城区GSM与NB-IoT同频部署对NB-IoT底噪影响研究

何小丹，宋 磊

（中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310012）

1 引言

物联网市场正在快速发展，全球主流运营商正在积极部署物联网，我国也已将物联网发展提升到国家战略中。NB-IoT由于工作在授权频段上，且具有广覆盖、低功耗、低成本及大连接的技术特点，从众多候选技术中脱颖而出。2017年6月20日，我国工业和信息化部针对NB-IoT的使用频率发布公告（2017年第27号），在已分配的GSM或FDD方式的IMT系统频段上，电信运营商可根据需要选择带内工作模式、保护带工作模式、独立工作模式部署NB-IoT系统，这意味着NB-IoT的建设运营即将拉开帷幕。对于还未获取FDD牌照的电信运营商，目前仅可以使用已分配的GSM频段部署NB-IoT。随着通信技术的发展，通信系统所处的环境变得越来越复杂，本文针对城区GSM与NB-IoT同频部署条件下，GSM对NB-IoT底噪的影响展开深入研究，首先基于测试结果分析底噪对性能的影响，然后剖析底噪的构成，最后针对同频干扰引起的底噪抬升进行了定量的分析。

2 底噪对NB-IoT网络的影响

2.1 底噪对覆盖能力的影响

NB-IoT作为一种窄带物联网技术，具有广覆盖的特点。为了定量描述NB-IoT的覆盖能力，本文使用最大耦合损耗（MCL, Maximum Coupling Loss）来表征。3GPP协议规定，NB-IoT相比GSM技术具有20 dB的覆盖增强，即MCL可达164 dB[1]。

（1）通过测试研究上行底噪对覆盖性能的影响

测试方法：将测试终端放置在NRSRP=-100 dBm的位置，经后台统计，接入小区的上行底噪为-103 dBm，此时可正常发起200 Byte的ping包业务。然后保持测试终端位置不变，利用上行信号发射器模拟上行干扰，以5 dB为步长递增，直至无法成功进行ping包业务。

测试结果表明，当上行底噪达到-94 dBm时，终端出现了无法进行ping包业务的现象，此时NRSRP为-101.7 dBm。因此，当底噪抬升35 dB时（相比于上行理论底噪-129 dBm），MCL收缩30 dB（相比于理论MCL 164），具体如下所示：

上行理论底噪=噪声普密度+带宽+噪声系数

MCL=发射功率-接收功率

（2）通过测试研究下行底噪对覆盖性能的影响

测试方法：将测试终端放置在NRS-SINR=10 dB处，此时可正常发起200 Byte的ping包业务。然后保持终端处于连接态，以NRS-SINR变化3 dB为步长向测试小区的边缘移动，直至无法成功进行ping包业务。在测试时发现，当NRS-SINR为-10.5 dB时，仍可成功接入并进行ping包业务，此时NRSRP=-131.6 dBm；当NRS-SINR降为-12.5 dB后，无法成功接入，此时NRSRP为-133.5 dBm，与NRS-SINR=11.8处的NRSRP相比变化不大。因此，底噪的抬升若使NRS-SINR降到-12.5 dB以下，将无法接入成功。

2.2 底噪对速率的影响

NB-IoT作为一种窄带物联网技术，主要适用于承载低速率业务，理论计算可得上行峰值速率为15.6 kbit/s，下行峰值速率为21.2 kbit/s[2]。为了研究干扰对速率的影响，上行采用信号发射器进行3 dB～5 dB的上行干扰模拟抬升，下行采用模拟加扰的方式进行50%加扰，加扰前后的速率如图1、图2所示。上行底噪抬升3 dB～5 dB后，相同上行速率所需的NRSRP提高0 dB～5 dB；下行50%加扰后，下行速率在NRS-SINR越差的测试点恶化越严重，相同下行速率所需的NRSSINR提高0 dB～5 dB。

图1 加扰前后的上行速率

图2 加扰前后的下行速率

3 底噪抬升的原因

在传播环境中，存在着因电子热运动产生的热噪声，热噪声的公式如公式(3)所示，其中k=1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，k×T称为热噪声的噪声谱密度。在室温下（T=300 K），可以计算得到噪声谱密度为-174 dBm/Hz[3]。对于NB-IoT技术，将上行子载波带宽15 kHz和下行带宽180 kHz[4]代入公式(3)（B为系统带宽）后，可分别计算得到上行的热噪声为-132 dBm、下行的热噪声为-121 dBm。考虑到接收机内部的电路损耗，取上行的噪声系数为3 dB，下行的噪声系数为5 dB，根据公式(4)计算得到上行的理论底噪为-129 dBm，下行的理论底噪为-116 dBm。

在实际的通信网络中，底噪往往会比理论底噪要高，产生的原因从频率属性上分可以归为两类：第一类为授权频谱内的干扰，包括同频干扰和异频干扰。其中同频干扰包含了同工作频率异系统干扰及不同工作频率系统由于非线性原因引起的干扰（例如互调干扰）。系统非线性干扰与设备功率容限、非线性特性相关，通过设备规范等方式进行规避。邻频干扰主要与系统收发信机性能相关，本文不再讨论；第二类为外部干扰，即非授权频谱内的干扰，需由无线电执法管理部门进行查处，本文也不再讨论。接下来本文将对同频干扰中同工作频率的合法异系统干扰进行定量分析。

4 同频异系统干扰引起的底噪抬升

根据工信部的频率使用公告，电信运营商部署NBIoT时，须使用已有的GSM频率资源。国内GSM可用频率资源为900 M（上行：889 MHz—915 MHz，下行：934 MHz—960 MHz）和1800 M（上行：1 710 MHz—1 755 MHz，下行：1 805 MHz—1 850 MHz）。考虑到广覆盖需求，也为了减少站点建设规模以缩短工期、节约成本，NB-IoT优选使用900 M频率资源。在NB-IoT区域部署时，NB-IoT将与现有GSM共用频谱资源，即相同频率在不同区域同时被NB-IoT、GSM使用。这种情况下，就会出现GSM对NB-IoT的同频异系统干扰。本小节将对GSM与NB-IoT同频部署条件下，典型城区环境中GSM对NB-IoT底噪的影响进行定量分析。

4.1 GSM对NB-IoT下行底噪的影响

在下行方向上，GSM同频基站会对NB-IoT终端产生干扰。为了降低干扰，在部署NB-IoT时，需在部署区域周围对GSM划定一定的隔离带，隔离带内GSM网络不再使用与NB-IoT相同的频点。对于隔离带外的GSM 900M同频基站，其发射的信号经过空间传播后到达NB-IoT用户，造成下行底噪的抬升。理想的蜂窝网络结构如图3所示，设GSM的清频范围为L0km，清频范围内的小区总个数为N0，清频范围内的圈数为C0，站间距为S，则：

图3 理想蜂窝网络结构下的清频范围示意图

同理，若设清频范围外第i圈内的小区总个数为Ni，清频范围外第i圈离干扰小区的等效距离为Li，则：

设GSM 900M的基站发射功率为W，发射天线增益为ω，频率复用因子为x，发射机内部损耗为α，NBIoT接收机OTA损耗为β，清频范围外第i圈到被干扰的NB-IoT用户的路损为Pathloss(Li)。由于三个不同方向的小区中，一般仅有一个小区干扰NB-IoT用户，因此设定1/3小区能对NB-IoT用户产生干扰，即干扰衰减因子为p=1/3。则清频范围外第i圈GSM小区对NB-IoT用户的下行干扰Ii为：

根据Okumura-Hata传播模型，路损Pathloss(Li)与lg(Li)呈线性关系，如公式(8)所示，将公式(6)代入公式(8)，并将公式(8)代入公式(7)后，可得到清频范围外第i圈GSM小区对NB-IoT用户的下行干扰Ii如公式(9)所示：

清频范围外第i圈至第j圈引起的干扰可以表示为：

对于400 km2的区域，区域半径约为11.28 km，不同的清频范围引起的下行底噪抬升如图4所示，参数的设置如表1所示。若清频范围小于9.6 km，则会引起10 dB以上的下行底噪抬升。需要说明的一点是，图中给出的是400 km2区域内的GSM 900M基站引起的下行底噪抬升，在实际的空间环境中，400 km2区域外的GSM基站也会引起下行底噪的抬升，因此实际的底噪抬升大小比图中给出的数值略大。

图4 不同清频范围下GSM引起的下行底噪抬升

表1 参数设置

4.2 GSM对NB-IoT上行底噪的影响

在上行方向上，GSM用户会对NB-IoT基站产生干扰。在部署NB-IoT时，同样使用隔离带降低干扰。对于隔离带范围外的GSM 900M用户，其发射的信号经过空间传播后到达NB-IoT基站，造成上行底噪的抬升。

一般情况下，GSM干扰用户既有室外用户，又有室内用户。设单个小区的同时服务用户数为U，站间距为S，GSM用户接收机OTA损耗为γ。根据GSM宏站的用户MR数据，可以得到各RSRP区间内的MR占比mi，将RSRP折算为路损pli，按照公式(12)和公式(13)可以计算得到某市多个用户经过穿透损耗bli后的等效发射功率W至少为20.49 dBm。

U=无线利用率×每载波业务信道数×每小区载波数×K (13)

然后，清频范围对上行底噪的影响与4.1小节的分析方法相同，仅需将基站发射功率变换成干扰小区内多个GSM用户经过穿透损耗后的等效发射功率（20.49 dB），将基站的天线增益变换成GSM用户的天线增益（0 dB），基站的发射机内部损耗变换为GSM用户的发射机内部损耗（0 dB），NB-IoT接收机OTA变换为NB-IoT基站的接收机内部损耗（3 dB），并且干扰衰减因子为1。对于400 km2的区域，采用4.1小节的分析方法并进行相关参数的变换后，不同的清频范围引起的下行底噪抬升如图5所示。若清频范围小于6.2 km，则至少会引起10 dB以上的上行底噪抬升。

图5 不同清频范围下GSM引起的上行底噪抬升

5 结束语

在NB-IoT与GSM同频部署条件下，本文以NBIoT底噪为研究对象，首先基于测试结果分析，得到底噪的抬升将引起覆盖的收缩与速率的下降，然后剖析底噪的影响因素，最后针对GSM同频干扰引起的底噪抬升进行了定量的分析。研究结果表明，下行底噪对于清频范围更为敏感。

[1] 3GPP TR 45.820. Technical Specification Group Radio Access Network, Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT)(Release 13)[S]. 2016.

[2] 3GPP TS 36.213. Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), Physical layer procedures (Release 13)[S]. 2016.

[3] Wikipedia. Johnson-Nyquist noise[EB/OL]. (2017-09-13)[2017-12-07]. https://en.wikipedia.org/wiki/Johnson%E2%80%93Nyquist_noise.

[4] 3GPP TS 36.201. Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), LTE physical layer, General description (Release 13)[S]. 2016.

[5] 刘玮,董江波,刘娜,等. NB-IOT关键技术与规划仿真方法[J]. 电信科学, 2016(S1): 144-148.

[6] 程日涛,邓安达,孟繁丽,等. NB-IoT规划目标及规划思路初探[J]. 电信科学, 2016(S1): 137-143.

[7] 卢斌. NB-IoT物联网覆盖增强技术探讨[J]. 移动通信,2016,40(19): 55-59.

[8] 戴博,袁弋非,余媛芳. 窄带物联网（NB-IoT）标准与关键技术[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2016.

[9] 苏华鸿,孙孺石,杨孜勤,等. 蜂窝移动通信射频工程[M].北京: 人民邮电出版社, 2005.

[10] Henry L. Bertoni. Radio Propagation for Modern Wireless Systems[M]. 北京: 电子工业出版社, 2002. ★