NB-IoT技术网络部署方案及建议

    据Gartner和IDC研究报告称，2020年全球物联网连接将超过百亿，蜂窝连接占比超过10%。为满足越来越多远距离物联网设备的连接需求，低功耗广域网络（LPWA）应运而生。窄带物联网（NB-IoT）聚焦于LPWA物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。它凭借其覆盖广、容量大、速率低、成本低、功耗低等优势，在众多LPWA技术中脱颖而出，成为业界关注的焦点。

　　NB-IoT的发展及特点

　　NB-IoT的发展

　　NB-IoT的标准化进程

　　2015年9月NB-IoT技术正式写入3GPP协议，2016年6月，3GPP宣布完成NB-IoT标准的制定工作。NB-IoT标准化工作的结束，意味着Release13中面向物联网的核心协议已经完成。

　　运营商对NB-IoT的推动

　　新技术的诞生不一定是运营商驱动的，但新技术的快速发展，通常是运营商推动的。从国际上看，运营商已经意识到了物联网这片未来的新蓝海，加大了对NB-IoT的布局：韩国KT计划计划投资1 500亿韩元新建NB-IoT网络；沃达丰加速布局物联网，建立NB-IoT开放实验室，将研究网络解决方案验证、新应用创新、设备集成、业务模式研究以及产品合格验证等；DoCoMo将发展M2M业务作为其泛在网战略重要组成，通过建立平台与嵌入模块推动M2M市场规模发展；Sprint通过开放性发展策略推动M2M市场。从国内看，三大运营商的NB-IoT部署时间表已初定：中国移动计划在2016年进行系统验证，2017年开启NB-IoT商用化进程；中国联通计划2016年底或2017年初推进重点城市的商用部署，2018年将在全国范围内商用部署；中国电信计划于2017上半年部署基于800 MHz的NB-IoT网络。

　　NB-IoT的特点

　　NB-IoT的技术特点主要体现在4个方面。

　　覆盖

　　NB-IoT提高覆盖能力主要是通过提高功率谱密度、发送重复和上行Inter-site CoMP等方式实现的。

　　功率谱密度。NB-IoT采用窄带设计方式，下行带宽180 kHz，同样的发射功率，NB-IoT的功率谱密度和GSM相当，比CDMA高8 dB；NB-IoT上行带宽最低3.75 kHz，GSM终端发射功率最大支持2 W，因此，NB-IoT 上行功率谱密度比GSM 高7 dB，比CDMA 高25 dB。

　　发送重复。NB-IoT最高支持128次重复，实际中一般取下行8 次重复，上行16 次重复，获得9～12dB的增益。

　　上行Inter-site CoMP。NB-IoT上行引入IntersiteCoMP技术，可以获得3 dB的增益。因此，NB-IoT在上行链路至少可以提升20 dB，既能满足郊区、农村区域的广覆盖需求，也可以实现城市区域的深度覆盖，就算在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方也能覆盖到。

　　容量

　　物联网业务的低速率要求和对时延不敏感决定了NB-IoT具有小包数据发送和终端极低激活比的特征。而且，NB-IoT通过减小空口信令开销，大大提升了频谱效率。据相关设备厂家评估，NB-IoT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，可以提供现有无线技术50～100倍的接入数。

　　功耗

　　3GPP在相关系列标准中引入了省电模式（PSM）和eDRX技术，NB-IoT才真正具备了低功耗特性。PSM是3GPP Release12中新增的功能，在此模式下，终端仍旧注册在网，但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的，适用于时延不敏感业务；eDRX是3GPP Release13中新增的功能，即长周期DRX，进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，最长周期约3 h，减少接收单元的信令处理，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。

　　NB-IoT目标是对于典型的低速率、低频次业务模型等，容量电池寿命可达10年以上。根据3GPP TR45.820的仿真数据，在耦合耗损164 dB的恶劣环境，PSM和eDRX均部署，如果终端每天发送一次200 B报文，5 Wh时电池寿命可达12.8年。

　　成本

　　终端芯片通常由基带处理模块、射频模块、功放模块、电源管理模块和Flash/RAM等组成。和4G智能手机或其他终端相比，NB-IoT终端采用180 kHz的窄带带宽，基带模块复杂度低；低数据速率和协议栈简化可以大大降低对Flash/RAM大小的要求；单天线、半双工的方式，可以有效简化射频模块。目前，NB-IoT终端芯片能够做到低至1美元。

　　NB-IoT频率部署方案及建议

　　NB-IoT频率部署方式

　　3GPP定义了NB-IoT的3种部署场景：独立部署（Stamd-alone）、保护带部署（Guard-band）和带内部署（In-band）（见图1）。

　　独立部署主要是利用现网的空闲频谱或者新的频谱部署NB-IoT。

　　保护带部署是利用现网的LTE网络频段的带宽，最大化频谱资源利用率。

　　带内部署是利用现网LTE网络频段中的RB以部署NB-IoT。

　　运营商可用频率分析

　　由于目前TD-LTE暂不支持NB-IoT，只能部署在FDD频段上。已经授权的FDD频段主要有运营商A的CDMA 800 MHz和LTE 1.8/2.1 GHz、运营商B的（E）GSM900MHz和DCS1.8GHz、运营商C的GSM900MHz、DCS 1.8 GHz、LTE 1.8 GHz、WCDMA 2.1 GHz。具体如表1所示。

　　运营商部署NB-IoT可以基于现有的4G频段或现有的2G、3G频段（如使用2G、3G频段部署NB-IoT，必须先获得国家主管部门的许可），也可以向国家申请新的频段部署，但申请新的频段部署不仅难度大，而且在工程实施上有可能无法基于现网平滑升级。

　　频率部署建议

　　部署频段的建议

　　NB-IoT由于其自身的技术特性，能够实现良好的广覆盖和深度覆盖。不管是哪个频段，只要运营商在该频段的2G、3G或4G网络实现了较好的覆盖，那么基于该频段和现有的基站资源来部署NB-IoT网络，就能实现广覆盖和深度覆盖的目标。但是，考虑到如下2个问题：频段越低，覆盖越好，建网成本也就越低；随着4G网络的规模部署和VoLTE业务的逐步商用，2G、3G网络的业务将逐步向4G网络迁移，2G、3G网络的频率将逐步腾退。建议优先在低频段部署NB-IoT网络，如CDMA800 MHz和（E）GSM 900 MHz频段，对于低频段部署存在某些特殊情况的区域，也可在1.8 GHz频段部署。

　　频率部署方式的建议

　　保护带部署

　　运营商对2G、3G低频段重耕LTE的初期，由于频率资源的限制和用户容量的需求，往往只考虑部署1.4或3 MHz带宽的LTE，待业务完全迁移后，再将LTE升级到5 MHz甚至是10 MHz的带宽。但是，目前LTE1.4和3 MHz带宽并不支持保护带部署方式，而且NBIoT频点位于LTE保护带内，2个系统的容量都会受到影响。因此，建议NB-IoT部署初期，不考虑该方案。

　　带内部署

　　将NB-IoT部署于LTE频段内，占用一个RB的带宽。带内部署方式中，2个系统的频带相邻，2个系统间的相互影响程度比保护带部署方式更大。为了避免干扰，3GPP定义NB-IoT频谱和相邻LTE RB的功率谱密度不应该超过6 dB。由于PSD的限制，在带内场景中NB-IoT的覆盖相对受限。当NB-IoT与LTE非全网1∶1共站部署时，存在NB-IoT与LTE间的同频干扰，需合理设置隔离带。

　　独立部署

　　对于CDMA 800M频段，283号频点与880 MHz之间有895 kHz带宽的频谱未被利用，可在该频段内独立部署NB-IoT。根据运营商A目前800 MHz频率重耕策略，初期最多将7个CDMA载频（37、78、119、160、201、242、283号载频）的中间段78、119、160和201这4个CDMA载频重耕成LTE。因此，在CDMA上边界处的空闲频率上部署NB-IoT，不仅可以充分利用频率资源，还不存在NB-IoT与LTE的同频干扰，只是需要考虑NB-IoT与CDMA、军队CDMA等异系统干扰共存问题。

　　对于（E）GSM 900 MHz频段，GSM载波带宽为200 kHz，NB-IoT载波带宽为180 kHz，可以将腾退部分GSM频点用于NB-IoT部署。该方式可在无LTE系统时部署，但需要在NB-IoT和GSM系统间预留100～300 kHz作为隔离带。具体选择部署在（E）GSM 900MHz的哪个位置，可结合与GSM-R、CDMA、GSM等系统间的干扰来确定。

　　NB-IoT网络部署及建议

　　运营商现有低频段网络分析

　　运营商A：其低频段800 MHz网络承载了现在的2G、3G业务，网络具有广覆盖和深度覆盖的比较优势。工信部无函［2016］193号文同意运营商A将800MHz频段开展LTE组网。

　　运营商B：900 MHz频段是运营商B的2G频段之一，带宽24 MHz（含GSM-R 4 MHz）。目前在该频段上重耕LTE暂未获得政府主管部门的批准，但出于建设NB-IOT的需要，预计2016年底可获得该频段的LTEFDD牌照。

　　运营商C：900 MHz频段是运营商C的2G频段之一，带宽只有6 MHz。工信部无函［2016］194号文同意运营商C在多个省市，针对900 MHz频段开展LTE技术试验。但对于运营商C而言，其在900 MHz频段上只有6MHz带宽资源，组网方式的选择会是个难题。

　　网络部署方案建议

　　方案1：先LTE后NB-IoT

　　基本思路

　　在低频段2G、3G频率具备腾退条件和重耕LTE获得许可的情况下，建议在部署低频段LTE网络的同时，要求网络同步具备承载NB-IoT的能力。这样就能通过低频段LTE网络平滑升级，支持NB-IoT业务部署。

　　实施方案

　　低频段重耕LTE网络可以实现近似该频段2G、3G网络的覆盖水平，基于重耕后的LTE网络部署NBIoT，有2种方式：NB-IoT与LTE站点1∶1建设，一步到位；充分利用NB-IoT 20 dB的覆盖增益，选取LTE覆盖站升级到NB-IoT，实现和LTE网络近似的覆盖。后期有容量需求时，根据不同场景，选取相应LTE站点升级到NB-IoT。

　　由于投资主要发生在重耕LTE阶段，建议采用NB-IoT与LTE站点1∶1建设方式。

　　方案2：先NB-IoT后LTE

　　基本思路

　　如果短期内无法在低频段腾退足够频率支持部署LTE，可以先在低频段内建设对带宽要求较低的NB-IoT网络，要求同步具备升级到LTE的能力。待频率条件具备时，通过平滑升级，实现低频段LTE网络部署。

　　实施方案

　　据调研，运营商现有的2G网络中，只有极少数GSM设备可支持G/N/F双通道，可升级至NB-IoT和LTE，部分GSM设备支持G/N单通道，可升级至NBIoT，其他设备是不支持直接升级至NB-IoT或LTE，只能采用替换或新建方式。采用先升级至NB-IoT，再在重耕LTE阶段替换原有设备方式，投资主要发生在重耕LTE阶段，建议NB-IoT与现有站点1∶1建设；采用替换或新建方式直接部署NB-IoT时，投资主要发生在NB-IoT部署阶段，建议充分利用NB-IoT 20 dB的覆盖增益，选取覆盖站部署NB-IoT，后期重耕LTE后再对非NB-IoT站进行升级。

　　方案3：LTE和NB-IoT同时部署这种方案比较简单，在低频段2G、3G网络重耕LTE的同时，同步部署NB-IoT。是方案1的一种特殊情况。

　　按照目前的计划，3GPP和CCSA关于NB-IoT的所有标准将在未来几个月全部完成，运营商对NB-IoT的试点和部署的规模和范围也将不断扩大。对于NB-IoT网络在部署前和部署过程中可能出现的一些问题，本文开展了有针对性的研究，阐述NB-IoT各种频率部署方式的具体应用方案，并提出了基于现网的NB-IoT网络部署方案和建议。