NB-IOT的覆盖增强技术探讨*

勾保同，赵建平，田全利，赵远超

（曲阜师范大学，山东 曲阜 273100）

0 引 言

现代科技高速发展，全球迎来了信息高效化、智能化的时代。物联网技术的飞快发展，给人们的生活带来了极大便利，不断促进着社会的发展。物联网技术与人们的生活息息相关。随着人们生活水平的不断提高，人们对物联网的性能要求越来越高。NB-IOT技术最新提出的物联网技术，和LTE网络相比，更加满足人们对现代生活智能化、人性化的要求[1-2]。

物联网通信技术有多种，从传输距离上可以分为两类：一是短距离通信技术，代表有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth和Z-wave；二是广域网通信技术，一般定义为LPWAN（Low-Power Wide-Area Network）。NB-IOT是2015年9月在3GPP的标准组织立项中提出的一种新的窄带蜂窝通信LPWAN技术，是基于LTE原理基础上对其进行改进的一种新的物联网技术。

1 NB-IOT覆盖增强技术概述

NB-IOT的设计目标[3-5]是在GSM基础上覆盖增强20 dB。以144 dB作为GSM的最大耦合路损，则NB-IOT设计的最大耦合损耗（MCL）为164 dB。其中，下行主要依靠增加各自信道的最大重传次数以获得覆盖增强。而它的上行的覆盖增强主要来自于两方面。一是在极限覆盖情况下，NB-IOT可采用单子载波进行传输，大幅提升其功率谱密度（Power Spectral Density）。以Singletone部署方式下3.75 kHz的子载波间隔为例，与GSM 180 kHz带宽相比，其PSD可得到约17 dB的增益（不考虑上行2R）。二是可增加上行信道的最大重传次数以获得覆盖增强。因此，尽管NB-IOT终端上行发射功率（23 dBm）较GSM（33 dBm）低10 dB，但其传输带宽的变窄及最大重传次数的增加，使其上行可工作在16 dB的最大路损下。

NB-IOT的三种工作模式都可以达到该覆盖目标[6]。下行方向上，Standalone的功率可独立配置，Inband和Guardband的功率则受限于LTE的功率。因此，Inband和Guardband方式下需要更多的重复次数，才能达到与Standalone方式同等的覆盖水平。在相同覆盖水平下，Standalone方式的下行速率性能优于Inband和Guardband；上行方向上，三种部署方式基本没有区别。

eMTC的覆盖目标是MCL为155.7 dB，在FDD LTE基础上增强15 dB，比NB-IOT的覆盖目标低8 dB左右。eMTC是LTE的增强功能，与LTE共享发射功率和系统带宽。但是，eMTC的业务信道带宽最大为6个PRB。eMTC功率谱密度与LTE相同，覆盖增强主要通过重复发送[7]和跳频来实现。在3GPP标准中，它的最大重复次数可达2 048次。

2 NB-IOT覆盖增强技术分析

2.1 下行重传带来的覆盖增强

2.1.1 NPBCH解调门限

NPBCH 2T1R仿真得到的解调门限如表1所示。表1是基站2天线发送的仿真结果，存在约3 dB的发送分集增益。如果基站采用1天线发送（1T1R），要达到2天线同等覆盖能力，需要更多重复次数。Standalone方式下，MCL达到144 dB、154 dB和164 dB的重复次数分别为1、2和16。Standalone的MCL在重复次数为1次时，已经达到144 dB的要求。In-band/Guard band的MCL达到144 dB的重复次数为4次；达到154 dB的重复次数为32次；重复次数达到最大64次时，BLER会高于10%。此外，控制信道一般也考虑1%BLER的解调门限要求；PBCH重复周期为640 ms，最多重复64次，MCL未达到164 dB的覆盖目标。

2.1.2 NPDCCH解调门限

NPDCCH信息最大39 bit，基于48 bit仿真的解调门限如表2所示。从仿真结果可以看到，重复32次可满足Standalone方式下MCL=164 dB的覆盖要求。当Guardband和Inband的发射功率比Standalone低8 dB时，重复193、230次，才满足Guardband和Inband方式下MCL=164 dB。

表1 NPBCH解调门限

表2 NPDCCH解调门限

2.1.3 NPDSCH解调门限

重复次数与TBS大小有关。如表3所示，TBS=680时，重复32次才可满足Standalone下的MCL=164 dB的覆盖要求。Inband和Guardband的发射功率比Standalone低8 dB时，重复次数需达到128次，才满足MCL=164 dB的覆盖要求。同等覆盖距离下，Standalone方式的下行速率比其他两种部署方式要高。需要说明的是，下行速率为单子帧瞬时速率，未考虑调度时延、HARQ反馈等开销[8]。

2.2 功率谱密度对覆盖能力的增强

NB-IOT独立部署，下行发射功率可独立配置，如表4所示。当总的发射功率为20 W时，NB-IOT功率谱密度与GSM相同，但比LTE FDD功率谱密度高14 dB左右。在Inband和Guardband工作方式下[9]，可以配置NB-IOT与LTE的功率差，如NBIOT比LTE功率高6 dB，此时NB-IOT下行功率仍比GSM功率低8 dB。eMTC在功率谱密度上并未比NB-IOT低6～14 dB。

表4中，假设NRS功率配置比CRS功率高6 dB，则LTE FDD 10 MHz发射功率为46 dBm，eMTC占用1 080 kHz的总功率为36.8 dBm。

上行功率谱密度的对比关系，如表5所示。NB-IOT上行终端最大发射功率比GSM低10 dB，但由于NB-IOT的最小调度带宽为3.75 kHz或15 kHz，因此NB-IOT上行功率谱密度比GSM高0.8～6.9 dB。eMTC终端最大发射功率为23 dBm，最小调度带宽为1个RB（180 kHz）。它的上行功率谱密度与LTE相同，但比GSM低10 dB，因此eMTC上行功率谱密度比NB-IOT低11～17 dB。

表3 NPDSCH解调门限

表4 GSM、LTE与NB-IOT、eMTC下行功率谱密度比较

表5 GSM、LTE与NB-IOT、eMTC上行功率谱密度比较

需注意的是，除了功率谱密度上有所变化外，覆盖增强还通过重复发送和跳频实现；eMTC在功率谱密度上无增强，主要通过重复、跳频实现覆盖增强。

2.3 上行重传带来的覆盖增强

NB-IOT的三种部署方式（Standalone、Guardband和Inband）在上行可用资源方面相同，因此上行信道的性能接近[10]。

2.3.1 NPRACH重复

NPRACH 重 复 次 数｛1，2，4，8，16，32，64，128｝。重复次数达到32次时，可满足MCL为164 dB的覆盖要求。3GPP标准定义NPRACH重复次数为2的幂次方，重复次数不完全满足标准定义，实际使用时略有差异。

2.3.2 NPUSCH重复

NPUSCH采用QPSK调制[11]，仿真结果如表6所示，发送接收天线为1T2R。RU个数的取值范围为｛1，2，3，4，5，6，8，10｝，表7中部分取值与标准定义不完全匹配。需说明，上行速率为单子帧瞬时速率，未考虑调度时延、HARQ反馈等开销。

2.4 eMTC覆盖增强技术

2.4.1 eMTC下行覆盖增强

由于LTE下行各信道覆盖能力不同，eMTC各信道都可通过重复发送以达到MCL=155.7 dB的覆盖目标。PBCH在传统LTE系统PBCH单次发送的基础上可重复20次，理论上可获得13 dB左右的覆盖增益；MPDCCH定义最多可重复256次，当MCCE聚合等级为8时，重复100～200次覆盖可增强20 dB左右；MPDCCH还定义了16及32聚合等级，其重复次数将进一步降低；MPDSCH定义最多可重复2 048次，当重复147次时，覆盖可增强20 dB左右。

2.4.2 eMTC上行覆盖增强

由于传统LTE各信道的覆盖能力不同，为了满足MCL=155.7dB的覆盖目标，各信道需要提升不同程度的覆盖能力8.5～15 dB，如表7所示。

上行各信道通过重复发送MCL=157.7 dB的覆盖目标，各信道需要重复的次数如表8所示，低于3GPP定义的最大重传次数[12]。

表6 NPUSCH解调门限

表7 eMTC上行信道仿真结果 /dB

表8 eMTC上行信道仿真结果 /dB

3 NB-IOT覆盖范围仿真

为了能够很好地实现广域覆盖和深度覆盖，NB-IOT相对于我国较为传统的物联网技术，能够很好地增强将近20 dB。只有真正通过利用有效调整参数，尽可能增大MCL（耦合损耗），才能够最大限度满足NB-IOT物联网覆盖增强对其提出的各种要求，因此对覆盖范围进行仿真至关重要。选择一个区域，在OPNET中采用多UE（User Equipment） 调 动 策 略 和 MCS（Modulation and Coding Scheme）动态调整方法，测试在NB-IOT物联网运行过程中是否接收到FTP（File Transfer Protocol）。仿真结果如图1和图2所示。

因为NB-IoT的信道带宽比LTE网络窄，所以NB-IOT网络每秒接收到的业务字节速率比LTE网络小。由图1和图2可知，在带宽为20 MHz下，把UE部署在两个较长距离范围内，只有NB-IOT可以与eNodeB进行通信。因此，NB-IOT比LTE覆盖范围广。

图1 UE_MCS_0_0的FTP通信接收量

图2 UE_MCS_9_0的FTP信道接收量

4 结 语

本文对NB-IOT覆盖增强技术进行深入分析与探讨，对NB-IOT和LTE覆盖范围进行仿真，通过图形对比分析可以得出NB-IOT广覆盖的优势。新一代的NB-IOT网络技术是演进和市场竞争的综合产物。由于未来的市场被一致看好，设备厂商在标准制定过程中曾激烈争夺话语权，预期达到的特性指标基本一致，标准也仍在加速制定中。目前，产业链也在积极开展试验测试和试商用，不远的将来，NB-IOT网络技术将可能被广泛应用于不同的垂直行业，并就此开启万物互连的新领域和新时代。

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