NB-IoT主设备选择方案及其优劣势分析

王祖阳，杨传祥

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，山东 济南 250101）

NB-IoT主设备选择方案及其优劣势分析

王祖阳，杨传祥

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，山东 济南 250101）

NB-IoT具有大连接、广覆盖、低功耗、低成本的特点，备受各电信运营商关注。分析论述了物联网业务分类及网络接入技术要求、NB-IoT网络融合演进趋势、NB-IoT主设备及天馈建设方案，并重点对NB-IoT主设备选择需要考虑的因素，不同NB-IoT主设备选择方案及其优劣势进行了分析，为相关工程建设提供参考。

NB-IoT 主设备选择 网络融合 GSM LTE FDD

1 引言

移动通信正在从人和人连接，向人与物以及物与物连接的领域迈进，万物互联的时代即将到来。万物互联创造了历史新机遇，物联时代的到来为电信运营商带来新的市场空间。从行业发展规律来看，拓展连接范畴、创新连接应用是电信运营商最成熟和有效的发展模式。物联网业务按速率可分为高、中、低三类，适用不同的无线接入技术去承载，如图1所示。

根据专业分析机构预测，低速率需求将占据未来IoT连接数的60%以上，中速率约占30%，高速率连接仅占10%。对于多数电信运营商而言，倾向于选择基于标准化组织制定的、使用授权频段、覆盖范围广、蜂窝体制的物联网技术。具体而言，对于车联网、视频监控、远程医疗等高速率物联接入场景，选择4G/4.5G/5G技术实现接入；中等速率需求的物联接入场景，选择eMTC技术实现接入；未来预期规模最大的广域、低功耗、低速、低移动性物联网市场业务（LPWA），选择NB-IoT技术实现接入。

图1 物联网业务分类及网络接入技术要求

2016年6月，NB-IoT、eMTC主要标准已冻结，国内外各大运营商物联网建设步伐明显加快，物联网产业链也不断成熟，快速发展。为实现“大连接”战略，抢占物联网新兴市场，中国移动已根据业务发展需要适时启动了物联网技术路线选择、技术试验等前期准备工作。中国移动目前没有LTE FDD运营牌照和网络，NB-IoT物联网建设只能采用新建的方式，而无法采用基于LTE FDD网络的直接升级方案。2016年4月工信部已允许运营商基于现有2G网络频率开展物联网业务。对于中国移动而言，新建NB-IoT系统虽然不受是否有FDD牌照的影响，但仍需提前考虑应对NB-IoT与未来LTE FDD网络协同建设及演进等问题。此外，对具体建设方式上的一些问题，如NB-IoT系统主设备的选择（是基于现网2G主设备升级/替换升级还是基于现网4G主设备新建）、工作频点选择与GSM频率重耕策略、天馈建设方案等必须提前规划和落实。本文将重点对NB-IoT主设备选择方案及其优劣势进行分析。网络共存。从本质上看，可以认为NB-IoT是一种某些方面做了简化和改进的LTE FDD技术。对无线侧而言，NB-IoT与LTE FDD可共用硬件平台，NB-IoT系统可由LTE FDD系统软件升级建成，同样，新建NB-IoT系统可以为LTE FDD系统做出功能预留。NB-IoT、LTE FDD无线网可以被看作是同一个物理网络上实现的两个逻辑网络。此外，适用于中等速率需求的物联场景的eMTC技术实际上可以基于LTE FDD或TD-LTE网络软件平滑升级建设，两种建设方式实现难度差别不大，但是建网成本、网络覆盖效果差别会较大。考虑到中国移动目前TD-LTE网络工作频段较高，如果通过TD-LTE网络软件平滑升级建设eMTC系统，则会面临着建网成本高、深度覆盖效果不理想等问题，因此，中国移动选择不采用基于TD-LTE网络软件平滑升级方式建设eMTC系统，而是采用基于LTE FDD网络软件平滑升级建设eMTC系统。另一方面，TD-LTE与LTE FDD融合组网是未来LTE网络建设的趋势。随着4G网络进一步发展和GSM网络承载负荷的降低，中国移动未来将已有的GSM频率资源翻频用于LTE FDD网络建设将成为趋势。因此，中国移动即将启动的NBIoT物联网规划建设必须放眼未来网络演进，提前考虑与未来的LTE FDD、eMTC、TD-LTE与LTE FDD融合、5G网络建设等协同，做到未雨绸缪。NB-IoT建设及网络融合演进路线如图2所示。

NB-IoT包含了频段内（In-Band）、保护频段

2 NB-IoT融合演进的必然性分析

图2 NB-IoT建设及网络融合演进路线

NB-IoT支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被称作低功耗广域网（LPWA），是万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT使用License频段，上下行的频率带宽仅为200 kHz，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式与现有（Guard-Band）和独立（Stand-alone）三种部署场景。In-Band和Guard-Band都是使用LTE的载波来进行数据传输，其中In-Band是使用LTE载波内的PRB传输，Guard-Band是使用LTE载波内的保护频段进行传输。这两种部署场景适合利用现网LTE网络频段进行部署，可以使频谱资源利用率高度最大化，但同时也存在与LTE网络的共存问题，如与LTE网络之间的干扰规避、射频指标配置等。因此需着重考虑对LTE系统的兼容性问题。Stand-alone不使用LTE频段传输，独占频谱资源进行数据传输，因此不存在与现有LTE系统的共存问题，适合运营商进行NB-IoT网络快速部署。

3 NB-IoT主设备选择及建设方案分析

理论上分析，NB-IoT主设备选择可以有多种方案，既可以与现有2G、3G网络主设备绑定，也可以与4G网络主设备绑定。考虑到中国移动的3G网络是TDD制式，无法直接升级支持NB-IoT，故将重点对基于2G或4G网络主设备绑定的NB-IoT主设备选择进行分析对比。

（1）方案一：NB-IoT主设备与现有2G网络主设备绑定。由于LTE FDD同GSM采用相同的频段，因此具备共用射频模块和天线的条件。故可通过升级GSM的方式支持NB-IoT/LTE FDD建设，实现快速建设，并最大限度利用现有GSM网络资源的目的。此方式下，原有GSM R R U设备需支持平滑升级，RRU剩余功率要足够满足多个系统的功率需求。与现有2G网络主设备绑定的NB-IoT具体建设方式主要包括现网GSM直接升级、部分新建、替换新建三种，其主要判别标准如下：RRU利旧原有设备，则为直接升级方案；在利旧原有一个单通道RRU的基础上，又新增一个新的单通道RRU则为部分新建；替换原有不支持升级的老旧设备，新增RRU或BBU+RRU则为替换新建方案。其中，GSM直接升级方案需要新增FDD基带板、GPS同步源、LTE传输设备，具体如图3所示。

GSM直接升级方案、部分新建方案、替换新建方案的综合对比如图4所示。

（2）方案二：NB-IoT主设备与现有4G网络主设备绑定。不考虑现网GSM主设备厂家情况，采用与现网TD-LTE 4G主设备相同的厂家来新建NB-IoT主设备。具体建设方案分为：

图3 GSM直接升级建设方案

图4 GSM升级方案对比

◆如果与TD-LTE同站址，则采用与TD-LTE共BBU机框，新增FDD BBU基带板、新增RRU及配套光纤、天线等的方案，如图5所示。

◆如果与TD-LTE非同站址，则新增本区域内厂家的BBU、RRU、天线等，相对于TD-LTE同站址的情况，需要新增BBU、GPS及其天馈配套等。

4 不同NB-IoT主设备选择方案优劣势分析

◆NB-IoT主设备与现有2G网络主设备绑定的优势能共用部分现网GSM设备机框、RRU、天馈线系统等，节约了天面资源，且可避免合路器损耗，工程实施便捷，可最大化利旧现有GSM网络资源。

图5 基于4G网络主设备绑定的建设方案

◆NB-IoT主设备与现有2G网络主设备绑定的劣势

升级方案可能会受现网设备支持能力限制。根据调研统计数据显示，现网GSM中支持升级的RRU设备比例并不高，仅有百分之十几。另有约20%左右的RRU尽管支持升级，却因为是单通道RRU，需要另外新增一个单通道RRU双拼来实现2T2R能力，工程投资及工程实施复杂性随之增加。此外，现网GSM RRU功率能否满足多系统共用也是制约能否实现升级的一个重要因素。根据测算，GSM RRU预留给NB-IoT/LTE FDD使用的功率至少应达到2×40 W/20 MHz以上。现网升级方案与GSM系统共天馈，不仅天馈无法独立调整，而且由于GSM网络异频组网（网络结构相对较差），会对NBIoT/LTE FDD网络布局带来不利的影响。

◆NB-IoT主设备与现有4G网络主设备绑定的优势

可以继承TD-LTE网络整改的优秀成果。TD-LTE网络在规划部署时充分考虑了同频干扰问题，排除了超高站、超近站，调整了天线方位角、俯仰角等工参，网络结构化布局较为合理，NB-IoT/LTE FDD选择TD-LTE站址可以继承TD-LTE网络整改的优秀成果。对于与TD-LTE同厂家的新建站，可进行LTE FDD/TDD深度的融合组网，能够有效利用FDD/TDD制式间CA等新技术；对于与TD-LTE同厂家的新建站，联合网优网管较同GSM共厂家简单，容易实现。此外，未来可以反向替换现有的功耗较大的老旧GSM设备，实现网络综合效益最大化，基于4G网络主设备绑定的建设方案及GSM反向更新示意图如图6所示。

◆NB-IoT主设备与现有4G网络主设备绑定的劣势

工程实施难度大，需新建天馈，部署周期长，不能有效利用已有GSM网络资源。如果反向更新替换GSM老旧设备，需要新增BSC设备，同时，还要考虑新、旧GSM设备覆盖边缘交汇处的不同厂家设备无线参数的配合问题。

5 结束语

图6 基于4G网络主设备绑定的建设方案及GSM反向更新

随着万物互联时代的到来以及移动通信网络的不断演进发展，NB-IoT网络建设成为中国移动近期工程建设的一个重点内容。根据中国移动网络现状与网络牌照的实际情况，中国移动将采用面向LTE FDD 900 MHz目标网，一步规划、分步建设NB-IoT/LTE FDD/eMTC网络的策略。为了兼顾眼前利益和长远利益，NB-IoT/LTE FDD主设备的选择不仅要考虑当下工程建设的便捷性、工程投资、建设难度等，还要考虑未来网络融合演进可能带来的影响，然后再综合考虑已有2G网络设备投资的最大化保护与面向未来的网络质量保证。从系统演进、融合发展、未来网络架构角度看，NB-IoT主设备选择采用与4G主设备同厂家的方案，对网络性能、用户感知的提升更为有利。此外，结合NB-IoT网络工程建设，着眼未来完成现网能耗较大的GSM老旧设备替换，对于中国移动绿色节能减排工作将会有很大的促进作用。

[1] 3GPP TR 36.802. Narrowband internet of things (NB-IoT);Technical report for BS and UE radio transmission and reception[S]. 2016.

[2] 3GPP TR 45.820. Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput internet of things (CIoT)[S]. 2015.

[3] 真才基,何剑,杨哲. TD-LTE网络规划原理与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013: 1-15.

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[9] 张起贵,梁风梅. 物联网技术与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2015.

[10] 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. ★

NB-IoT Main Equipment Selection Scheme and Analysis of its Advantages and Disadvantages

WANG Zuyang, YANG Chuanxiang
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Shandong Branch, Jinan 250101, China)

NB-IoT is featured by massive connectivity, broad coverage, low power consumption and low cost, attracting the attention of telecommunication operators. The service classi fi cation and technical requirements of network access for IoT, the integrated evolution trend of NB-IoT, as well as the main equipment and antenna feeder solution of NBIoT were analyzed and discussed. The factors of NB-IoT main equipment selection to be considered were addressed.Different NB-IoT main equipment selection schemes and the advantages and the disadvantages were analyzed to provide the reference to the corresponding engineering construction.

NB-IoT main equipment selection network integration GSM LTE FDD

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.21.012

TN929.5

A

1006-1010(2017)21-0058-06

王祖阳,杨传祥. NB-IoT主设备选择方案及其优劣势分析[J]. 移动通信, 2017,41(21): 58-63.

2017-06-24

文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

王祖阳：教授级高级工程师，硕士毕业于解放军武汉通信学院，现任职于中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，主要从事移动通信网络规划设计工作。

杨传祥：高级工程师，学士毕业于南京邮电大学，现任职于中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，主要从事移动通信网络规划设计工作。