化，并在控制建设成本的基础上，使覆盖性能增强，为此，本文提出了以下几种措施。

3.1 网络延伸

所谓的网络延伸是指通过信号放大设备的增加，使网络覆盖性能提升的方法，这种网络性能提升措施，有利于节省成本，究其原因，主要是信号放大设备仅需在NB-IoT 业务发生区域增加即可，与此同时，还要加强对旧有网络天馈系统的使用，在选择设备时，尽量以价格低廉且功率小的设备为主，比如：微站和无线直放站等等[3]。

上述方法虽然建设成本较低，但适用范围却相对较小，如果NB-IoT 业务所在区域并没有分布式天馈系统或不具备建设天馈系统的条件，则这种方法的应用难度较高，无法发挥应有的作用。反之，如果具备上述条件，网络延伸技术的优势可以充分实现。比如：网络运营商可以对NB-IoT 业务发生区域进行改造和建设，通过微站和直放站的设置，达成预期的目的。在了解后得知，与宏基站相比，此类设备的价格仅为前者的25%左右，网络运营商可以将业务开展情况作为依据，合理设置微站和直放站，从而在保证网络覆盖效果的基础上，在最大限度上控制投资成本。

3.2 终端延伸

虽然网络延伸可以取得良好的应用效果，但依然会浪费一定的成本，因此，针对分散的应用，可以使其与外接天线相联合，构成无源接收系统，使终端侧的接收和发送增益得到有效提升，通过这种措施，确保弱覆盖区域通信质量的提升。在部署终端延伸的过程中，考虑到穿透墙所造成的损耗为10db，在设计过程中，应该尽量将多个联合设备的穿墙损耗控制在15db 以内，这里所说的损耗主要由器件插损、馈线传输损耗和接头损耗。通常情况下，延伸天线所连接的终端数量不少于6 个，而主天线位置对NB-IoT 信号强度要求相对较高，与终端最小接收电平相比，超出幅度为20dB。且具有安装便捷和安装方式灵活的特点，在终端分布较为零散的地区尤为适用，每个终端最高建设成本不超过300 元，平均成本为150 元[4]。

3.3 码元重复传输

为确保物联网覆盖增强技术的整体效率，使码元重复传输具有非常高的可行性，究其原因，主要是重复性传输，可以使信号码元的整体传输时间延长。码元重复传输的实质就是简化的信道编码，虽然会导致系统传输效率下降，但有助于提升解调和译码的可靠性。尤其是在信噪比的环境下，可以发挥重要的作用。

3.4 应用场景分析

考虑到部分区域属于覆盖盲区，且面积相对偏小，故终端数量不超过10 个，集中程度偏低，如果采用集中投资的方式，会导致投入成本无法回收的问题出现，针对此类情况，可以将终端侧解决方案作为首要选择。这里所描述的情况，常见于小型地下室、小型隧道、小型管井等场景之中。改进措施如下：

（1）网络运营商应加强与终端厂商的合作，要求其在终端上设置隐蔽接收天线；

（2）网络运营商应将SMA 接口设置到终端天线和主板之间，如果在检测过程中发现电线无法正常工作，可以将天线设置成外接天线。

如果业务覆盖盲区过大，连片存在，且终端数量大于10 个，则采取集中投资的方式，简言之，就是将网络侧的延伸覆盖方案作为首选。常见于高层楼宇管井、大型地下室和设备机房等场景之中。改进措施如下：

（1）网络运营商需要将设备覆盖面积作为依据，做好无线直放站的选择，确保所选直放站的功率与业务要求相符。除无线直放站之外，选择功率合适的微站和光纤直放站亦可。

（2）如果覆盖区域已经存在移动通信系统室内分布系统，可以在原有天馈基础上进行合路改造，以节省成本。

4 结论

总而言之，物联网作为国家信息规划的重要内容，是国内网络通信技术未来发展的方向，由于NB-IoT 具备诸多方面的优点，使其在低速率、大连接的应用场景之中取得了良好的应用效果。目前，国内外知名网络运营商纷纷对NB-IoT 进行研究和部署。为实现低投入，高覆盖率的目标，建议网络运营商基于实际需求，选择合适的延伸覆盖技术。