引言

據(jù)Gartner和IDC研究報(bào)告稱，2020年全球物聯(lián)網(wǎng)連接將超過百億，蜂窩連接占比超過10%。為滿足越來越多遠(yuǎn)距離物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接需求，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWA）應(yīng)運(yùn)而生。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）聚焦于LPWA物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。它憑借其覆蓋廣、容量大、速率低、成本低、功耗低等優(yōu)勢(shì)，在眾多LPWA技術(shù)中脫穎而出，成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

NB-IoT的發(fā)展及特點(diǎn)

NB-IoT 的發(fā)展

NB-IoT 的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

2015 年9 月NB-IoT 技術(shù)正式寫入3GPP 協(xié)議，2016 年6 月，3GPP 宣布完成NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化工作的結(jié)束，意味著Release13中面向物聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議已經(jīng)完成。

運(yùn)營(yíng)商對(duì)NB-IoT 的推動(dòng)

新技術(shù)的誕生不一定是運(yùn)營(yíng)商驅(qū)動(dòng)的，但新技術(shù)的快速發(fā)展，通常是運(yùn)營(yíng)商推動(dòng)的。從國(guó)際上看，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)意識(shí)到了物聯(lián)網(wǎng)這片未來的新藍(lán)海，加大了對(duì)NB-IoT的布局：韓國(guó)KT計(jì)劃計(jì)劃投資1 500億韓元新建NB-IoT網(wǎng)絡(luò)；沃達(dá)豐加速布局物聯(lián)網(wǎng)，建立NB-IoT開放實(shí)驗(yàn)室，將研究網(wǎng)絡(luò)解決方案驗(yàn)證、新應(yīng)用創(chuàng)新、設(shè)備集成、業(yè)務(wù)模式研究以及產(chǎn)品合格驗(yàn)證等；DoCoMo將發(fā)展M2M業(yè)務(wù)作為其泛在網(wǎng)戰(zhàn)略重要組成，通過建立平臺(tái)與嵌入模塊推動(dòng)M2M市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展；Sprint通過開放性發(fā)展策略推動(dòng)M2M市場(chǎng)。從國(guó)內(nèi)看，三大運(yùn)營(yíng)商的NB-IoT部署時(shí)間表已初定：中國(guó)移動(dòng)計(jì)劃在2016年進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，2017年開啟NB-IoT 商用化進(jìn)程；中國(guó)聯(lián)通計(jì)劃2016 年底或2017年初推進(jìn)重點(diǎn)城市的商用部署，2018年將在全國(guó)范圍內(nèi)商用部署；中國(guó)電信計(jì)劃于2017上半年部署基于800 MHz的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

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。

覆蓋

NB-IoT提高覆蓋能力主要是通過提高功率譜密度、發(fā)送重復(fù)和上行Inter-site CoMP等方式實(shí)現(xiàn)的。

• 功率譜密度。NB-IoT采用窄帶設(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。
• 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9～12dB的增益。
• 上行Inter-site CoMP。NB-IoT上行引入IntersiteCoMP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，既能滿足郊區(qū)、農(nóng)村區(qū)域的廣覆蓋需求，也可以實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域的深度覆蓋，就算在地下車庫、地下室、地下管道等信號(hào)難以到達(dá)的地方也能覆蓋到。

容量

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的低速率要求和對(duì)時(shí)延不敏感決定了NB-IoT具有小包數(shù)據(jù)發(fā)送和終端極低激活比的特征。而且，NB-IoT通過減小空口信令開銷，大大提升了頻譜效率。據(jù)相關(guān)設(shè)備廠家評(píng)估，NB-IoT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，可以提供現(xiàn)有無線技術(shù)50～100倍的接入數(shù)。

功耗

3GPP在相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)中引入了省電模式（PSM）和eDRX 技術(shù)，NB-IoT 才真正具備了低功耗特性。PSM是3GPP Release12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(zhǎng)時(shí)間駐留在深睡眠以達(dá)到省電的目的，適用于時(shí)延不敏感業(yè)務(wù)；eDRX是3GPP Release13中新增的功能，即長(zhǎng)周期DRX，進(jìn)一步延長(zhǎng)終端在空閑模式下的睡眠周期，最長(zhǎng)周期約3 h，減少接收單元的信令處理，相對(duì)于PSM，大幅度提升了下行可達(dá)性。

NB-IoT目標(biāo)是對(duì)于典型的低速率、低頻次業(yè)務(wù)模型等，容量電池壽命可達(dá)10 年以上。根據(jù)3GPP TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，在耦合耗損164 dB的惡劣環(huán)境，PSM和eDRX均部署，如果終端每天發(fā)送一次200 B報(bào)文，5 Wh時(shí)電池壽命可達(dá)12.8年。

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。和4G智能手機(jī)或其他終端相比，NB-IoT終端采用180 kHz的窄帶帶寬，基帶模塊復(fù)雜度低；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；單天線、半雙工的方式，可以有效簡(jiǎn)化射頻模塊。目前，NB-IoT終端芯片能夠做到低至1美元。

NB-IoT頻率部署方案及建議

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）（見圖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。
• 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。
• 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。

運(yùn)營(yíng)商可用頻率分析

由于目前TD-LTE暫不支持NB-IoT，只能部署在FDD頻段上。已經(jīng)授權(quán)的FDD頻段主要有運(yùn)營(yíng)商A的CDMA 800 MHz和LTE 1.8/2.1 GHz、運(yùn)營(yíng)商B的（E）GSM900MHz和DCS1.8GHz、運(yùn)營(yíng)商C的GSM900MHz、DCS 1.8 GHz、LTE 1.8 GHz、WCDMA 2.1 GHz。具體如表1所示。

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），也可以向國(guó)家申請(qǐng)新的頻段部署，但申請(qǐng)新的頻段部署不僅難度大，而且在工程實(shí)施上有可能無法基于現(xiàn)網(wǎng)平滑升級(jí)。

頻率部署建議

部署頻段的建議

NB-IoT由于其自身的技術(shù)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的廣覆蓋和深度覆蓋。不管是哪個(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)。但是，考慮到如下2個(gè)問題：頻段越低，覆蓋越好，建網(wǎng)成本也就越低；隨著4G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署和VoLTE業(yè)務(wù)的逐步商用，2G、3G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)將逐步向4G網(wǎng)絡(luò)遷移，2G、3G網(wǎng)絡(luò)的頻率將逐步騰退。建議優(yōu)先在低頻段部署NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，如CDMA800 MHz和（E）GSM 900 MHz頻段，對(duì)于低頻段部署存在某些特殊情況的區(qū)域，也可在1.8 GHz頻段部署。

頻率部署方式的建議

保護(hù)帶部署

運(yùn)營(yíng)商對(duì)2G、3G低頻段重耕LTE的初期，由于頻率資源的限制和用戶容量的需求，往往只考慮部署1.4或3 MHz帶寬的LTE，待業(yè)務(wù)完全遷移后，再將LTE升級(jí)到5 MHz 甚至是10 MHz 的帶寬。但是，目前LTE1.4和3 MHz帶寬并不支持保護(hù)帶部署方式，而且NBIoT頻點(diǎn)位于LTE保護(hù)帶內(nèi)，2個(gè)系統(tǒng)的容量都會(huì)受到影響。因此，建議NB-IoT部署初期，不考慮該方案。

帶內(nèi)部署

將NB-IoT部署于LTE頻段內(nèi)，占用一個(gè)RB的帶寬。帶內(nèi)部署方式中，2個(gè)系統(tǒng)的頻帶相鄰，2個(gè)系統(tǒng)間的相互影響程度比保護(hù)帶部署方式更大。為了避免干擾，3GPP定義NB-IoT頻譜和相鄰LTE RB的功率譜密度不應(yīng)該超過6 dB。由于PSD的限制，在帶內(nèi)場(chǎng)景中NB-IoT的覆蓋相對(duì)受限。當(dāng)NB-IoT 與LTE 非全網(wǎng)1∶1 共站部署時(shí)，存在NB-IoT與LTE間的同頻干擾，需合理設(shè)置隔離帶。

獨(dú)立部署

對(duì)于CDMA 800M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。根據(jù)運(yùn)營(yíng)商A目前800 MHz頻率重耕策略，初期最多將7個(gè)CDMA載頻（37、78、119、160、201、242、283號(hào)載頻）的中間段78、119、160和201這4個(gè)CDMA載頻重耕成LTE。因此，在CDMA上邊界處的空閑頻率上部署NB-IoT，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。

對(duì)于（E）GSM 900 MHz 頻段，GSM 載波帶寬為200 kHz，NB-IoT載波帶寬為180 kHz，可以將騰退部分GSM頻點(diǎn)用于NB-IoT部署。該方式可在無LTE系統(tǒng)時(shí)部署，但需要在NB-IoT和GSM系統(tǒng)間預(yù)留100～300 kHz 作為隔離帶。具體選擇部署在（E）GSM 900MHz的哪個(gè)位置，可結(jié)合與GSM-R、CDMA、GSM等系統(tǒng)間的干擾來確定。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署及建議

運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有低頻段網(wǎng)絡(luò)分析

運(yùn)營(yíng)商A：其低頻段800 MHz網(wǎng)絡(luò)承載了現(xiàn)在的2G、3G 業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)具有廣覆蓋和深度覆蓋的比較優(yōu)勢(shì)。工信部無函［2016］193號(hào)文同意運(yùn)營(yíng)商A將800MHz頻段開展LTE組網(wǎng)。

運(yùn)營(yíng)商B：900 MHz頻段是運(yùn)營(yíng)商B的2G頻段之一，帶寬24 MHz（含GSM-R 4 MHz）。目前在該頻段上重耕LTE暫未獲得政府主管部門的批準(zhǔn)，但出于建設(shè)NB-IOT的需要，預(yù)計(jì)2016年底可獲得該頻段的LTEFDD牌照。

運(yùn)營(yíng)商C：900 MHz頻段是運(yùn)營(yíng)商C的2G頻段之一，帶寬只有6 MHz。工信部無函［2016］194號(hào)文同意運(yùn)營(yíng)商C在多個(gè)省市，針對(duì)900 MHz頻段開展LTE技術(shù)試驗(yàn)。但對(duì)于運(yùn)營(yíng)商C而言，其在900 MHz頻段上只有6MHz帶寬資源，組網(wǎng)方式的選擇會(huì)是個(gè)難題。

網(wǎng)絡(luò)部署方案建議

方案1：先LTE 后NB-IoT

基本思路

在低頻段2G、3G 頻率具備騰退條件和重耕LTE獲得許可的情況下，建議在部署低頻段LTE網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，要求網(wǎng)絡(luò)同步具備承載NB-IoT的能力。這樣就能通過低頻段LTE網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí)，支持NB-IoT 業(yè)務(wù)部署。

實(shí)施方案

低頻段重耕LTE網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)近似該頻段2G、3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋水平，基于重耕后的LTE 網(wǎng)絡(luò)部署NBIoT，有2種方式：NB-IoT與LTE站點(diǎn)1∶1建設(shè)，一步到位；充分利用NB-IoT 20 dB的覆蓋增益，選取LTE覆蓋站升級(jí)到NB-IoT，實(shí)現(xiàn)和LTE網(wǎng)絡(luò)近似的覆蓋。后期有容量需求時(shí)，根據(jù)不同場(chǎng)景，選取相應(yīng)LTE站點(diǎn)升級(jí)到NB-IoT。

由于投資主要發(fā)生在重耕LTE 階段，建議采用NB-IoT與LTE站點(diǎn)1∶1建設(shè)方式。

方案2：先NB-IoT 后LTE

基本思路

如果短期內(nèi)無法在低頻段騰退足夠頻率支持部署LTE，可以先在低頻段內(nèi)建設(shè)對(duì)帶寬要求較低的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，要求同步具備升級(jí)到LTE的能力。待頻率條件具備時(shí)，通過平滑升級(jí)，實(shí)現(xiàn)低頻段LTE網(wǎng)絡(luò)部署。

實(shí)施方案

據(jù)調(diào)研，運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的2G 網(wǎng)絡(luò)中，只有極少數(shù)GSM 設(shè)備可支持G/N/F 雙通道，可升級(jí)至NB-IoT 和LTE，部分GSM 設(shè)備支持G/N 單通道，可升級(jí)至NBIoT，其他設(shè)備是不支持直接升級(jí)至NB-IoT或LTE，只能采用替換或新建方式。采用先升級(jí)至NB-IoT，再在重耕LTE階段替換原有設(shè)備方式，投資主要發(fā)生在重耕LTE階段，建議NB-IoT與現(xiàn)有站點(diǎn)1∶1建設(shè)；采用替換或新建方式直接部署NB-IoT時(shí)，投資主要發(fā)生在NB-IoT部署階段，建議充分利用NB-IoT 20 dB的覆蓋增益，選取覆蓋站部署NB-IoT，后期重耕LTE后再對(duì)非NB-IoT站進(jìn)行升級(jí)。

方案3：LTE 和NB-IoT 同時(shí)部署這種方案比較簡(jiǎn)單，在低頻段2G、3G 網(wǎng)絡(luò)重耕LTE的同時(shí)，同步部署NB-IoT。是方案1的一種特殊情況。

按照目前的計(jì)劃，3GPP和CCSA關(guān)于NB-IoT的所有標(biāo)準(zhǔn)將在未來幾個(gè)月全部完成，運(yùn)營(yíng)商對(duì)NB-IoT的試點(diǎn)和部署的規(guī)模和范圍也將不斷擴(kuò)大。對(duì)于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在部署前和部署過程中可能出現(xiàn)的一些問題，本文開展了有針對(duì)性的研究，闡述NB-IoT各種頻率部署方式的具體應(yīng)用方案，并提出了基于現(xiàn)網(wǎng)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案和建議。