NB-IoT组网以及规划探讨

丘继平

（广东南方通信建设有限公司）

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100kbit·s-1）物联网业务的连接需求占比高达60%以上，因此，海量LPWA（LowPowerWide 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20dB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。

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，重点研究分析如何进行NB-IoT组网和规划，并给出具体的站间距要求、网络发展建议和主要建设方式等。

1 NB-IoT技术特点与规划目标

1.1 技术特点

该技术具有覆盖范围广，耗能较低，高性价比，以及速率低下等特点，其承接的业务能够占据60%的物联网业务，已经成为世界范围内的新技术。NB-IoT技术主要应用License频段，在带宽方面只需要使用200kHz，其部署方式可以应用独立载波，保护带以及带内等方式，能够在通用移动通信系统，全球移动通信系统中直接部署，这样能够减少部署成本。NB-IoT技术的特点主要表现在以下方面：①能够连接海量数据，每个单元能够连接上万个数据信息；②覆盖范围广，在相同的频段之下，该技术的网络效益能够提升20dB以上，至少扩大上百倍的覆盖面积；③功耗较低，该技术所具备的终端模块能够满足长达十年的待机时间；④模块成本较低，该技术的每一个连接模块成本都在30元人民币。

1.1.1 低成本

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900MHz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。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1.4MHz或者3MHz，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；减少最大TBS尺寸、分配更少的PRB数、降3%～15%的成本；

（5）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。

1.1.2 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e-DRX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（PowerSaving Mode）省电模式，针对时延不敏感业务，NB-IoT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。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，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164dB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NBIoT网络本身的深度覆盖。

1.2 NB-IoT规划目标

相比于传统人工式连接网络，NB-IoT主要作用在于物与物之间的连接，能够为实际工作提供必要的数据信息，并且在此基础之上，能够有效提供优质网络，在规划阶段，其能够有效解决出现的各项问题，对现网数据以及长期的运营经验进行深度挖掘，针对性分析新型网络建设并提出相应的解决方案。NB-IoT规划目标主要包括方案建设，体系规划，指标规划等方面。

1.3 NB-IoT规划思路

此次探究NB-IoT规划思路主要的指引工具为规划目标，需要利用业务需求对规划指标进行全面分析，之后，将规划指标作为基础性前提，在此基础之上进行容量规划，覆盖规划，软件功能规划以及参数功能规划等一系列工作，形成一套完整的规划体系。最后，需要通过组网方案和规划体系对工程建设方案进行编制。完成之后需要对比分析各个方案，最后得出最优质的建设方案，全面应用在NB-IoT网络建设当中。

2 NB-IoT组网规划

2.1 NB-IoT网络结构规划

现网规划建设NB-IoT原则上不单独新建站点，以GSM升级、GSM/TD-LTE共站新建为主，具体站址的规划以GSM 900M/GSM 1800M+TDLTE全量站址作为NB-IoT的站点备选库。GSM 900M/GSM 1800M/TDLTE共站址场景，在满足规划目标需求前提下，优选GSM 900M，次选GSM 1800 M，再次选TD-LTE（要求同厂家），最后考虑TD-LTE共站新建（异厂商）。室分系统建设根据物联网业务发展的实际需求部署，原则上不允许在无业务的场景中部署。

在合理的站间距区间内设站，控制NB-IoT站间距偏移距离，既不存在弱覆盖也不带来过多的重叠覆盖，NB-IoT站间距及站址偏离距离要求如表1所示。基站站址在目标覆盖区内尽可能平均分布，尽量符合蜂窝网络结构的要求，一般要求基站站址分布与标准蜂窝结构的偏差应小于站间距的1/4，避免出现超近站和超远站。

表1 NB-IoT站间距及站址偏离距离要求

NB-IoT天线选项不做特殊要求，2T2R天线即可满足业务需求。对部分重要站点，网络结构复杂或者独立优化要求高的站点，在条件允许情况下，部署独立天馈或独立电调天线。为避免高站带来的重叠覆盖，室外宏基站挂高控制在20～40m，大于50m的站点原则上不得入网。NB-IoT天馈方向角原则上以GSM或者TDL站点规划为准，对网络结构影响重大的站点，可部署独立天馈或者独立电调天馈。NB-IoT天馈下倾角原则上以GSM或者TDL站点规划为准，对网络结构影响重大的站点，可部署独立天馈或者独立电调天馈。

2.2 NB-IoT1：N组网规划

NB-IoT在物理层发送方式、网络结构、信令流程等方面做了简化，在覆盖上提出了在GSM基础上增强23dB的覆盖目标，即MCL（MaximumCouplingLoss，最大耦合路损）要达到164dB，主要通过提高功率谱密度、重复发送、低阶调制编制等方式实现。NB-IoT基于GSM站址1：1的方式建设，可提供较GSM增强23dB的深度覆盖能力；基于1：2的方式建设，可提供较GSM增强17dB的深度覆盖能力；基于LTEFDD目标网规划站址1：4的方式建设，可提供较GSM增强11dB的深度覆盖能力。

理论上23dB可以用于增强深度覆盖，可以从原网站点中按照1：N比例调整站点进行NB-IoT的部署，其中N代表原网站点数，1代表NBIoT站点数。1：3组网如图2所示，灰色标识的是NB-IoT与GSM共站建设站点，其余站点为没有NB-IoT站点，灰色虚线框内划定1：3组网架构下NB-IoT与GSM站点形成的一个簇，可以看出1：3组网中NB-IoT站间距为GSM站间距的1.73倍。

图2 NB-IoT与GSM按1：3比例组网

1：4组网如图3所示，灰色虚线框内划定1：4组网架构下NB-IoT与GSM站点形成的一个簇，可以看出1：4组网中NB-IoT站间距为GSM站间距的2倍。

1：N组网的影响因素有三大方面：业务要求、邻频保护带要求（频谱资源）、是否共天馈。从覆盖深度、业务要求和邻频干扰保护带来看，1：1组网在比GSM多10dB覆盖深度情况下可达到99%覆盖率，适用于智能抄表业务；1：4组网在比GSM相等覆盖深度情况下可达到99%覆盖率，适用于智能停车、路灯杆业务。

图3 NB-IoT与GSM按1：4比例组网

3 结束语

综上所述，本文通过对NB-IoT技术特点，规划目标以及规划思路等进行分析研究。NB-IoT在覆盖、功耗、成本和连接数等方面性能占优，其特有的关键技术特性可满足智能家居、智慧连接、智能抄表、市政物联、物流追踪、智能穿戴及广域物联等LPWA类物联网的需求。从建设方案来看，NB-IoT可依托原有2G网络或4G网络进行建设。NB-IoT逻辑上是独立制式的网络，但与LTEFDD共硬件设备，因此蜂窝物联网与LTEFDD本质上是同一张网络，要进行联合规划，所建基站未来只需开启软件功能即可开通LTEFDD网络。本文通过分析各种区域和场景的差异化需求，可为后续NB-IoT的网络规划、模型校正及发展演进提供参考依据，从而实现NB-IoT组网规划的目的。