中国移动NB-IoT网络部署方案探讨徐涛

中国移动NB-IoT网络部署方案探讨徐涛

徐涛

中睿通信规划设计有限公司510000广东省广州市

摘要：本文以中国移动NB-IoT网络部署为方案为研究对象，先分析NB-IoT基本原理及其部署的技术要点；之后根据中国移动的具体要求，研究了其NB-IoT网络部署方案的具体思路。本次研究结果显示，NB-IoT部署方案主要体现在频率部署、站间距选择等方面，因此对相关单位而言，在NB-IoT网络部署方案确定中，应该严格按照上述标准开展工作，这样才能更好的满足NB-IoT部署方案的技术要求。

关键词：中国移动；NB-IoT；部署方案；物理信道

前言：爱立信2016年调查报告显示，预计在2021年，全球的280亿个连接中将达到157亿个物联网连接，其中使用蜂窝网连接数量约占总数的9.6%，中国移动作为我国知名的移动互联网运营商，在当前工作中必须要深入了解这一趋势，对物联网运行速率进行改进，争取能更好的满足用户需求。与其他技术相比，NB-IoT技术具有覆盖范围广、能耗低等优点，已经成为未来移动互联网技术的首选，因此应该得到相关人员的重视。

1.NB-IoT技术分析

1.1NB-loT的技术原理

随着未来我国移动网络规模越来越大，为了更好的满足未来物联网的应用发展要求，相关学者开始在REL-13中应用NB-IoT技术，并取得成功。从应用情况来看，与传统的LTE网络技术相比，NB-IoT技术的结构更加简化，并且其服务功能范围更加广泛，能够有效提高物联网运行水平；在终端方面，NB-IoT技术仅支持FDD模式，这样不仅降低了双工滤波器的成本，也能有效改善2dB的器件插入消耗情况，因此在应用上更具有优势。

有关NB-IoT网络技术的应用一直是相关学者研究的重点内容，有学者[1-2]在研究评价NB-IoT技术与LTE技术的实践应用价值时，分别采用两种技术对本地区进行覆盖仿真分析，分析结果如图1所示。

通过对图1的相关内容进行观察后可以发现，NB-IoT的仿真结果更加清晰，能够提供的资料更加丰富，因此该学者得出结论：NB-IoT在当前移动网络建设中拥有更广泛的应用价值。

（a）LTE仿真结果（b）NB-IoT仿真结果

图1两种方法的仿真结果

1.2NB-loT的技术特征

与传统的技术相比，NB-loT具有明显的先进性：

（1）具有更广阔的覆盖范围。物联网的覆盖率比普通通信业务提出了更高的覆盖率要求，并且部分终端所处的环境不理想，会影响信息传播效果（例如水表与智能手机，两者之间存在明显的高度差异，水表在盖上盖子后，它接受无线网络的能力还会被进一步削弱）。因此，现有的LTE网络无法满足NB-loT的基本要求。而在这种情况下，通过采用NB-loT技术能够显著增加其覆盖水平，获得更好的信息传播效果。在这个过程中，功率谱密度的计算公式表示为：

增强值=10log[（功率N/宽带N）/（功率L/功率L）]

（2）低能耗。一般认为，NB-loT的待机时长与物联网业务本身所具有的特性存在密切关系。在业务定位上，NB-loT被定位在小包、低频等不敏感的业务上，其中小数据已经成为NB-loT实现超长待机的重要保障。现代研究技术证实[3]，NB-loT终端可以在5Wh的电池容量下使用十年，这是其他技术所不具备的优势。

（3）成本低。NB-loT的业务主要为上行业务，正是因为有这种特殊性，在应用NB-loT时可以采用牺牲下行性能的方法控制终端成本。对于中国移动而言，在应用NB-loT技术中，可以采用半双工模式来控制双工滤波器的成本，并改善其能耗情况，这种方法还有助于扩大NB-loT的覆盖范围，保证其应用效果。

1.3市场应用前景

NB-loT在当前市场中具有广阔的应用前景，主要集中在拓展LPWA市场上，包括公共安全、抄表、交通等。面对不同的市场需求，NB-loT的应用范围也存在一定的差异，但是从整体情况而言，NB-loT在移动网络中，必须要保证网络覆盖质量，保证其适应性，这样才能强化信息传输能力。

2.NB-IoT部署的技术要点

2.1频率部署方案

一般在部署NB-IoT时，其频率部署方案需要充分考虑其分配频段与LTE频段之间的关系，并分别从In-band、Guard-band、Stand-alone三种模式入手进行分析。

其中In-band主要指NB-IoT占用LTE载波的任意一个物理资源块（简称为PRB）但是在实际上依然属于一个独立的系统。在这种模式中，能够灵活的增加NB-IoT载波完成载波扩展，但是会导致LTE系统容量降低，无法保证LTE频率资源的使用效率。同时，LTE系统的参考信号、物理下行控制信道的开销也会影响NB-IoT的容量水平。其具体的部署方案结构如图2所示。

图2基于In-band的NB-IoT频率部署方案结构图

Guard-band是在LTE保护带中部署，因此需要预留与LTE之间的100kHz以上的保护带。在应用这种方案时，可以依靠保护带改善频率的利用效率，但是依然需要充分考虑下行发射功率对LTE系统的干扰，因此在应用这种模式中也需要考虑NB-IoT的覆盖问题，避免直接影响其运行效率。

Stand-alone主要指LTE载波外选择一段大于180kHz以上的空闲频谱独立部署，在应用过程中需要注意的是，考虑到这种模式下的NB-IoT与LTE工作频率相互独立，因素这种部署模式与上述两种部署模式相比，不需要考虑对LTE系统的影响。同时，这种模式还能在一定程度上条发射功率（增幅数值约为13dB）

2.2站间距选择方案

NB-IoT相对于LTE20dB覆盖增强，能实现1：N的组网部署。在当前移动网络技术中，1:N是以现网站为基础的方式部署NB-IoT网络，并且在特定的覆盖要求下，能够从原网站中按照相应的比例完整的部署NB-IoT，其中“N”代表原网站数量，“1”代表NB-IoT站点数。

一般在技术应用过程中，影响1：N组网的因素主要体现在以下几方面：

（1）业务要求需要综合考虑其覆盖深度、覆盖效率、边缘速率等因素，并分别对应穿透损耗、慢衰落损耗、电平要求。NB-IoT出去业务的需求开销，其余的覆盖增益能够保证单站的覆盖效果，进而保证其网络覆盖水平[4]。

（2）邻频保护带需要提供更加服务的可用频谱资源，这样在LTE网路中所部署的NB-IoT将会占用200kHz带宽，其中两端的保护带宽为10kHz，其余均为有效频宽。

（3）NB-IoT采用与现网共天馈的方案，例如可以与800MHz共天馈、共BUU建设等。

3.中国移动NB-IoT部署策略研究

中国移动在NB-IoT部署中，所采用的策略主要包括：

3.1上行子载波带宽

从当前的技术发展来看，NB-IoT的上行子载波带宽可以选择3.75kHz，也可以选择15kHz，两种载波带宽的覆盖范围、运行速率等均存在明显的差异，主要表现在以下几方面：

（1）覆盖范围。3GPP仿真结果显示，子载波带宽分别为15kHz与3.75kHz时均能满足164dB最大耦合损耗的覆盖极限要求，但是相比之下，当两种在载波带宽在正常的覆盖范围下，15kHz的上行速率更加明显。

（2）传输速率。在最大限度的覆盖范围下，两种规格的子载波带宽的传输效率没有明显的差别。但是有研究发现，当MCL小于150dB的情况下，采用Multi-tone模式能够显著增强用户的上行速率，而在这种情况下，只有15kHz才能满足这种模式的应用要求。

（3）未来演进。随着移动互联网技术的进一步发展，5G技术势必会取代4G而成为人们日常生活的首选。在这种大背景下，子载波带宽为15kHz时，能够更好的兼容5GMassiveloT演进的要求。

在综合考虑上述几点特征之后，本文认为在上行子载波带宽选择中，中国移动在部署NB-loT时应该选择15kHz的上行子载波带宽。

3.2操作模式

根据上文的研究结果，现阶段所熟知的NB-loT操作模式主要分为三种，具体的资料见表1。

在比较三种操作模式的特征后，本文认为独立载波操作模式在功率分配、PCI规划等方面更具有灵活性，因此中国移动在选择NB-loT网络部署方案过程中，可以使用Stand-alone的部署模式。

3.3频率使用策略

考虑到NB-loT网络部署只支持半双工的FDD模式，当前中国移动的FDD频率主要包括900MHz频段与1800MHz频段两种。随着现代社会的发展，物联网设备提出了更高的覆盖能力要求，而相比之下，900MHz频段的覆盖能力更强，因此可以成为NB-loT网络部署方案中的首选频段[5]。从另一角度来看，NB-loT的宽带为180kHz/载波，而中国移动的900MHz频段的释放能力也确实能满足NB-loT网络部署的基本要求。

从当前技术应用情况来看，900MHz频段的应用范围较为广泛，已经成为中国移动GSM语音业务的首选承载频段。因此对于中国移动而言，在NB-loT网络部署中需要充分考虑GSM、NB-loT的基本需要，努力构建一个统一完整的900频段使用策略。

本文认为，当前中国移动在900MHz频段共有19MHz×2的宽带资源，其中分别为有890-909MHz（上行频段）与935-954MHz（下行频段）。因此中国移动在技术应用过程中，应该先在边缘处预留15MHz的带宽，通过预留这部分带宽来满足部署FDD的要求；之后，剩下的频率可以用户NB-loT的部署的要求。在这个过程中，可以在NB-loT的频点两侧各空闲一个GSM频点作为保护带，避免NB-loT与GSM之间出现载频的干扰问题而影响运行质量。

3.4站址选择策略

根据未来中国移动的物联网发展要求，在初期的NB-loT网络部署中应该保证区域性的连续覆盖。为了满足这个要求，在900HMz频段，应该保证NB-loT覆盖距离达到GSM900的2-3倍，这样才能切实满足其运行要求。同时还应该注意的是，中国第一栋的GSM站点据城区站间的距离要明显小于GSM的最大覆盖面积，因此在站址选择策略确定中，应该借助这一特点，通过在少部分GSM站点上部署NB-loT，来实现连续无线覆盖的目的。

城区作为物联网应用的核心区域，中国移动在部署NB-loT的站址选择中，应该按照“先城区后农村”的基本策略部署NB-loT，这样才能保证NB-loT网络部署方案能最大程度上的满足社会使用要求。为了节省部署NB-loT网路的成本，中国移动在实践中可以使用现有的GSM站址的50%实现NB-loT连续覆盖，之后根据需要逐级增加其覆盖范围，保证部署效果。

3.5建设方式

中国移动在建设NB-loT网络中，所采用的基站建设分为三种，其具体内容如下：

（1）新建NB-loT基站。这种在建设这种基站时，需要新增天馈系统、RRU、新增传输与时钟等。这种基站模式的优点十分明显，即不会受到现有GSM网络的影响，并且能够独立优化，因此所发挥的网络性能最为明显。但是这种模式也具有一个缺点，那就是存在投资大、天馈线新建难度大等。

（2）建设基于TD-LTE的NB-loT基站。在此基站建设过程中，应该新建或者替换天馈、新增基带板等，但是与新建NB-loT基站相比，这种模式能够与TD-LTE共用主控板与时钟。这种基站建设模式的主要优点就是能利旧TD-LTE硬件，并且不影响GSM网络性能，投资成本水平一般。但是这种基站建设方法的主要缺点，就是存在一定的替换或者新建天馈线的难度，难以保证质量。

（3）建设基于GSM的NB-loT基站。这种基站建设模式能够充分利用已有的天馈线，但是需要增加新的基带板、主控板等，并且不支持NB-loT站点，为了保证这种基站模式的正常运行，就需要更换新的GSM设备。与上述两种基站建设模式相比，这种基站的建设速度快，能在短时间内满足中国移动的要求，短时间内完成NB-loT部署。但是在NB-loT优化过程中，可能会影响GSM的网络性能。

在综合对比三种建设方案后，由于第三种方案可能会影响GSM网络性能，这对于NB-loT网络部署而言是不利的，因此可以从第一种方案与第二种方案中选择一个。

结论：NB-IoT已经成为未来中国移动网络发展的核心组成部分，在5G网络建设中发挥着重要作用。在这种情况中，中国移动进一步明确了NB-IoT网络部署的基本思路，能够显著提高自身的移动网络服务水平，让自己在市场竞争中占据优势，因此具有社会价值与经济价值。总体而言，在NB-IoT网络部署中，需要充分考虑频率部署方案、站间距选择方案等所产生的影响，努力改进NB-IoT网络部署方案的应用思路，使其能更好的服务于移动网络建设。

参考文献：

[1]钱小聪，穆明鑫.NB-IoT的标准化、技术特点和产业发展[J].信息化研究，2016(5):23-26.

[2]郑武.4G网络适应物联网应用的增强设计和实现[J].移动通信，2016，40(23):5-10.

[3]程刚，陈广泉，王源野，等.运营商物联网低功耗技术研究与展望[J].信息通信技术，2016(3):12-17.

[4]吴杰，程伟，梁月.运营商蜂窝物联网NB-IoT及eMTC的部署策略探讨[J].中国新通信，2016(23):64-65.

[5]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，2016，40(13):42-43.