NB-IoT网络部署方案探讨

2018/07/DTPT
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收稿日期：2018-06-08
NB-IoT 网络部署方案探讨
Discussion on NB-IoT Network Deployment Scheme
关键词：
NB-IoT；业务模型；覆盖规划
doi ：10.12045/j.issn.1007-3043.2018.07.002中图分类号：TN929.5文献标识码：A
文章编号：1007-3043（2018）07-0006-05
摘要：首先介绍了NB-IoT 技术特征及适应的几种典型业务特征模型，基于传统无线网络覆盖规划经验，结合不同业务特征对网络的性能需求，提出了NB-IoT 网络建设规划覆盖目标。

最后对现网站点覆盖区仿真，给出了NB-IoT 在不同站点比例情况下的覆盖情况，为网络规划部署提供参考。

Abstract ：
The NB-IoT technical characteristics and several typical business models are introduced firstly，then based on the traditional wireless network coverage planning experience，combined with different business demands for the performance of the net-work，the coverage target of NB-IoT network construction planning is proposed.Finally，according to the simulation of the site coverage area，the network coverage of NB-IoT is given in different ratio of the number of NB-IoT sites，which provide refer-ence for network planning and deployment.
Keywords ：
NB-IoT；Business model；Coverage planning
0前言
由于传统无线通信网络没有对物联网业务特性进行过专门设计和优化，因此无线传输功耗较大，成本较高，不适用于大连接、低速率、低功耗、低成本的物联网业务应用场景。

窄带物联网（NB-IoT ）是一种3GPP 定义的低功耗广域网（LPWA ）基于蜂窝网络的标准化物联网解决方案，借鉴LTE 技术优势，采用简化的无线网络空口技术及多种节电技术，实现了面向低速率、深度覆盖、低功耗、大连接的物联网应用功能。

本文根据NB-IoT 技术特点及适应的几种典型业务特征模型，基于传统无线网络覆盖规划经验，结合不同业务特征对网络的性能需求，提出了NB-IoT 网络建设规划覆盖目标，从而为网络规划和部署提供新的思路和方法。

最后对现网站点覆盖区仿真，给出了NB-IoT 在不同站点比例情况下的覆盖情况，指导网络商用
部署落地。

1NB-IoT 技术概述
NB-IoT 采用超窄带载波技术，通过对信息重复传
输，并基于LTE 网络协议进行精简设计等方式，以牺牲一定速率、时延、移动性等特性，换取低功耗广域网的承载能力。

其具备如下四大特点。

胡泽妍1，赵
元1，孙成虎2，李
楠3，杨海涛2（1.中国联通网络技术研究院，北京100048；2.北京电信规划设计院有限公司，
北京100044；3.中国威尔克通信实验室，北京100191）Hu Zeyan 1，Zhao Yuan 1，Sun Chenghu 2，Li Nan 3，Yang Haitao 2（1.China Unicom Network Technology Research Institute ，Beijing
100048，China ；2.Beijing Telecom Planning &Designing Institute Co.，Ltd.，Beijing 100044，China ；3.China WLLC Communication Lab.，Beijing 100191，China ）
引用格式：胡泽妍，赵元，孙成虎，等.NB-IoT 网络部署方案探讨［J］.邮电设计技术，2018（7）：6-10.
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一是具有广覆盖、深度覆盖的能力，在同样的频段下，NB-IoT通过增加数据发送的重复次数和提升功率谱密度等技术，比现有GSM网络覆盖增益高20dB，从而实现覆盖面积更广、深度覆盖能力更强。

二是具备“海量”连接的能力，在3GPP TS45.820中规定的业务模型下NB-IoT单扇区能够支持约5万个连接。

三是终端功耗更低，NB-IoT针对物联网业务特点，优化了协议栈，使得信息处理和信令交互过程得到简化，降低了终端耗电，延长了待机时间，模组的理论待机时间可长达10年。

四是模组成本更低，NB-IoT以上行业务为主，下行可放松对性能的要求，实现成本的降低，除此以外，对速率及时延的要求宽泛，降低对编码器复杂度的要求，半双工模式节省滤波器成本，预期单个模组不超过
5美元。

NB-IoT主要用于拓展LPWA市场，GSMA中针对LPWA市场定义了7大类21小类应用场景，不同业务的特征模型相差较大，对于网络覆盖的要求不同，丰富的业务种类使得在网络覆盖指标规划中不能完全照搬传统移动人联网规划方法，本文结合水表、路灯、单车典型业务模型需求给出网络覆盖指标。

2NB-IoT典型业务模型及网络需求
随着NB-IoT的逐步商用，对当前垂直行业业务进行梳理和归纳，总结出应用场景主要聚焦于如下3种典型应用：小包低频主动上报类、远程控制类、移动跟踪。

3种典型业务模型具体分析如下。

2.1上报类业务
上报类业务应用以智能水表、智能燃气、智能停车、智能烟感居多。

这类业务大多对时延要求不敏感，低频度，多为小包数据业务，但在功耗与覆盖方面要求颇高。

以智能水表（室内）和智能停车（室外）为代表的上报类业务，在深度覆盖、低功耗、业务数据成功率3方面则有着更高的要求。

体现为室内覆盖增强20 dB+，室外覆盖增强10dB+，19000mAh电量要求可支撑6~10年寿命，业务成功率要求大于99.9%。

智能水表业务是典型的上报类业务，智能水表业务需求主要是为水务公司解决定期人工抄表的难题。

一块水表通常由NB-IoT模组和流量计组成，水表可记录每天的水耗，按照预设的周期上报给水务平台。

智能水表业务为周期性小包上行业务，下行为控制类参数，涉及参数配置，终端升级等，上行为水量上报及事件告警，涉及的参数类别及发包特点如表1所示。

水表行业的主要特点集中在以下3点：深度覆盖，满足室内深度覆盖；低功耗，19000mAh支撑6~10年寿命；水表抄见率≥98%（行业标准）。

NB-IoT技术相比于GSM覆盖增强20dB+，能有效提高覆盖，从而实现室内深度覆盖。

其特有的PSM 与eDRX功能，结合长周期定时器（减少终端TAU/RAU 唤醒次数）与核心网inactive-timer（该值设置为0，终端从连接态释放后直接进入睡眠状态）可有效降低功耗，使19000mAh的电池工作6~10年成为可能。

由于水表行业的标准规定，水表抄见率≥98%，但有些水务公司对抄见率有着更高的要求（≥99.9%）。

应用层启用重传机制，配置重复次数，从而提高小数据包业务正确率，真正达到水表行业规定。

2.2远程控制类业务
远程控制类业务主要以智能路灯、白色家电（智能空调、洗衣机）为首。

终端使用eDRX或者idle态DRX 方式，对功耗有一定的要求，但智能路灯、白色家电可配备不间断电源，可以满足远程控制对功耗要求。

智能路灯这种下行控制类、大连接并发的业务，虽然在功耗方面无特定要求，但其单灯时延需控制在5s以下。

智能停车业务主要为城市解决路边停车难、收费难的问题。

车检器通常由NB-IoT模组和地磁传感器组成，车检器检测车辆状态发生变化时，将新的车位状态上报给车务平台。

该类业务属于触发型小包高频上行业务，真正实现停车智能化，利公利民。

停车业务需求主要集中在以下3点：深度覆盖，覆盖增强10dB+；低功耗，19000mAh支撑5年寿命；业务成功率≥99.9%。

智能停车业务属于触发型小包高频上行业务，下行为控制类参数，涉及参数配置、终端升级等，上行为状态上报及心跳包消息，涉及的参数类别及发包特点如表2所示。

考虑车检器部署时，埋在地下，同时车辆停放后，遮挡车检器，预估增强需要至少10dB，根据智能水表
表1
智能水务业务模型
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业务需求分析，NB-IoT 提供相比GSM 20dB+增益，完全不会阻碍智能停车业务的发展。

PSM 与C-DRX （降低终端连接态功耗），结合长周期定时器（减少终端TAU/RAU 唤醒次数）与核心网inactive-timer （该值设置为0，终端进入睡眠态，降低空闲态功耗）从多角度有效降低功耗，使19000mAh 的电池足以支撑5年寿命。

由于智能停车在时延、体感方面有更高的要求，业务成功率要求≥99.9%，利用NB-IoT 特有重传机制，配置重复次数，可大大提高业务成功率。

另一种典型应用是智能路灯控制业务。

采用NB-
IoT 技术，每盏路灯上都会安装一个可联网的路灯单灯控制器，不仅能对单灯进行远程开关控制，还能实现连续调光功能，在照明非高峰期时段调低灯光亮度，有效降低道路照明能耗。

同时，通过采集路灯运行数据信息再进行智能分析，可实现远程故障定位，有效提高维护人员排查效率，大大节省了维护成本，实现高效、可靠、节能的城市照明管理目标。

智能路灯主要是上行小包高频次业务，下行为控制类参数，涉及参数配置，终端升级等，具有大连接并发的特点。

涉及的参数类别及发包特点如表3所示。

2.3移动跟踪类业务
伴随共享单车、物流跟踪、宠物跟踪的移动跟踪类业务的日渐增多，NB-IoT 业务不仅仅停留在静态的公共业务表类应用，而是朝着更加多样化的方向发展。

OFO 共享单车作为典型的移动跟踪类业务，在功耗、时延、定位方面都有着其独特的个性化的需求，例如为提升用户体验，结算时延应不超过3s 。

目前，智能锁基本都是由控制、通信、感知、执行、供电等几大类模块组成。

共享单车业务包含如表4所示的几种业务数据包，主要是高频次上行业务数据小包。

3网络覆盖指标规划方案
3.1NB-IoT 链路损耗经验估算
由于理论覆盖能力是在完全没有干扰情况下的结果，考虑系统外干扰或本系统内的负荷抬升等因素会造成干扰抬升，在实际规划中需要预留一定的余量。

根据3GPP 规定的MCL 计算方法及现网部署经验，GSM 理论MCL=144dB ，而在网络部署应用中GSM 实际规划边缘电平强度-95~-90dBm 。

若GSM 发射功率为43dBm ，GSM 实际规划MCL=GSM 发射功率-GSM 实际规划边缘电平强度=133~138dBm 。

由此，GSM 实际规划MCL 与理论值相差6~11dB 的余量。

FDD 理论MCL=142dB ，FDD VoLTE 实际规划边缘电平强度为-115dBm 。

假设FDD 导频功率为18.2dB ，FDD VoLTE 实际规划MCL=导频发射功率-实际规划边缘电平强度=133dBm 。

FDD 实际规划MCL 与理论值相差9dB 的余量。

参考GSM 以及FDD 的规划余量建议，在没有系统外干扰情况下，NB-IoT 至少要预留7dB 的余量，NB-IoT 理论MCL 为-164dB ，因此，NB-IoT 实际规划中建议MCL 为157dB ，这是满足业务应用的最低要求。

如果存在系统外干扰，相应的规划标准应提高，当然，FDD LTE 网络以追求高速率为目标而NB-IoT 无此要求，因此预期NB-IoT 上行干扰的抬升会小于FDD LTE ，则NB-IoT 的余量要求目前尚可满足。

3.2典型业务特征
NB-IoT 通过提升功率谱密度，增加重传次数来提升覆盖能力，能够达到比其他系统覆盖增强，适用于环境严苛、穿透损耗大的应用场景，实现深度覆盖，满足不同种类的业务应用需求。

本文第2章详细分析了典型的3类业务特征，结合MCL 规划方法，给出了更多种典型业务应用的网络覆盖指标。

表5示出的是NB-IoT 典型业务模型。

表3
智能路灯业务模型
表4
共享单车业务模型
表2
智能停车业务模型
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3.3无线网覆盖指标
综合上述业务模型需求，将业务分为广覆盖和深覆盖2种场景。

其中广覆盖适用于对覆盖要求不高的业务，如智慧城市等；深覆盖适用于对覆盖要求较高的业务，相对广覆盖需要考虑额外增加穿透损耗10dB ，业务如智能抄表等。

拟定NB-IoT 基站发射功率为2×10W ，以导频功率为32.3dBm 为例，表6中给出不同场景下的覆盖要求、不同覆盖深度对应覆盖率和损耗要求。

a ）表6中数据为Standalone 工作模式下、载波间隔15kHz 的标准。

b ）DT 路测目标值应酌情考虑实际应用场景的穿透损耗进行计算。

c ）可根据上下行底噪抬升情况、用户感知、场景
的重要程度，适当提高覆盖指标，如上行干扰底噪抬升X dB ，则需额外考虑X dB 的覆盖余量。

3.4覆盖仿真分析
NB-IoT 相对GSM 覆盖增强20dB ，是实现1∶N 组
网的基础。

所谓1∶N 组网，是以现网站点为基础部署
NB-IoT 网络，在满足一定覆盖要求下，可以从原网站点中按照1∶N 的比例调整站点进行NB-IoT 部署，其中
N 代表GSM 网络站点数，1代表NB-IoT 的站点数。

选择现网中某区域G900场景进行仿真规划，该区
域地形相对平坦，包括居民住宅小区及绿地等。

其中G900站点数为172个，小区数为416个，平均站间距为773m （见图1）。

NB-IoT 采用Standalone 工作模式部署NB-IoT 系统，对不同组网方案进行仿真分析，组网结
构中NB-IoT 站点与900MHz 站点数分别采用不同的比例选取方式，仿真结果如表7所示。

在不考虑现网干扰、底噪抬升等环境前提下，拟定
NB-IoT RS 发射功率是32.2dBm ，G900的BCCH 发射功率是43dBm 。

NB-IoT 接收机灵敏度比GPRS 提高约20dB ，因此，NB-IoT 可显著提高无线信号覆盖质量
表5
NB-IoT
典型业务模型
表6
不同业务覆盖指标
图1G900站点分布图
Chegong Temple
Shenzhen
Luohu
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（可提高13~23dB）。

由表7仿真结果可以分析出：N900∶G900在1∶1组网比1∶4组网情况下，95%覆盖值指标降低10dB。

而在1∶4组网下的95%覆盖指标与G900相差20dB，此差异可考虑通过NB-IoT覆盖增强增益进行补充。

因此，本仿真结果对基于现网环境部署一张广覆盖NB-IoT网络有一定参考和借鉴意义。

4结束语
物联网市场潜力巨大，是运营商的必争之地，现阶段NB-IoT业务需求主要集中在公共事业（水、电、气抄表）和市政设施（井盖、路灯杆、消防设施等）。

本文首先介绍了NB-IoT广覆盖、大连接、低功耗、低成本的技术特征，然后分析了典型的业务特征模型，基于传统无线网络覆盖规划方法，结合不同业务特征对网络的性能需求，提出了NB-IoT网络建设规划覆盖目标，最后对现网G900的站点覆盖区仿真，给出了NB-IoT在不同站点比例情况下的覆盖情况，指导网络商用部署落地。

随着后续业务种类的丰富及成熟应用，网络规划及网络优化需要更精细化的评估，以匹配更多垂直应用领域，发挥物联网网络的性能优势，提升行业用户感受。

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