基于900MHz的NB-IoT网络规划方案

赵品勇，雷鸣，黄小光，汪伟

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 引言

随着物联网技术在行业应用比例的逐年提高，物联网（IoT）成为移动网络运营商确定的典型高增长业务。根据机构对M2M/IoT连接分布评估预测发现，未来低速率（小于100 kbit·s-1）物联网业务的连接需求占比高达60%以上，因此，海量LPWA（Low Power Wide Area，低功率广域）连接需求奠定了蜂窝物联网（CIoT, Cellular Internet of Thing）的发展基础。作为LPWA的一项典型技术制式，NB-IoT已形成统一的国际标准，同时明确需要达到的四个基本目标为：（1）超强覆盖，能够加强室内信号覆盖，与GPRS系统相比，NB-IoT增加20 dB的信号增益；（2）超大连接，一个NB-IoT扇区能够满足10万个用户设备连接需求；（3）超低功耗，终端模块能够满足长达10年以上的电池寿命；（4）超低成本，终端芯片目标约1美元左右，单个接连模块不超过5美元。相比LoRa及SigFox两种典型私有LPWA技术，NB-IoT同时可与现有蜂窝网进行融合演进，且具备低功耗、低成本、低速率、广深覆盖、电信级高可靠性及高安全性等特征，因此NB-IoT具备良好的技术优势，是运营商后续建设发展的重要网络[1]。

目前NB-IoT正处于大范围商用推广阶段，各地区对NB-IoT的规划发展思路有所差异，因此，本文立足于规划视角，从NB-IoT技术特点出发，以某地区的实际部署为案例依托，重点研究分析如何在900 MHz频段下进行NB-IoT网络部署，给出具体的站间距要求、网络发展建议和主要建设方式等。

2 NB-IoT技术概述

2.1 低成本技术

低成本是NB-IoT网络的一项关键指标，低成本主要体现在网络建设及网络技术两个方面，从网络建设看，相比LoRa等，NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。以移动现有900 MHz改造为例，只需要退出一部分现有2G频段，就可以直接进行LTE和NB-IoT的同时部署[2]。从网络技术角度看，NB-IoT标准设计中则考虑了多种降低成本的策略，主要包括：

（1）单RF通路接收：不支持MIMO，只需要单个接收天线、单路RF器件、单个基带器件，降低15%～38%的成本；

（2）减少最大带宽：支持的最大带宽减少为1.4 MHz或者3 MHz，降低13.5%～50%的成本；

（3）半双工操作：去除双工器，降低4%～19%的成本；

（4）减少最大发射功率：减少发射功率或完全移除功率放大器，降低2%～12%的成本；

（5）减少最大TBS尺寸、分配更少的PRB数、降低支持的调制阶数，降低3%～21%的成本。

因此，NB-IoT网络建设具有改造成本低的优势，同时低速率、低功耗、低带宽设计思路同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。

2.2 提高电池寿命技术

相比GPRS，NB-IoT最大的特点是低功耗。除了本身NB-IoT的传输速率比较低以外，NB-IoT引入新的节电技术及省电模式，即：（1）采用eDRX省电技术，通过延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少信号接收单元不必要的启动；（2）提供PSM（Power Saving Mode）省电模式，针对时延不敏感业务，NBIoT终端仍注册在网，但不接受信令，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的[3-5]。以某设备厂家提供的NB-IoT在PSM模式下的终端使用年限评估为例，得出结果如图1所示：

图1 NB-IoT终端PSM模式下工作时间

由图1可以看出：（1）随着路损的增加，终端的使用寿命年限也随之减少，特别在路损大的场景（接近164 dB场景，如小区边缘），终端寿命也是最短的，因此保障NB-IoT网络良好覆盖有利于提升终端的使用寿命；（2）在最大路损为164 dB情况下，减少终端的上报间隔有利于大幅提升终端寿命。因此实际规划中需要综合考虑低速物联网业务上报时间间隔需求，同时在规划进一步提升NB-IoT网络本身的深度覆盖。

2.3 覆盖增强技术

NB-IoT通过采用窄带技术、重传技术、天线分集技术，并在实际组网中选用低频部署方式，最终可以实现其覆盖能力相比现有系统有20 dB的提升，不仅可满足农村广覆盖需求，对于城区室内场景、地下车库等深度覆盖需求场景同样能够满足[6]。

（1）窄带技术：采用窄带技术可以提升IoT终端的发射功率谱密度（PSD, Power Spectral Density），因此，窄带所带来的增益用PSD衡量，PSD增益计算公式如下：

NB-IoT上行支持3.75 kHz和15 kHz两种子载波带宽，对比各系统功率谱密度如表1所示：

表1 不同系统功率谱密度计算结果

因此，相比GPRS系统，当NB-IoT上行采用3.75 kHz时，PSD增益为10×lg(53.33/11.11)=6.8 dB；相比4G系统，当NB-IoT上行采用15 kHz时，PSD增益为10×lg(13.33/1.11)=10.8 dB。

（2）重传技术：通过重复发送，获得时间分集增益，并采用低阶调制方式，提高解调性能，增强覆盖。根据NB-IoT规范，所有NB信道都可以重传，且上行最大128次，下行最大2 048次，通常重传一次，速率降一半，同时覆盖增加3 dB；NB-IoT是上行受限系统，而上行最大重复传输128次，理论增益能达到20 dB，考虑到传输效率问题，重传最大可获得增益为9 dB～12 dB。

（3）天线分集技术：对于1T2R来说，比1T1R会有最大3 dB的增益。

综上所述，NB-IoT通过采用多种覆盖增强技术，相比现有系统，整体可以提升近20 dB的覆盖能力，在实际网络规划中，考虑更佳的覆盖效果，通常也会选择1 GHz以下低频频段进行部署，相比高频，低频具有路径损耗更低、绕射能力更强等优点，更加适合远距离覆盖。

3 组网规划划策略

3.1 频率部署方案

NB-IoT支持Standalone、Guard Band、In Band三种频率部署方案，选用不同方案进行NB部署方式及对比如表2所示。

选用Standalone进行NB-IoT组网建设，物联网单小区容量更大，更容易减少与LTE系统之间的干扰，故实际组网时首选独立部署方案，在具体频点选择时可遵循以下策略：（1）优选已有最低频段，获取最佳覆盖；（2）尽可能规避干扰；（3）考虑所选频段FDD演进需求，因此，移动NB-IoT网络建设中，建议采用900 MHz进行部署，在具体频率选取中，可采用方案如下：

方案1：上行889.2 MHz/下行934.2 MHz，该频点与GSM-R紧邻频，易对铁通产生干扰，铁路周边不可采用此频点，NB-IoT采用单一频点组网时不建议采用此频点；

方案2：上行890.2 MHz/下行935.2 MHz，易被CDMA800的三阶互调信号干扰下行频点，随着GSM设备抗阻塞能力提升，及电信新设备入网，该干扰将逐渐弱化；

方案3：上行908.8 MHz/下行953.8 MHz，900 MHz下行五阶互调落入接收频段，高频段受其影响更大，随着天馈系统老化，互调问题将逐渐凸显。

相比而言，方案2在向FDD演进过程中受限更少，实际组网时需结合FDD部署方案进行综合考虑，以某地区为例，NB-IoT最终确定采用Standalone方式进行异频组网部署，预留中心频点分别为953.4 MHz/953.6 MHz/953.8 MHz。

表2 NB-IoT三种频率部署方案对比

3.2 规划关键参数

规划关键参数是覆盖范围网络规划中的一个关键指标，NB-IoT初期规划阶段需要通过链路预算方式对小区覆盖能力进行评估，结合NB业务特点及覆盖需求、场景和终端性能等因素取定规划参数：

（1）覆盖等级、发射功率与接收灵敏度要求

NB-IoT按MCL=164 dB规划。

下行链路：总功率20 W，SA模式下NRS功率32.2 dBm；终端接收机灵敏度-132 dBm。

上行链路：终端发射功率23 dBm，基站接收机灵敏度-141 dBm。

（2）穿透损耗、终端OTA和外壳损耗

业务类型：尽力满足室内抄表等深度覆盖需求。

穿透损耗：部分终端处于室内或者地下等特殊场景，规划中需考虑穿透多堵墙体的损耗，以穿透3堵墙为例，主城区（高穿损）合计穿透损耗26.5 dB（23.5 dB穿透损耗+3 dB附加损耗）。

终端OTA和外壳损耗：终端OTA取13 dB，外壳损耗取2 dB，合计15 dB。

（3）干扰余量

按50%负荷考虑上、下行干扰余量（不考虑IRC）。

上行干扰余量8.6 dB，下行干扰余量6 dB。

（4）阴影衰落余量

95%覆盖率下、阴影衰落方差为8时的阴影衰落余量为8.3 dB。

3.3 规划站间距要求

NB-IoT为上行PRACH信道首先受限系统，因此NB网络覆盖距离大小需要重点对上行链路进行分析，假设上行设计重传次数8次（重传增益9 dB），编码增益3 dB，其余参数按上一节进行配置，通过计算可以得出结论：（1）采用2T2R时，PRACH最大空间传播允许路损为120.6 dB；（2）2T4R方式时，PRACH最大空间传播允许路损为122.6 dB。在此基础上，选用合理传播模型，便可以计算出NB-IoT单小区覆盖最大距离。

以COST-231 HATA传播模型为例，推导NB-IoT组网需要的覆盖半径，再按三叶草的标准蜂窝结构计算站间距，COST-231Hata模型公式为：

式中：L(dB)为最大允许路损；fc为系统选用频率，NBIoT采用900 MHz进行规划；hbs为基站天线挂高，针对不同场景进行设定；hms为终端所处高度；d为单小区覆盖距离；CM为城市修正因子，密集城区场景取3。

由此可以得出，对应于密集市区、一般市区、郊区、乡镇农村等不同场景下，采用900 MHz部署NBIoT的站间距规划要求如表3所示。

3.4 覆盖策略及发展规划

从前面小节分析可以发现，不同场景需要的NB站点资源也是不一样的，在实际规划中受投资及建设量的限制，不可能一步到位实现全网NB覆盖，因此，在覆盖策略、覆盖方式上考虑如下：

表3 不同场景NB-IoT站间距结论

（1）对城区场景，采用“薄＋深”策略进行覆盖，利用现有的GSM站址资源，充分发挥NB-IoT具有20 dB覆盖增益的优势，同时满足“室内、室外、地上、地下”的深度覆盖需求；在载频配置方面，前期以S111方式进行连续部署；

（2）对诸如郊区农村等广域覆盖场景，可以采用更稀疏的站点策略，充分将20 dB覆盖增益用在覆盖距离上，优先达到与现有GSM相当的覆盖效果；

（3）对特定区域、特定场景、特定业务，可酌情考虑采用“物联小站”方式进行针对性的覆盖。

对于NB-IoT建设发展思路上，需考虑NB-IoT与FDD进行同步部署，可以采用“一步FDD规划、逐步NB-IoT实施”的方式，提前针对全量场景进行资源需求分析、资源评估等，后期结合网络投资、阶段发展目标进行逐步落地实施，图2为NB-IoT覆盖组网模拟图，具体策略如下：（1）NB建设初期，建议在主城区、一般城区、县城城区、乡镇、农村场景分别挑选典型站点进行试点规划建设，验证不同场景下NBIoT的实际覆盖能力、接入能力，为后续NB-IoT连续覆盖规划奠定基础；（2）NB-IoT需要与FDD LTE进行同步规划，在FDD站点资源基础上，按照N:1（N个LTE站点挑选1个）的方式进行分阶段部署；（3）考虑到物联网应用情况，优先实现城区场景的NBIoT连续覆盖，并逐步向农村进行覆盖推广。

图2 NB-IoT覆盖组网模拟图

4 网络建设方式

900 MHz建设NB-IoT基站包括两种方式：（1）在现有2G系统基础上进行升级改造；（2）对无2G站址的情况下，通过新址新建方式进行规划。由于现有2G网络成熟、站址资源丰富，因此，NB建设中需要充分利用现有2G主设备及天面资源，结合设备实际可升级情况、天面可改造条件，制定不同的设备改造方案。

方式一：通过2G设备升级改造建设NB-IoT基站

采用2G升级涉及的主要工程量包括：新建/替换/利旧天馈系统；部分站点需要新建RRU；新增主控板、基带板；新增传输、时钟。优点是投资少、工程实施难度低，缺点是NB系统与GSM共用1套天馈系统，独立优化能力差，同时占用GSM射频单元输出功率43 dBm，对现有2G覆盖有影响。在实际规则中，现有2G设备主要有机柜式和分布式两种类型，具体改造思路如下：

（1）机柜式设备，需要评估现有射频板是否支持2T2R，实际网络中存在部分老旧的1T2R板卡，针对1T2R板卡需要进一步考虑能否进行双拼改造（如华为MRFU及GRFU射频板）；

1）对支持双拼改造的1T2R设备，规划中需要考虑板卡拆除及拼装的建设条件；

2）对不支持双拼改造的1T2R设备，建议采样BBU+RRU结构的分布式站点替换。

（2）分布式设备，需要评估现有RRU是否具备升级NB-IoT能力，对于不满足条件的老旧RRU，建议采用新RRU进行替换升级；对于满足NB开通条件的，需进一步分析开通双模或者三模网络对应的各系统载波需求，评估功率是否满足多系统建设目标。

方式二：新址建设NB-IoT基站

对于新址建设站点，可以考虑GSM+FDD+NBIoT同步部署，一方面有利于改善现有2G覆盖不足问题，同时可以解决NB网络覆盖需求。关于站址选取，需要优先考虑利用现有塔桅资源进行建设，有利于提高建设进度，在工程量方面，需要安装整套系统。

5 结束语

本文从规划角度出发，对NB-IoT技术特点进行分析，针对NB特性，结合频率部署、规划参数设置进行分析，并通过链路预算，得出采用900 MHz部署NBIoT需要达到的站间距要求，针对当前实际情况，给出NB-IoT网络部署发展策略。在网络建设方面，考虑到现有GSM系统情况，重点给出基于2G系统的总体设备改造要求。由于现网2G设备种类繁多，天面情况复杂，因此，基于不同场景的细化改造方案还有待进一步分析。

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