NB-IoT规划部署策略研究

王磊，宋锴，骆润

（中国移动通信集团陕西有限公司，西安 710077）

1 引言

4G网络在万物互联业务快速发展下连接能力不足，蓝牙、ZigBee等技术只具备短距离通信能力，而窄带物联网NB-IoT网络具备广覆盖、可移动性以及大连接数等特性，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、智能停车、资产跟踪、智慧农业等丰富的应用场景，成为运营商优先重点部署的物联网网络。本文在介绍NB-IoT的技术特点和网络结构，通过链路预算分析覆盖能力的基础上，结合运营商现网情况，研究NBIoT网络的规划思路，并用仿真结果和路测数据对比进行效果验证，对NB-IoT网络部署策略提出建议。

2 NB-IoT网络结构和技术特点

2.1 网络结构

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带蜂窝物联网）支持3 种不同的部署方式： SA（Standalone Operation，独立部署）方式、GB（Guardband Operation，保护带部署）方式、IB（In-band Operation，带内部署）。SA部署不依赖LTE，适合用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200 kHz，刚好为NB-IoT 180 kHz带宽留出空间，且两边留有10 kHz的保护间隔；GB部署利用LTE边缘保护频带中未使用的180 kHz带宽资源块，不占用LTE资源；IB部署占用LTE的1个PRB资源，需保证与LTE PRBs的正交性，实际部署中有限制条件，只能使用某几个PRB。

NB-IoT上下行有效带宽为180 kHz，其中下行采用OFDM，子载波带宽与LTE相同，为15 kHz；上行有两种传输方式：单载波传输（Single-tone）和多载波传输（Multi-tone），其中Single-tone的子载波带宽包括3.75 kHz和15 kHz两种，Multi-tone子载波间隔为15 kHz，支持3、6、12个子载波的传输。

2.2 技术特点

NB-IoT是3GPP设计定义的蜂窝物联网技术，其技术标准已在2016年冻结在R13版本。NB-IoT网络的主要特点有以下几点。

(1）覆盖广且深：比GPRS覆盖增强20 dB+。

(3）低成本：芯片价格很低。

(4）大连接：50 k+用户容量/200 kHz小区。

3 NB-IoT覆盖能力分析

NB-IoT通过使用窄带技术增强功率谱密度减少底噪、重复发送降低解调SINR要求的方式，获得覆盖增强，能够较好的支持广度、深度覆盖要求高、电池续航要求高的业务。

3.1 窄带增益

不同制式功率、带宽、功率谱密度如表1所示。

从表1可以看出不同制式存在功率谱密度的差异，其中NB-IoT(3.75 kHz)比GPRS有7 dB增益：NBIoT(3.75 kHz)-GPRS=17.3-10≈7 dB。

3.2 重传增益

相比传统方式，NB-IoT支持更多次数的重传，理论上，重传次数每翻一倍，速率就会减半，同时带来3 dB的增益。

表1 不同制式参数表

重传增益（Repetition Gain)=10lg重传次数（Repetition Times）

于化疗前1天开始，2组均给予地塞米松(口服，4 mg/次，3次/天)，维生素B12(口服，1 mg/次，1次/天)和叶酸(口服，0.5 mg/次，1次/天)。

NB-IoT最大重传次为上行128次，下行2 048次。考虑到传输效率、边缘场景下的速率以及小区容量，一般设置最大重传次数为16次，即12 dB重传增益。

根据前两节内容可以看出，NB-IoT比GPRS有7 dB(功率谱密度提升)+12 dB(重传增益)+(0-3)dB（多天线增益)≈20 dB的覆盖增强。

3.3 链路预算

NB-IoT系统设计目标是比GPRS覆盖增强20 dB，体现在GPRS MCL=144 dB，而NB-IoT有三个覆盖等级，MCL分别等于144 dB、154 dB和164 dB，后两个等级有不同程度的覆盖增强如表2所示。

表2 NB-IoT三种覆盖等级

NB-IoT业务信道均可满足164 dB的MCL要求，且满足160 bit/s的最低速率要求，控制信道中NPBCHSA模式下可以满足164 dB要求，但已无余量，其他两种方式无法满足要求，NPDCCH/NPRACH可以满足164 dB要求，NRS在SA模式满足164 dB的MCL要求，其他两种模式仅满足154 dB的MCL要求。

4 规划思路

4.1 部署模式选取

NB-IoT三种部署模式中，首先SA不依赖于LTE，考虑FDD演进需求，使用SA可避免频繁调整，最大化利用优质频谱资源；其次，使用SA可规避带内GSM/NB-IoT/FDD三模间，及带外与铁路和运营商间的频率干扰；另外，SA方式可独立对发射功率及相关功率控制进行设置，有利于NB-IoT网络性能优化。同时对于NB-IoT的三种组网模式，只有在SA模式下，各信道均满足164 dB的MCL要求， 因此实际网络规划中建议采用独立部署方式（SA）进行规划。

4.2 NB-IoT与LTE FDD协同规划

NB-IoT与FDD协同规划，可通过NB-IoT与FDD规划效果的不同，对比展示出NB-IoT的覆盖增强能力。

（1）更高的深度覆盖能力：网络规划按穿透3堵墙考虑（考虑抄表等业务需求，穿透损耗27 dB），比FDD规划多穿透1堵墙。

（2）更大的覆盖半径（更少的站址和建设需求）：将NB-IoT与LTE FDD（边缘1 m/4 m）的站间距进行对比，两者站间距之比约为2：1。覆盖同样面积的NB-IoT基站规模与LTE FDD基站规模之比约为1：4，通过链路预算得出理论站间距如表3所示。

表3 NB-IOT 理论计算站间距（1：4）

如果NB-IoT与FDD 1：1建设，覆盖电平将再增强10 dB，可再进一步增强深度覆盖或提升容量。

（1）对抗更大的建筑物穿透损耗：穿透损耗可达37dB，可穿透部分地下室场景，有可能完全利用宏站覆盖实现地下的抄表或停车。

（2）提升容量：MCL等级可提升至154 dB，减少重传，增大小区吞吐量和用户业务。

4.3 分阶段部署

NB-IoT目前规划频段为900 MHz，逻辑上为独立制式网络，但与LTE FDD硬件共享度较高，因此NB-IoT和LTE FDD可联合规划，先进行LTE FDD目标网的规划，NB-IoT基于LTE FDD目标网规划站址进行灵活部署，实现不同的网络覆盖能力。

阶段一的目标为前期室外实现连续覆盖，满足基本业务需求。按NB-IoT最高覆盖等级3（MCL=164 dB）和满足穿透3堵墙连续覆盖的要求推算NB-IoT理论站间距，利用站址规划工具从LTE FDD目标网规划站址中选站（1：N，N约等于4），实现连续覆盖。

阶段二的目标为后期根据深度覆盖、更高容量和速率需求，逐步调整NB-IoT站址数量。全网按照NBIoT与LTE FDD 1：4的方式实现室外连续覆盖后，局部可根据深度覆盖需求的不同，调整NB-IoT与LTE FDD比例至1：2或者1：1。当NB-IoT与LTE FDD 1：1建设时， NB-IoT若按等级3（MCL=164）规划，将在与FDD同样穿透2堵墙的基础上有约20 dB覆盖余量，可以再穿透2～3堵墙；NB-IoT可降覆盖等级到MCL=144或154，减少重传，兼顾覆盖与容量需求。

NB-IoT建网初期，由于业务量低，主要满足广覆盖要求，建议按照思路一规划，后期随着NB-IoT业务量增长，在局部业务需求大的区域可加密站点，满足容量和更高速率要求，直至NB-IoT与FDD基站规模达到 1：1。

4.4 仿真与实测对比

某市NB-IoT初步规划满足室外连续覆盖，采用与LTE TDD站址比例1：2组网，以满足室外道路覆盖的同时兼顾智能电表等深度覆盖业务，通过仿真和方案落地后的实测对比验证在全网规划前的仿真准确度，仿真主要参数如表4所示。

表4 仿真参数

经过对仿真（图1所示）和实测数据（图2所示）对比发现，仿真结果与实测结果基本一致（如表5所示），仿真结果可作为网络部署前的效果预估参考。

图1 规划覆盖仿真结果

图2 开通后实际路测结果

表5 仿真与实测对比

5 NB-IoT设备部署策略

蜂窝物联网基站硬件是支持GSM/NB-IoT/LTE FDD共模的新型设备，蜂窝物联网建设有利于替换和淘汰落后产能，高效解决GSM老旧基站问题；有利于同步储备LTE FDD能力，在未来提高4G网络质量。NB-IoT建设应综合考虑建设成本、实施难度、网络质量等因素，合理选择建设方式。

5.1 建设方式分析

NB-IoT基站建设有三种方式：一是GSM升级，利旧GSM RRU、天线，新增BBU或基带板，开通NB-IoT或LTE FDD软件功能；二是TD-LTE升级，利旧TD-LTE基带板，新增RRU、天线，开通NBIoT或LTE FDD软件功能；三是新建，新建BBU和基带板、RRU、天线等，开通NB-IoT和LTE FDD软件功能。各建设方式如图3所示。

6种部署方式在成本和后期优化方面存在较为明显的差异（如表6所示）。

图3 建设方式示意图

表6 6种部署方式对比

5.2 建设策略建议

GSM升级方案具备节省建设成本、实现快速部署的优势，在GSM现网设备升级比例较高的城市可优先选择GSM同厂商设备。TD-LTE/LTE FDD同厂家组网具备接口统一、无线资源调度效率高、可部署载波聚合以提高客户感知等优势，在GSM现网设备升级比例低、工程实施难度较小、客户感知要求高的城市，建设方案可优先选择TD-LTE同厂商设备。

6 结束语

本文在介绍NB-IoT网络技术特点、覆盖加强原理、链路预算等级等方面基础上，结合运营商的业务发展需求，分析NB-IoT的规划思路和部署策略，提出了网络规划和部署方面的建议，即NB-IoT网络和LTE FDD进行联合规划，在LTE FDD目标网规划站址基础上，按需分步、分场景灵活规划，并根据现网GSM和TDLTE网络现状，确定NB-IoT设备厂商和建设方式，实现从初期满足基础业务需求的室外连续覆盖、到后期满足更高容量更快速率的局部深度覆盖。