NB-IoT技術(shù)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)部署策略研究

廉長(zhǎng)亮 王星妍

中國(guó)信息通信研究院，北京 100191

NB-IoT技術(shù)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)部署策略研究

廉長(zhǎng)亮 王星妍

中國(guó)信息通信研究院，北京 100191

最近幾年物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展迅速。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)是NB-IoT，其是物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的一個(gè)重要分支。從NB-IoT的技術(shù)特性分析了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展形勢(shì)，并從網(wǎng)絡(luò)部署的層面概述了NB-IoT各種頻率部署方式以及運(yùn)用的具體方案，根據(jù)我國(guó)2G、3G、4G實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況，提出了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)如何部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的方案及建議。

物聯(lián)網(wǎng)；窄帶互聯(lián)網(wǎng)；長(zhǎng)期演進(jìn)；重耕；頻率

根據(jù)Gartner和IDC的研究預(yù)測(cè)，全國(guó)物聯(lián)網(wǎng)連接用戶將在2020年超過(guò)100億，其中有10%是蜂窩連接。NB-IoT聚焦點(diǎn)在LPWA物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，是一種可以運(yùn)用在全球范圍的新興技術(shù)。它擁有大容量、速率低、能耗低等特點(diǎn)，迅速成為業(yè)界的熱點(diǎn)。

1 NB-IoT的發(fā)展及特點(diǎn)

1.1 NB-IoT的發(fā)展

1.1.1 NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

NB-IoT技術(shù)在2015年9月正式寫入3GPP協(xié)議。2016年6月，3GPP完成制定NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的工作，這意味著完成了Release 13面向物聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議。此外，2016年年底NB-IoT首個(gè)測(cè)試平臺(tái)通過(guò)與芯片廠商聯(lián)調(diào)，完成了GCF一致測(cè)試認(rèn)證[1]。在CCSA的組織下，我國(guó)于2016年底完成了NB-IoT行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2 運(yùn)營(yíng)商對(duì)NB-IoT的推動(dòng)

運(yùn)營(yíng)商不是促進(jìn)新技術(shù)誕生的唯一因素，但新技術(shù)得到快速發(fā)展，通常是運(yùn)營(yíng)商在背后予以支持。從國(guó)際情況來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)這片未來(lái)的技術(shù)海洋將會(huì)得到巨大開發(fā)。運(yùn)營(yíng)商為了跟上時(shí)代的腳步，加大了NB-IoT的戰(zhàn)略布局：韓國(guó)KT計(jì)劃公司新建NB-IoT網(wǎng)絡(luò)投資了1 500億韓元，并且服務(wù)測(cè)試在2016年底已經(jīng)完成；沃達(dá)豐建立NB-IoT開放實(shí)驗(yàn)室，用來(lái)加速物聯(lián)網(wǎng)的布局，解決網(wǎng)絡(luò)研究中的問題；DoCoMo的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略組成部分就是M2M業(yè)務(wù)，通過(guò)嵌入式模塊和建立平臺(tái)加速M(fèi)2M市場(chǎng)的發(fā)展。

從國(guó)內(nèi)情況看，NB-IoT部署時(shí)間表已經(jīng)確定：中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)于2016年完成了系統(tǒng)驗(yàn)證，2017年將開啟NB-IoT商業(yè)化的進(jìn)程；中國(guó)聯(lián)通在2017年初完成了重點(diǎn)城市中NB-IoT的商業(yè)部署，2018年完成全國(guó)范圍內(nèi)的商業(yè)部署；中國(guó)電信則在2017上半年部署了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)基于800 MHz。

1.2 NB-IoT的特點(diǎn)

NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。

1.2.1 覆蓋

NB-IoT為了提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，采用提高功率譜密度、重復(fù)發(fā)送和上行Inter-siteCoMP等方法。

（1）功率譜密度。由于NB-IoT采用的是窄帶設(shè)計(jì)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。（2）發(fā)送重復(fù)。NB-IoT最高支持128次重復(fù)，實(shí)際中一般取下行8次重復(fù)，上行16次重復(fù)，獲得9～12 dB的增益。（3）上行Inter-siteCoMP。NB-IoT上行引入Inter-siteCoMP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，不僅能實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域的廣域覆蓋，還能滿足郊區(qū)、農(nóng)村區(qū)域的覆蓋。

1.2.2 容量

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的低比特率要求和時(shí)延不敏感性決定了數(shù)據(jù)傳輸和終端激活率很低的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)。據(jù)相關(guān)設(shè)備廠商的評(píng)估，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)比3G有50～100倍的上行容量升級(jí)，可以提供現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)接入量的50～100倍。

1.2.3 功耗

NB-IoT想真正具備低功耗特性，還需要3GPP引入省電模式和eDRX技術(shù)。PSM是3GPP Release 12中新增的功能。在此工作模式下，雖然信令不可達(dá)，但是終端仍舊注冊(cè)在網(wǎng)，所以可以使終端達(dá)到省電的目的。這種模式適用時(shí)延不敏感業(yè)務(wù)；eDRX同樣是3GPP Release 13中新增的功能，是一種長(zhǎng)周期DRX，能進(jìn)一步延長(zhǎng)睡眠周期，最長(zhǎng)周期約3 h。減少信令處理，相對(duì)于PSM，大幅度提升了下行可達(dá)性。NB-IoT在應(yīng)對(duì)典型的低速率、低頻次業(yè)務(wù)模型等情況下，容量電池可使用10年以上。

1.2.4 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。NB-IoT終端采用180 kHz的窄帶帶寬，比4G手機(jī)要求低，基帶模塊更加簡(jiǎn)單；低數(shù)據(jù)速率和協(xié)議棧簡(jiǎn)化可以大大降低對(duì)Flash/RAM大小的要求。

2 NB-IoT頻率部署策略

2.1 NB-IoT頻率部署方式

3GPP定義了NB-IoT的3種部署場(chǎng)景：獨(dú)立部署（Stamd-alone）、保護(hù)帶部署（Guard-band）和帶內(nèi)部署（In-band）。

（1）獨(dú)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。（2）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。（3）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。

2.2 運(yùn)營(yíng)商可用頻率分析

運(yùn)營(yíng)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(guó)家主管部門的許可），或者向國(guó)家申請(qǐng)新的頻段部署，但申請(qǐng)新的頻段部署有較大難度，而且有可能無(wú)法平滑升級(jí)[2]。

2.3 頻率部署建議

2.3.1 部署頻段的建議

由于NB-IoT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。無(wú)論是哪個(gè)頻段，只要運(yùn)營(yíng)商在該頻段的2G、3G或4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(lái)部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，就能實(shí)現(xiàn)廣覆蓋和深度覆蓋的目標(biāo)。

2.3.2 頻率部署方式的建議

（1）保護(hù)帶部署。運(yùn)營(yíng)商對(duì)2G、3G低頻段建立LTE的初期，因?yàn)橘Y源受到限制并且客戶容量需求較高，所以只考慮部署1.4 MHz或3 MHz帶寬的LTE；等到業(yè)務(wù)完成遷移后，再將LTE升級(jí)到5 MHz甚至是10 MHz的帶寬。（2）帶內(nèi)部署。NB-IoT通過(guò)占用一個(gè)RB的帶寬部署于LTE頻段內(nèi)。帶內(nèi)部署方式中，兩個(gè)系統(tǒng)的頻帶虛擬空間很近，保護(hù)帶部署方式會(huì)讓兩個(gè)系統(tǒng)相互影響降低。3GPP定義NB-IoT頻譜和相鄰LTERB的功率譜密度不超過(guò)6 dB，就是為了避免干擾[3]。但因?yàn)镻SD的限制，所以限制了帶內(nèi)場(chǎng)景中NB-IoT的覆蓋。（3）獨(dú)立部署。對(duì)于CDMA 800 M頻段，283號(hào)頻點(diǎn)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(dú)立部署NB-IoT。將NB-IoT部署在CDMA上邊界處的空閑頻率上，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(duì)CDMA等異系統(tǒng)干擾共存問題。

3 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)現(xiàn)在已有的計(jì)劃，3GPP和CCSA將在未來(lái)幾個(gè)月完成關(guān)于NB-IoT的所有標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營(yíng)商將不斷擴(kuò)大對(duì)NB-IoT的試點(diǎn)以及部署的規(guī)模和范圍。本文有針對(duì)性地研究了對(duì)于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在部署前和部署過(guò)程中可能出現(xiàn)的一些問題，闡述了如何運(yùn)用NB-IoT各種頻率的部署方式，并提出了基于現(xiàn)網(wǎng)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案和建議。

[1]侯海風(fēng). NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J].通訊世界，2017（14）：1-2.

[2]彭雄根，李新，陳旭奇. NB-IoT技術(shù)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)部署策略研究[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2017（3）：58-61.

[3]王曉周，藺琳，肖子玉，吳海，趙存. NB-IoT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及發(fā)展趨勢(shì)研究[J]. 現(xiàn)代電信科技，2016，46（6）：5-12.

Research on Network Deployment Strategy of NB-IoT Technology Development

Lian Changliang Wang Xingyan
China Academy of Information and Communication Technology, Beijing 100191

In recent years, the Internet of Things industry has developed rapidly. The focus of the Internet of Things industry is NB-IoT, which is an important branch of the Internet of Things core technology. From the technical characteristics of the NB-IoT, the paper analyzes the development situation of the Internet of Things. From the perspective of the network deployment, the paper summarizes the deployment mode of various frequencies of NB-IoT and the specific programs of use. According to the actual situation in China 2G,3G,4G network, the paper puts forward how to deploy the scheme and suggestions based network scheme and suggestions.

Internet of Things; narrow band internet; long term evolution; heavy tillage; frequency

TN929.5；TP391.44

A

1009-6434（2017）7-0037-02