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NB-IoT技术网络部署方案及建议

发布时间:2018-02-02 作者:

  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。

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