NB-IoT部署方案及关键问题分析

张彬，王志鹏，马庆

（中国移动通信集团设计院河北分公司，石家庄 050021）

NB-IoT部署方案及关键问题分析

张彬，王志鹏，马庆

（中国移动通信集团设计院河北分公司，石家庄 050021）

本文讨论了3GPP物联网标准NB-IoT的优势及其技术特点，并对GSM频率重耕至NB-IoT和FDD过程中涉及的关键问题进行了分析和阐述，同时提出了相应的建议，为未来NB-IoT和FDD的统一部署提供了技术参考。

NB-IoT；LPWA；3GPP；频率重耕

物联网的概念想必大家都不陌生，根据工信部物联网白皮书中的定义，物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的。

物联网的基础是万物互联，万物互联的基础是通信网络，随着联网设备增多、设备的类型及应用场景更加丰富，越来越多的设备需要广范围、远距离的连接，而且大部分应用只需要较低的数据传输速率，到底什么样的网络更适合物联网呢？为了满足这种需求，LPWA(Low Power Wide Area Network，低功耗广域网)应运而生，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计。由于具有“广域”的特点，必然会涉及到网络运营，所以LPWA网络一般是由电信运营商或专门的物联网运营商部署，由于LPWA网络连接的基本都是“物”，因此通常也叫“物联网专用网络”。

运营商的网络是全球覆盖最为广泛的网络，因此在接入能力上有独特的优势，同时，运营商也正想借物联网连接作为切入垂直行业的关键点，那运营商目前的蜂窝移动通信网络是否能直接承担LPWA的重任呢？答案是否定的，因为目前的2G/3G/4G网络还存在不支持海量连接、典型场景网络覆盖不足、终端功耗大成本高等问题，与物联网的需求尚不匹配。有需求就有解决方案，3GPP针对降低成本、降低功耗、增强覆盖等方面进行了针对性设计：Cat1、CatM、NB-IoT，并于2015年9月完成立项。前两个是针对LTE网络的优化，而NBIoT是针对LPWA类业务“超深覆盖、低功耗、低成本”需求设计的专有制式网络，终端成本最低，是本文讨论的主要内容。

1 窄带物联网的技术特点

2016年6月22日，3GPP宣布已完成NB-IoT的标准化工作，这意味着Release13中面向IoT市场制定的核心协议已经完成。NB-IoT可以看作是一种基于4.5G的技术，它构建于蜂窝网络，通常只需占用200kHz的频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT具备以下四大特点。

1.1 覆盖能力更强

根据前面的讨论，物联网对网络覆盖的要求要高于现在人与人之间的通信，因为传感器一般都安装在如室内、地下、机器内等一些对深度覆盖要求高的场景，因此增强的覆盖能力是NB-IoT能够立足的基础，根据计算，NB-IoT相对于GSM网络来说覆盖可以提高大约20 dB(前提是二者部署的频段相同)，而蓝牙、Wi-Fi等短距离通信技术更是无法与之相比。NB-IoT主要靠以下两种技术来保证这种超强覆盖能力。

增强的功率谱密度，如图1所示，NB-IoT信道带宽为15 kHz和3.75 kHz(一个LTE子载波或者1/4个子载波)，和GSM相比，能够将相同的功率分配在更窄的信道上，功率谱密度提高约10～17 dB。

重复发送及编码，为保证传输的可靠性，NB-IoT采用重复发送和编码，可获得3～12 dB (重复发送2～16次)的分集增益和3～4 dB的编码增益，共计3～16 dB，如图2所示。

因为NB-IoT终端发射功率较GSM终端要小(前者最大发射功率23 dBm，后者最大发射功率33 dBm)，因此在总增益中还要减去10 dB，即便如此，NB-IoT依然能提供20 dB的增益。

图1 NB-IoT功率谱密度示意图

图2 NB-IoT重复发送示意图

1.2 支持海量连接

NB-IoT具有更小的资源粒度，能支持更多的并发连接，在混合业务模型下(包含自动上报业务不同分组大小、不同上报间隔；包含下行软件更新、配置等业务不同分组大小)，评估可达到每小区5万左右的连接数，这相对于LTE每小区1 200个连接已实现了数量级的增长。

1.3 终端功耗小

如图3所示，NB-IoT通过采用增强型的DRX (非连续接收)和引入新的PSM (Power Saving Mode，节电模式)，使得终端芯片的功耗大大降低，延长了工作时间，保证物联网应用的持续性，根据3GPP TR45.820的仿真数据，在耦合耗损164 dB的恶劣环境下，PSM和增强型DRX均部署，如果终端每天发送一次200 byte报文，5 W/h电池寿命可达12.8年。

图3 NB-IoT降低功耗技术示意图

1.4 终端成本低

相对于目前蜂窝网的移动终端，物联网终端芯片工作频带窄，速率要求低，不需要多天线，因此射频部分和协议栈均可简化，模组成本不超过5美元，而且该成本还有望伴随规模效应进一步降低。

2 NB-IoT建设方式

以中国移动为例，可以考虑以下3种部署方式。

2.1 新建NB-IoT系统

新建NB-IoT系统，增加基带和天馈，这种方式最简单，性能最优，但该方案无论从成本考虑还是从天面资源考虑，都不太切合实际。

2.2 基于TD-LTE站点部署

基于现网TD-LTE站点部署NB-IoT，新增基带板，可利旧传输、主控和时钟，但是需要改动天面，这对于当前作为中国移动主要运营网络的TD-LTE来说，其性能可能被影响，有一定的风险。

2.3 基于GSM站点部署

新增基带板、传输和时钟，但射频和天馈可以利旧(部分老旧设备可能需要替换)，这种方式不会影响TDLTE网络，还可以尽量利旧GSM的设备资源和综合考虑FDD网络建设，是本文推荐的部署方式。

3 GSM/NB-IoT/FDD统一规划

考虑到后续网络演进，对于中国移动来说，不排除会拿到FDD牌照做一些特殊场景的覆盖，因此笔者建议在考虑NB-IoT部署时，应做到GSM/NB-IoT/FDD的统一规划，主要涉及到频率和设备两方面，下面一一进行阐述。

3.1 频率规划

频率规划方面，主要考虑GSM900频率可重耕多少和频率如何分配两个问题。如表1所示，以中国移动GSM900网络为例，目前共有19 MHz带宽，94个GSM频点。随着4G网络的不断完善，越来越多的2G用户迁移至4G，GSM900的带宽便可以重耕为NB-IoT和FDD网络所用，目前很多省都开始了GSM频段的翻频工作。那么，到底可以重耕多少2G带宽呢？可以参考图4的流程进行计算。笔者曾经对中部某城市进行过计算，近期可重耕5 MHz带宽，中远期可重耕10 MHz。

表1 中国移动GSM900频点分配

在确定了可用带宽后，我们还要考虑GSM/NBIoT/FDD 3个系统如何分配频率的问题，经过分析，考虑到NB-IoT频点的位置，可分为3种方式，分别是Standalone、Guardband、Inband，如图5所示，即NB-IoT频点独立设置、位于保护带内和位于FDD频段内。

考虑到频点调整应尽量减少对GSM现网产生影响以及FDD和NB-IoT频点的扩展灵活性，笔者建议使用图6所示的分配方式，LTE频段采用三明治方式，NB-IoT频点采用Standalone方式部署在高端，这种方式FDD在扩展带宽(如5 MHz扩到10 MHz)时，中心频点可保持不变，NB-IoT也可根据容量需求灵活的增加频点。

图4 GSM可重耕带宽计算流程图

图5 带宽分配方式

图6 建议的带宽分配方式

3.2 设备规划

如前分析，考虑到建设成本和站点天面资源，我们采用利旧GSM现网设备进行升级的方式部署NB-IoT，同时兼顾FDD。下面我们从BBU、RRU、天线3个方面讨论利旧设备时要注意的问题。

3.2.1 基带单元BBU

在基于GSM部署NB-IoT和FDD网络的实际部署中，对于支持GSM/NB-IoT/FDD三系统共框的设备来说，需新增NB-IoT基带板和FDD基带板，同时还要视情况增加IP传输和GPS同步源；对于不支持GSM/ NB-IoT/FDD三系统共框的老设备则应进行替换。

3.2.2 射频单元RRU

RRU设备的改造情况比较复杂，主要考虑以下几个方面。

(1) RRU设备是否支持GSM/NB-IoT/FDD三模，如不支持则需要更换新设备。

(2) 考虑到FDD系统，RRU设备应为双通道，否则无法使用MIMO技术，所以对于单通道RRU要进行改造，要么直接替换，要么采用2个单通道设备进行双拼，双拼时应注意两个单通道设备要同型号且馈线长度尽量相等。

(3) 在改造过程中，RRU设备的功率要满足保证GSM现网覆盖质量不受影响的前提下，剩余功率还能满足NB-IoT和FDD系统的要求，这样才能保证设备的长久可用性，如果功率存在限制，应考虑更换为更大功率的新设备。

(4) 最后还应该核实现网RRU设备的频率支持情况，一些老旧设备在支持多模时可能存在频点配置受限的问题，也需要更换成新设备。

3.2.3 天面

基于GSM部署NB-IoT和FDD，最大的优势就是可利旧现网天面，这对于天面资源紧张的场景尤为重要，可大大降低物业协调难度。不过，考虑到多个系统未来可独立进行优化调整，最好将现网GSM天线替换成多端口天线。

4 结论

本文讨论了NB-IoT的概念及其技术特点，结合中国移动网络现状建议采用基于GSM900网络部署NBIoT，同时考虑FDD网络演进，从频率和设备角度阐述了GSM900升级部署NB-IoT和FDD过程中需要注意的问题，为GSM/NB-IoT/FDD三网统一规划提供参考。

[1] 物联网白皮书[EB/OL]. 工业信息化电信研究院, 2014.

[2] 3GPP启动窄带IoT标准化工作[J]. 信息技术与标准化, 2015.

[3] 张炎炎, 徐德平, 程日涛, 等. 中国移动LTE FDD网络建设方案及引入策略分析[A]. 中国移动通信集团设计院新技术论坛[C]. 2014.

[4] 吴伟陵, 牛凯. 移动通信原理[M]. 北京：电子工业出版社, 2009.

Discussion and key problem analysis of deployment scheme of NB-IoT

ZHANG Bin, WANG Zhi-peng, MA Qing
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Hebei Branch, Shijiazhuang 050021, China)

This paper discusses the advantage and technical features of NB-IoT, and the key technical problems involved in GSM frequency refarming to NB-IoT and FDD. Meanwhile, some suggestions are presented, which provide a reference for the integrated deployment of NB-IoT and FDD network.

NB-IoT; LPWA; 3GPP; frequency refarming

TP393

A

1008-5599（2017）06-0072-04

2017-05-06