窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）部署策略

　　本文主要講了什么內(nèi)容?基于蜂窩的物聯(lián)網(wǎng)連接由于設(shè)備功耗大、部署成本高等劣勢(shì)，目前在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上承載的物聯(lián)網(wǎng)連接只占到總數(shù)的6%。以NB-IoT為代表的低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)具有低成本、廣覆蓋的特點(diǎn)，在未來低速率物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中扮演著重要角色。文章從標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展、頻率部署方式等方面對(duì)NB-IoT技術(shù)進(jìn)行了分析，給出了中國聯(lián)通窄帶物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和部署方案，為中國聯(lián)通NB-IoT的內(nèi)外場測(cè)試及商用部署提供參考。

　　一 引言

　　據(jù)IDC預(yù)測(cè)，到2020年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接將達(dá)到300億;到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接將達(dá)到700億。然而，根據(jù)Machina Research咨詢報(bào)告顯示，現(xiàn)在大量的物與物連接，是通過藍(lán)牙、Wi-Fi等短距通訊技術(shù)承載的，基于蜂窩通信技術(shù)(2/3/4G)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備由于終端設(shè)備功耗大、部署成本高等劣勢(shì)，目前真正承載在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上物與物的連接只占到連接總數(shù)的6%。針對(duì)這種情況，為了解決廣覆蓋和低成本、低功耗兩難的問題，有必要專為物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)計(jì)新的通信技術(shù)以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)能力，由此，低功率廣域網(wǎng)LPWA應(yīng)運(yùn)而生。

　　作為LPWA典型代表之一的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT是面向低功耗、深度覆蓋的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，已于2016年6月在3GPP完成核心標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)。NB-IoT定位于“低頻、小包、時(shí)延不敏感”的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，并且工作于授權(quán)頻段，具有干擾小、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，未來將承接大量物聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)。

　　本文將在第1節(jié)對(duì)NB-IoT進(jìn)行介紹，包括NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化情況、頻率部署方式、系統(tǒng)需求和NB-IoT的優(yōu)勢(shì);第2節(jié)將介紹中國聯(lián)通NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);第3節(jié)給出中國聯(lián)通NB-IoT的部署方案;最后，對(duì)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)進(jìn)行總結(jié)。

　　二 窄帶物聯(lián)網(wǎng)介紹

　　1、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

　　由于市場對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求急迫，各運(yùn)營商、設(shè)備廠商、芯片廠商紛紛積極推進(jìn)窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

　　從2014年5月起，NB-IoT經(jīng)歷了多次融合和更替。2016年6月16日3GPP RAN全會(huì)第72次會(huì)議上，NB-IoT核心協(xié)議在RAN1、RAN2、RAN3、RAN4四個(gè)工作組均完成凍結(jié)。在R13標(biāo)準(zhǔn)中，NB作為一個(gè)全新標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，其空口技術(shù)相比LTE進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)：180kHz窄帶系統(tǒng)和上行3.75kHz的子載波間隔能有效提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋，從而滿足鏈路預(yù)算至少比GSM高20dB以上的設(shè)計(jì)目標(biāo);UE僅支持半雙工，且增加了PSM和eDRX功能，能有效降低終端功耗，節(jié)約終端成本。如圖1所示。

　　圖1 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

　　3GPP R14新增定位功能、SC-P2M下行廣播功能、非連接態(tài)移動(dòng)性增強(qiáng)功能，可以滿足更多場景需要，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

　　2、頻率部署方式

　　3GPP NB-IoT工作項(xiàng)目總體上確定將定義一種對(duì)于E-UTRAN非后向兼容、有較大變動(dòng)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)無線接入新技術(shù)，增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋、支持大量的低吞吐量設(shè)備、低延遲敏感度、超低成本、低功耗設(shè)備和(優(yōu)化)網(wǎng)路體系架構(gòu)。

　　NB-IoT支持3種頻率部署方式，如圖2所示。

　　圖2 NB-IoT頻率部署方式

　　1)獨(dú)立部署Standalone：利用目前GERAN系統(tǒng)占用的資源，替代目前的一個(gè)或多個(gè)GSM載波。

　　2)保護(hù)帶部署Guard-Band：利用目前LTE載波保護(hù)帶上沒有使用的資源塊。

　　3)帶內(nèi)部署In-Band：利用LTE載波內(nèi)的資源塊。

　　3、NB-IoT系統(tǒng)需求

　　1)下行和上行鏈路終端射頻帶寬都是180kHz。

　　2)下行鏈路是OFDMA方式，對(duì)于3種操作模式都是15kHz的子載波間隔。

　　3)對(duì)于上行鏈路：支持Singletone和Multi-tone傳輸。

　　對(duì)于Single-tone傳輸，網(wǎng)絡(luò)可配置子載波間隔為3.75kHz和15kHz。

　　對(duì)于Multi-tone傳輸采用基于15kHz子載波間隔的SC-FDMA。

　　UE需要指示對(duì)Single-tone和Multi-tone傳輸?shù)闹С帜芰Α?/p>

　　4)NB-IoT終端只需要支持半雙工操作，在R13階段不需要支持TDD，但要求保證對(duì)TDD前向兼容的能力。

　　4、NB-IoT優(yōu)勢(shì)

　　1)大鏈接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50~100倍的接入數(shù)。一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬個(gè)連接。

　　2)深度覆蓋：NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強(qiáng)，比LTE提升20dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對(duì)于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對(duì)深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。

　　3 ) 低功耗： NB - IoT借助PSM(Power Saving Mode，節(jié)電模式)和eDRX可實(shí)現(xiàn)更長待機(jī)。其中PSM技術(shù)是R12中新增的功能，在此模式下，終端仍舊注冊(cè)在網(wǎng)但信令不可達(dá)，從而使終端更長時(shí)間駐留在深睡眠以達(dá)到省電的目的。eDRX是R13中新增的功能，進(jìn)一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動(dòng)，相對(duì)于PSM，大幅度提升了下行可達(dá)性。

　　4)低成本：與LoRa相比，NBIoT無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的?？梢灾苯舆M(jìn)行GSM/UMTS/LTE和NB-IoT的同時(shí)部署。模塊預(yù)期價(jià)格不超過5美元。

　　三 中國聯(lián)通窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　1、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

　　NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基本一致，但針對(duì)NB-IoT優(yōu)化流程，在架構(gòu)上面也有所增強(qiáng)。圖3描述了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)。

　　圖3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

　　圖6 中國聯(lián)通遠(yuǎn)期網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)

　　四 中國聯(lián)通窄帶物聯(lián)網(wǎng)部署方案

　　1、頻率選擇策略

　　1)900&1800MHz覆蓋性能分析

　　(1)鏈路預(yù)算(如表1所示)。在Standalone部署方式下，考慮密集城區(qū)、城區(qū)、農(nóng)村、郊區(qū)典型覆蓋場景下，采用HATA傳播模型，在典型穿透損耗基礎(chǔ)上，對(duì)N900MHz、N1800MHz覆蓋性能進(jìn)行仿真，其對(duì)比結(jié)果如表2。

　　表1 N900&N1800鏈路預(yù)算假定條件

　　表2 N900&N1800鏈路預(yù)算結(jié)果

　　密集城區(qū)場景，滿足99%覆蓋率，900MHz和1800MHz頻段站間距分別為670米和390米;普通城區(qū)場景，滿足99%覆蓋率，900MHz和1 800MHz頻段站間距分別為1 560千米和900米;若降低覆蓋率要求至95%，NB-IoT在900MHz和1 800MHz頻段站間距要求顯著增大。

　　N900比N1800覆蓋性能有一定優(yōu)勢(shì)，其覆蓋徑比為1.6~2被，密集城區(qū)/普通城區(qū)/ 農(nóng)村廣覆蓋區(qū)域覆蓋半徑比分別為1.6~1.7/1.6~1.8/1.8~2.0倍。

　　(2)L900和L1800深度覆蓋性能。

　　佛山城區(qū)升級(jí)部署兩個(gè)L900站點(diǎn)，對(duì)L1800和L900覆蓋性能進(jìn)行對(duì)比，四種室內(nèi)深度覆蓋測(cè)試場景：商辦樓宇(央城大夏為框架結(jié)構(gòu))、新居民住宅(尚輝苑為新式住宅、框架結(jié)構(gòu)、千戶型 )、居民住宅(果房公寓為老式住宅、磚混結(jié)構(gòu))、沿街商鋪(口腔醫(yī)院為鋼結(jié)構(gòu))。測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果如表3，在室內(nèi)深度覆蓋區(qū)域，L900平均RSRP值比L1800普遍高10dB以上，尤其對(duì)于老式住宅室內(nèi)極深的深度覆蓋場景，L900比L1800滲透率極強(qiáng)，高近20dB。

　　表3 L900和L1800深度覆蓋性能對(duì)比

　　(3)L900(3M與5M)與L1800深度覆蓋業(yè)務(wù)性能(如表4)。

　　表4 L900(3M與5M)與L1800深度覆蓋業(yè)務(wù)性能對(duì)比

　　在深度覆蓋場景進(jìn)行業(yè)務(wù)性能對(duì)比測(cè)試，L900比L1800信號(hào)質(zhì)量好10dB左右，L1800在RSRP=-110和-120四個(gè)場景下脫網(wǎng)，L900則性能很好。

　　L1800：RSRP均值為-111dBm，SINR均值為0.2dB，下載平均速率為11699/bps，上傳平均速率為7036/bps。

　　L900 - 5M：RSRP均值為-102dBm，SINR均值為1.4dB，下載平均速率為4 688/bps，上傳平均速率為4267/bps。

　　L900 - 3M：RSRP均值為-103dBm，SINR均值為1.3dB，下載平均速率為2353/bps，上傳平均速率為2108/bps。

　　五 結(jié)束語

　　面對(duì)人-人用戶紅利終結(jié)、流量經(jīng)營“剪刀差”持續(xù)擴(kuò)大的現(xiàn)實(shí)，全球通信業(yè)不約而同地將未來發(fā)展戰(zhàn)略聚焦于充滿無限想象空間的萬物互聯(lián)“新風(fēng)口”，一個(gè)匯聚人與人、物與物、人與物全方位連接的超級(jí)大市場。NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域新興連接技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，具備覆蓋廣、多連接、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)。NB-IoT可直接“疊加”部署于GSM、UMTS或LTE網(wǎng)絡(luò)，相比其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT頗受電信運(yùn)營商青睞

　　中國聯(lián)通也早早瞄準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?jié)摿?，將其作為六大?chuàng)新戰(zhàn)略之一，并在多個(gè)城市啟動(dòng)基于900MHz、1800MHz的NB-IoT外場規(guī)模組網(wǎng)試驗(yàn)，以及6個(gè)以上業(yè)務(wù)應(yīng)用示范。在正式商用方面，中國聯(lián)通計(jì)劃在2017年推進(jìn)重點(diǎn)城市的NB-IoT商用部署，2018年則將開始全面推進(jìn)國家范圍內(nèi)的商用部署。此外，中國聯(lián)通也將繼續(xù)秉承開放的姿態(tài)，與各產(chǎn)業(yè)鏈伙伴積極合作，共同開拓物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)新空間，在創(chuàng)新中發(fā)展，共享萬物互聯(lián)的新時(shí)代。