NB-IoT技術(shù)網(wǎng)絡(luò)部署方案及建議

　　據(jù)Gartner和IDC研究報告稱，2020年全球物聯(lián)網(wǎng)連接將超過百億，蜂窩連接占比超過10%。為滿足越來越多遠(yuǎn)距離物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接需求，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWA）應(yīng)運而生。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）聚焦于LPWA物聯(lián)網(wǎng)市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。它憑借其覆蓋廣、容量大、速率低、成本低、功耗低等優(yōu)勢，在眾多LPWA技術(shù)中脫穎而出，成為業(yè)界關(guān)注的焦點。

　　NB-IoT的發(fā)展及特點

　　NB-IoT的發(fā)展

　　NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

　　2015年9月NB-IoT技術(shù)正式寫入3GPP協(xié)議，2016年6月，3GPP宣布完成NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化工作的結(jié)束，意味著Release13中面向物聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議已經(jīng)完成。

　　運營商對NB-IoT的推動

　　新技術(shù)的誕生不一定是運營商驅(qū)動的，但新技術(shù)的快速發(fā)展，通常是運營商推動的。從國際上看，運營商已經(jīng)意識到了物聯(lián)網(wǎng)這片未來的新藍(lán)海，加大了對NB-IoT的布局：韓國KT計劃計劃投資1 500億韓元新建NB-IoT網(wǎng)絡(luò)；沃達(dá)豐加速布局物聯(lián)網(wǎng)，建立NB-IoT開放實驗室，將研究網(wǎng)絡(luò)解決方案驗證、新應(yīng)用創(chuàng)新、設(shè)備集成、業(yè)務(wù)模式研究以及產(chǎn)品合格驗證等；DoCoMo將發(fā)展M2M業(yè)務(wù)作為其泛在網(wǎng)戰(zhàn)略重要組成，通過建立平臺與嵌入模塊推動M2M市場規(guī)模發(fā)展；Sprint通過開放性發(fā)展策略推動M2M市場。從國內(nèi)看，三大運營商的NB-IoT部署時間表已初定：中國移動計劃在2016年進(jìn)行系統(tǒng)驗證，2017年開啟NB-IoT商用化進(jìn)程；中國聯(lián)通計劃2016年底或2017年初推進(jìn)重點城市的商用部署，2018年將在全國范圍內(nèi)商用部署；中國電信計劃于2017上半年部署基于800 MHz的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

　　NB-IoT的特點

　　NB-IoT的技術(shù)特點主要體現(xiàn)在4個方面。

　　覆蓋

　　NB-IoT提高覆蓋能力主要是通過提高功率譜密度、發(fā)送重復(fù)和上行Inter-site CoMP等方式實現(xiàn)的。

　　功率譜密度。NB-IoT采用窄帶設(shè)計方式，下行帶寬180 kHz，同樣的發(fā)射功率，NB-IoT的功率譜密度和GSM相當(dāng)，比CDMA高8 dB；NB-IoT上行帶寬最低3.75 kHz，GSM終端發(fā)射功率最大支持2 W，因此，NB-IoT 上行功率譜密度比GSM 高7 dB，比CDMA 高25 dB。

　　發(fā)送重復(fù)。NB-IoT最高支持128次重復(fù)，實際中一般取下行8 次重復(fù)，上行16 次重復(fù)，獲得9～12dB的增益。

　　上行Inter-site CoMP。NB-IoT上行引入IntersiteCoMP技術(shù)，可以獲得3 dB的增益。因此，NB-IoT在上行鏈路至少可以提升20 dB，既能滿足郊區(qū)、農(nóng)村區(qū)域的廣覆蓋需求，也可以實現(xiàn)城市區(qū)域的深度覆蓋，就算在地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達(dá)的地方也能覆蓋到。

　　容量

　　物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的低速率要求和對時延不敏感決定了NB-IoT具有小包數(shù)據(jù)發(fā)送和終端極低激活比的特征。而且，NB-IoT通過減小空口信令開銷，大大提升了頻譜效率。據(jù)相關(guān)設(shè)備廠家評估，NB-IoT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，可以提供現(xiàn)有無線技術(shù)50～100倍的接入數(shù)。

　　功耗

　　3GPP在相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)中引入了省電模式（PSM）和eDRX技術(shù)，NB-IoT才真正具備了低功耗特性。PSM是3GPP Release12中新增的功能，在此模式下，終端仍舊注冊在網(wǎng)，但信令不可達(dá)，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達(dá)到省電的目的，適用于時延不敏感業(yè)務(wù)；eDRX是3GPP Release13中新增的功能，即長周期DRX，進(jìn)一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，最長周期約3 h，減少接收單元的信令處理，相對于PSM，大幅度提升了下行可達(dá)性。

　　NB-IoT目標(biāo)是對于典型的低速率、低頻次業(yè)務(wù)模型等，容量電池壽命可達(dá)10年以上。根據(jù)3GPP TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，在耦合耗損164 dB的惡劣環(huán)境，PSM和eDRX均部署，如果終端每天發(fā)送一次200 B報文，5 Wh時電池壽命可達(dá)12.8年。

　　成本

　　終端芯片通常由基帶處理模塊、射頻模塊、功放模塊、電源管理模塊和Flash/RAM等組成。和4G智能手機(jī)或其他終端相比，NB-IoT終端采用180 kHz的窄帶帶寬，基帶模塊復(fù)雜度低；低數(shù)據(jù)速率和協(xié)議棧簡化可以大大降低對Flash/RAM大小的要求；單天線、半雙工的方式，可以有效簡化射頻模塊。目前，NB-IoT終端芯片能夠做到低至1美元。

　　NB-IoT頻率部署方案及建議

　　NB-IoT頻率部署方式

　　3GPP定義了NB-IoT的3種部署場景：獨立部署（Stamd-alone）、保護(hù)帶部署（Guard-band）和帶內(nèi)部署（In-band）（見圖1）。

　　獨立部署主要是利用現(xiàn)網(wǎng)的空閑頻譜或者新的頻譜部署NB-IoT。

　　保護(hù)帶部署是利用現(xiàn)網(wǎng)的LTE網(wǎng)絡(luò)頻段的帶寬，最大化頻譜資源利用率。

　　帶內(nèi)部署是利用現(xiàn)網(wǎng)LTE網(wǎng)絡(luò)頻段中的RB以部署NB-IoT。

　　運營商可用頻率分析

　　由于目前TD-LTE暫不支持NB-IoT，只能部署在FDD頻段上。已經(jīng)授權(quán)的FDD頻段主要有運營商A的CDMA 800 MHz和LTE 1.8/2.1 GHz、運營商B的（E）GSM900MHz和DCS1.8GHz、運營商C的GSM900MHz、DCS 1.8 GHz、LTE 1.8 GHz、WCDMA 2.1 GHz。具體如表1所示。

　　運營商部署NB-IoT可以基于現(xiàn)有的4G頻段或現(xiàn)有的2G、3G頻段（如使用2G、3G頻段部署NB-IoT，必須先獲得國家主管部門的許可），也可以向國家申請新的頻段部署，但申請新的頻段部署不僅難度大，而且在工程實施上有可能無法基于現(xiàn)網(wǎng)平滑升級。

　　頻率部署建議

　　部署頻段的建議

　　NB-IoT由于其自身的技術(shù)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的廣覆蓋和深度覆蓋。不管是哪個頻段，只要運營商在該頻段的2G、3G或4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了較好的覆蓋，那么基于該頻段和現(xiàn)有的基站資源來部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，就能實現(xiàn)廣覆蓋和深度覆蓋的目標(biāo)。但是，考慮到如下2個問題：頻段越低，覆蓋越好，建網(wǎng)成本也就越低；隨著4G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署和VoLTE業(yè)務(wù)的逐步商用，2G、3G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)將逐步向4G網(wǎng)絡(luò)遷移，2G、3G網(wǎng)絡(luò)的頻率將逐步騰退。建議優(yōu)先在低頻段部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，如CDMA800 MHz和（E）GSM 900 MHz頻段，對于低頻段部署存在某些特殊情況的區(qū)域，也可在1.8 GHz頻段部署。

　　頻率部署方式的建議

　　保護(hù)帶部署

　　運營商對2G、3G低頻段重耕LTE的初期，由于頻率資源的限制和用戶容量的需求，往往只考慮部署1.4或3 MHz帶寬的LTE，待業(yè)務(wù)完全遷移后，再將LTE升級到5 MHz甚至是10 MHz的帶寬。但是，目前LTE1.4和3 MHz帶寬并不支持保護(hù)帶部署方式，而且NBIoT頻點位于LTE保護(hù)帶內(nèi)，2個系統(tǒng)的容量都會受到影響。因此，建議NB-IoT部署初期，不考慮該方案。

　　帶內(nèi)部署

　　將NB-IoT部署于LTE頻段內(nèi)，占用一個RB的帶寬。帶內(nèi)部署方式中，2個系統(tǒng)的頻帶相鄰，2個系統(tǒng)間的相互影響程度比保護(hù)帶部署方式更大。為了避免干擾，3GPP定義NB-IoT頻譜和相鄰LTE RB的功率譜密度不應(yīng)該超過6 dB。由于PSD的限制，在帶內(nèi)場景中NB-IoT的覆蓋相對受限。當(dāng)NB-IoT與LTE非全網(wǎng)1∶1共站部署時，存在NB-IoT與LTE間的同頻干擾，需合理設(shè)置隔離帶。

　　獨立部署

　　對于CDMA 800M頻段，283號頻點與880 MHz之間有895 kHz帶寬的頻譜未被利用，可在該頻段內(nèi)獨立部署NB-IoT。根據(jù)運營商A目前800 MHz頻率重耕策略，初期最多將7個CDMA載頻（37、78、119、160、201、242、283號載頻）的中間段78、119、160和201這4個CDMA載頻重耕成LTE。因此，在CDMA上邊界處的空閑頻率上部署NB-IoT，不僅可以充分利用頻率資源，還不存在NB-IoT與LTE的同頻干擾，只是需要考慮NB-IoT與CDMA、軍隊CDMA等異系統(tǒng)干擾共存問題。

　　對于（E）GSM 900 MHz頻段，GSM載波帶寬為200 kHz，NB-IoT載波帶寬為180 kHz，可以將騰退部分GSM頻點用于NB-IoT部署。該方式可在無LTE系統(tǒng)時部署，但需要在NB-IoT和GSM系統(tǒng)間預(yù)留100～300 kHz作為隔離帶。具體選擇部署在（E）GSM 900MHz的哪個位置，可結(jié)合與GSM-R、CDMA、GSM等系統(tǒng)間的干擾來確定。

　　NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署及建議

　　運營商現(xiàn)有低頻段網(wǎng)絡(luò)分析

　　運營商A：其低頻段800 MHz網(wǎng)絡(luò)承載了現(xiàn)在的2G、3G業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)具有廣覆蓋和深度覆蓋的比較優(yōu)勢。工信部無函［2016］193號文同意運營商A將800MHz頻段開展LTE組網(wǎng)。

　　運營商B：900 MHz頻段是運營商B的2G頻段之一，帶寬24 MHz（含GSM-R 4 MHz）。目前在該頻段上重耕LTE暫未獲得政府主管部門的批準(zhǔn)，但出于建設(shè)NB-IOT的需要，預(yù)計2016年底可獲得該頻段的LTEFDD牌照。

　　運營商C：900 MHz頻段是運營商C的2G頻段之一，帶寬只有6 MHz。工信部無函［2016］194號文同意運營商C在多個省市，針對900 MHz頻段開展LTE技術(shù)試驗。但對于運營商C而言，其在900 MHz頻段上只有6MHz帶寬資源，組網(wǎng)方式的選擇會是個難題。

　　網(wǎng)絡(luò)部署方案建議

　　方案1：先LTE后NB-IoT

　　基本思路

　　在低頻段2G、3G頻率具備騰退條件和重耕LTE獲得許可的情況下，建議在部署低頻段LTE網(wǎng)絡(luò)的同時，要求網(wǎng)絡(luò)同步具備承載NB-IoT的能力。這樣就能通過低頻段LTE網(wǎng)絡(luò)平滑升級，支持NB-IoT業(yè)務(wù)部署。

　　實施方案

　　低頻段重耕LTE網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)近似該頻段2G、3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋水平，基于重耕后的LTE網(wǎng)絡(luò)部署NBIoT，有2種方式：NB-IoT與LTE站點1∶1建設(shè)，一步到位；充分利用NB-IoT 20 dB的覆蓋增益，選取LTE覆蓋站升級到NB-IoT，實現(xiàn)和LTE網(wǎng)絡(luò)近似的覆蓋。后期有容量需求時，根據(jù)不同場景，選取相應(yīng)LTE站點升級到NB-IoT。

　　由于投資主要發(fā)生在重耕LTE階段，建議采用NB-IoT與LTE站點1∶1建設(shè)方式。

　　方案2：先NB-IoT后LTE

　　基本思路

　　如果短期內(nèi)無法在低頻段騰退足夠頻率支持部署LTE，可以先在低頻段內(nèi)建設(shè)對帶寬要求較低的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，要求同步具備升級到LTE的能力。待頻率條件具備時，通過平滑升級，實現(xiàn)低頻段LTE網(wǎng)絡(luò)部署。

　　實施方案

　　據(jù)調(diào)研，運營商現(xiàn)有的2G網(wǎng)絡(luò)中，只有極少數(shù)GSM設(shè)備可支持G/N/F雙通道，可升級至NB-IoT和LTE，部分GSM設(shè)備支持G/N單通道，可升級至NBIoT，其他設(shè)備是不支持直接升級至NB-IoT或LTE，只能采用替換或新建方式。采用先升級至NB-IoT，再在重耕LTE階段替換原有設(shè)備方式，投資主要發(fā)生在重耕LTE階段，建議NB-IoT與現(xiàn)有站點1∶1建設(shè)；采用替換或新建方式直接部署NB-IoT時，投資主要發(fā)生在NB-IoT部署階段，建議充分利用NB-IoT 20 dB的覆蓋增益，選取覆蓋站部署NB-IoT，后期重耕LTE后再對非NB-IoT站進(jìn)行升級。

　　方案3：LTE和NB-IoT同時部署這種方案比較簡單，在低頻段2G、3G網(wǎng)絡(luò)重耕LTE的同時，同步部署NB-IoT。是方案1的一種特殊情況。

　　按照目前的計劃，3GPP和CCSA關(guān)于NB-IoT的所有標(biāo)準(zhǔn)將在未來幾個月全部完成，運營商對NB-IoT的試點和部署的規(guī)模和范圍也將不斷擴(kuò)大。對于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在部署前和部署過程中可能出現(xiàn)的一些問題，本文開展了有針對性的研究，闡述NB-IoT各種頻率部署方式的具體應(yīng)用方案，并提出了基于現(xiàn)網(wǎng)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案和建議。