基于800M频段的NB—IoT网络部署研究

李自富 张变芝

摘 要：NB-IoT技术是移动物联网领域一个新兴技术，具有广覆盖、低成本、低功耗和低速率等特性。本文首先分析了NB-IoT的发展情况、技术特点和应用，然后从网络部署的角度，结合覆盖、建网成本和全球应用频段等，提出了基于800M频段的NB-IoT网络部署方案，并评估了此方案实施后的效果。

关键词：NB-IoT；网络部署；空口特性；应用场景

中图分类号：TP391.44；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0007-03

Research on the Deployment of NB-IoT Network Based on 800M Band

LI Zifu1 ZHANG Bianzhi2

（1. China Telecom Luoyang Branch， Luoyang Henan 471000；2. Henan Vocational College of Agriculture，Luoyang Henan 471000）

Abstract： NB-IoT technology is an emerging technology in the field of mobile Internet of things， with wide coverage， low cost， low power consumption， low rate and other characteristics. This paper first analyzed the development， technical characteristics and application of NB-IoT， and then from the perspective of network deployment， combined with coverage， the cost of network， global application frequency and so on， put forward the deployment of NB-IoT network based 800M band， and evaluated the effects after the implementation of this project.

Keywords： NB-IoT；network deployment；airface character；application scenarios

随着移动物联网的发展，网络需要根据不同场景，满足不同的细分需求。移动物联网由宽、窄带（高、低速）等多种技术组成，NB-IoT技术是移动物联网领域一个新兴的技术，具有支持海量连接、深度覆盖、低功耗和低成本等优势，可以广泛应用于多种垂直行业。

1 NB-IoT技术演进

为实现提升室内覆盖，支持大规模设备连接，减小设备复杂度，减小功耗和时延的目标，3GPP于2014年启动窄带蜂窝物联网研究，并最终形成了基于GSM的技术演进和全新的技术方案研究报告TR45.820。主要提及3项技术，分别为：扩展覆盖GSM技术EC-GSM，由华为、高通主导的NB-CIoT，以及由爱立信、中兴主导的NB-LTE。NB-CIoT相对于现有的LTE网络上改动较大，需要通过网络升级的代价带来NB-CIoT性能上的提高，NB-LTE技術与NB-CIoT定位相似但更倾向于对兼容现有LTE网络，在部署上更简单。因此，在RAN#69次会议上，经过激烈讨论，各方最终达成一致，将NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融和，形成NB-IoT[1]。

2 NB-IoT技术特点

NB-IoT是在LTE基础上发展起来的，主要采用了LTE的相关技术，对自身特点进行了相应修改，具有独特的空口特性和数据传输特性。

2.1 空口特性

2.1.1 空闲态的eDRX（extended DRX）。在eDRX（extended DRX）寻呼周期中，UE长时间处于非寻呼监听状态，只在寻呼时间窗内按DRX（Discontinuous Reception）方式监听寻呼消息，降低终端功耗，延长终端电池续航时间。引入eDRX机制后，DRX周期为2.56s～2.92h。

2.1.2 NB-IoT覆盖扩展。NB-IoT通过PSD（Power Spectrum Density）提升和增加重复发送次数，相比LTE FDD获得更好的覆盖。

2.1.2.1 PSD提升。UE在相同的发射功率下，NB-IoT的发射带宽比LTE FDD的发射带宽窄，在上行方向可获得10.8dB的覆盖增益。

2.1.2.2 重复发送。NB-IoT支持根据信号强度调整数据的重复发送次数，边缘区域通过增加重复发送次数保障数据有效传输[2]。

2.1.3 Multi-tone。NB-IoT支持一次分配3、6或12个15kHz子载波提升UE上行数据吞吐率。传输时延小、时间短、UE睡眠时间更长。

2.1.4 PSM（Power Saving Mode）。终端非业务期间深度休眠，不接收下行数据，适合对下行业务时延无要求的场景。TAU定时器超时唤醒，或终端主动发起数据时唤醒。在PSM模式下，UE类似于关机状态，保持注册的状态，不需要re-attach，也不需要re-establish PDN连接。PSM模式下，周期TAU最大可以设置为12.1d。

2.2 数据传输特性

2.2.1 CP方案（3GPP已明确此方案为必选方案）。CP模式下，UE的用户数据和NAS层信令一起发送至MME（C-SGN），由MME（C-SGN）转发到SGW/PGW。协议要求，NB-IoT终端和网络必须支持CP模式。CP模式EPC侧消息传递流程如图1所示。

2.2.2 UP方案（3GPP已明确此方案为可选方案）。与CP方案相比，UE和基站需要保存用户面连接相关上下文。UP模式下，需要建立S1-U承载，用户数据通过S1-U和S-GW收发，和LTE原理一致。CP模式EPC侧消息传递流程如图2所示。

3 800M NB-IoT网络部署方案

为更好地实现覆盖范围广、室内深度覆盖好、节约建网成本、设备重用且能快速部署，现阶段800M频段优势明显。基于800M的NB-IoT网络部署需要考虑工作模式选择、芯片、模组或终端、NB-IoT基站、NB-IoT核心网和IoT连接管理平台等部分。

3.1 工作模式选择

部署在800M频段的NB-IoT有3种工作模式：①In Band模式，即部署在现有LTE网络频段内；②Guard band模式，即部署在现有网络两端，与LTE有保护间隔；③Stand-alone模式，即与现有LTE网络分开部署。现在从覆盖、容量、干扰等方面分析比较各个模式的优缺点。

3.1.1 覆盖。物联网以上行业务为主，覆盖上行受限。从覆盖维度分析，三种工作模式差异不明显。

3.1.2 容量。LTE带内模式、保护带模式NB-IoT与LTE系统容量相互影响，独立模式无相互影响。

3.1.3 干扰。LTE带内模式、保护带模式NB-IoT与LTE干扰问题复杂，独立部署模式干扰场景相对单一，通过预留保护带规避与CDMA干扰。

3.2 芯片、模组或终端部署

考虑到简化射频硬件、简化协议降低成本、减小基带复杂度，决定采用模组。

3.3 基站部署

NB-IoT基站采用与L800M站点、共设备、共天馈、共射频和共传输等，降低了建站成本，且能快速部署。

3.4 核心网部署

现网EPC网元升级支持NB-IoT，实现EPC合设，物联网专网PGW、HSS合设，800M基站改回单挂形式，所有业务完全由现网承载。

3.5 NB-IoT平台部署

NB-IoT平台主要包括应用安全接入、设备管理、数据采集、设备服务调用、规则引擎和消息推送功能。

4 800M NB-IoT网络实施评估

4.1 单站室外广覆盖能力较强

NB-IoT有效覆盖距离约为C网的2倍，L1800/C/NB信号强度如图3所示。

4.2 干扰测试

4.2.1 上行干扰。当NB-IoT网络覆盖较弱而C网覆盖较好时，NB终端上行发射功率会偏高，从而干扰C网。NB-IoT对283频点干扰幅度如图4所示。

4.2.2 下行干扰。NB开通后对C网下行基本没有干扰，只有NB RSRP大于-50dBm时才会对283右边缘产生微弱干扰。

4.3 时延测试

NB-IoT时延评估（RSRP【-100，-90】）。

①响应时延。寻呼时延约750ms，RRC建立时延约730ms，业务态单向时延约为400ms。

②被叫空闲态时延。从服务器下发命令至服务器收到终端ACK响应，约为3 046.049ms。

③主叫空闲态时延。终端在空闲态发送数据包至收到服务器ACK响应，约为2 035+730（RRC连接建立时延）=2 765ms。

4.4 速率测试

单用户速率测试，按照目前的参数配置（15kHz的single-tone上行调度）上行理论速率15.6kbps，下行理论速率21.2Kbps。在极近点/近点/中点时，上、下行速率相对比较稳定，平均速率接近峰值，在加载时下行速率影响不大，在远点由于RSRP、SINR的恶化，上下行速率降低较为明显。

5 结语

通过对800M NB-IoT网络部署实验，积累了建设经验，利用NB-IoT本身的技术特点，解决了目前物理网面临的技术难题。但其速率只有15K左右，对于带宽型大速率的业务是不适用的，目前不支持切换，高速移动的车载业务也是不适用的，由于时延普遍较长，对时延特别敏感的智能制造业务也是不适用的，且目前的NB-IoT只适用于FDD，不适用于TDD，这是很大的技术瓶颈。

参考文献：

[1]皮和平.關于中国电信物联网的部署策略的探讨[J].移动通信，2017（6）：24-27.

[2]陈博，甘志辉.NB-IoT网络商业价值及组网方案研究[J].移动通信，2016（13）：42-46.