黄悦，汤远方

（1.中国移动通信集团广东有限公司广州分公司，广东 广州 510000；2.广州瀚信通信科技股份有限公司，广东 广州 510000）

NB-IoT物联网组网及覆盖能力探讨

黄悦1，汤远方2

（1.中国移动通信集团广东有限公司广州分公司，广东 广州 510000；2.广州瀚信通信科技股份有限公司，广东 广州 510000）

为了对NB-IoT组网及广覆盖能力进行研究，首先对系统组网技术、发射功率频谱密度提升及重复发送等覆盖增强技术手段进行分析，在此基础上结合试验网的场景测试结果，对比网络的覆盖能力及差异，并为下阶段规模布网及覆盖调整提供优化建议。

NB-IoT LPWA RSRP 深度覆盖

1 引言

NB-IoT（Narrow Band-Internet of Things，窄带物联网）是一种3GPP定义的LPWA（Low Power Wide Area Network，低功耗广域网）基于蜂窝网络的标准化物联网解决方案，由于其具有深度覆盖能力、支持海量连接、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，非常适合于传感、计量、监控等物联网应用。本文根据NB-IoT组网技术特点，对比实践应用场景的测试结果，深入分析蜂窝窄带物联网优越的覆盖性能及组网情况。

2 NB-IoT网络特点

NB-IoT系统具备以下四大特点：

一是广覆盖，将提供改进的深度覆盖能力，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络提升20 dB增益；

二是具备支持海量的连接能力，一个扇区可支持5万多个连接；

三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；

四是更低的模块成本，预期的单个接连模块低于5美元。

NB-IoT分为三种部署方式：独立部署（Standalone）、保护带部署（Guard-band）和带内部署（Inband），各部署方式均可与现有网络共存。具体如下：

（1）独立部署方式适用于重耕GSM频段，因为GSM的信道带宽为200 kHz，这刚好为NB-IoT 180 kHz带宽腾出空间，且两边还有10 kHz的频率保护间隔；

（2）保护带部署方式是利用LTE边缘保护频带中未使用的180 kHz带宽的资源块；

（3）带内部署方式是利用LTE载波中的资源块。

独立部署方式较其他两种方式具有配置限制少、覆盖能力大等优点，下行性能更优，在下行覆盖受限场景，独立部署方式的覆盖能力较保护带部署方式要高5 dB。

3 NB-IoT覆盖分析

3.1 覆盖增强技术

针对物联网的部署特点，现有的无线接入技术不足以满足深度覆盖的需求，3GPP在技术规范TS 45.820中针对智能水表、电表等物联网业务部署特点提出LPWA技术需要，满足针对GSM/LTE网络的MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合损耗）（从基站天线端口到终端天线端口的路径损耗）增强20 dB要求。

覆盖方面重新定义了上下行物理信道格式（减少了协议栈处理流程的开销）、调制规范（采用低阶调制），采用了功率谱密度提升、重复发送等覆盖增强技术。

如图1所示，功率谱密度提升使得上下行控制信息及业务信息可在相对LTE更窄的带宽中发送，相同发射功率下的PSD（Power Spectral Density，功率谱密度）增益更大，从而降低接收方的解调要求。

图1 功率谱密度提升对比

通过调整NB-IoT上行功率谱密度较同频段无线网络增强17 dB，考虑GSM终端发射功率最大为33 dBm，NB-IoT发射功率最大是23 dBm，因此实际NB-IoT终端比GSM终端功率谱密度提升7 dB。

为满足蜂窝小区边缘或室内深度覆盖需求，NBIoT还引入了重复发送的编码方式，如图2所示。通过重复发送来提升信道条件恶劣时的传输可靠性，在多个子帧传送一个传输块。据Repetition Gain=10log Repetition Times可知，重传2次将提升约3 dB，NBIoT最大可支持下行2 048次重传、上行128次重传，可结合功耗需求及覆盖场景个性化设置。

图2 NB-IoT重复发送的编码方式

3.2 室外覆盖分析

本次组网测试选取老城区，建筑总体上低矮密集且多城中村，区域内已开通41个室外站点，平均站间距为500 m左右，最近约为270 m，形成小区连续覆盖、比较规则的多层蜂窝结构。周边其他小区考虑不同的网络负载，包括空载、50%负载。

如图3所示，上行干扰余量测试方法：朝向主测小区的3个邻区边缘分别放置4个用户，位于主测小区和邻区交叠区（RSRP为-95～-85 dBm），且RSRP（Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率）比主测小区要强3～5 dB，用于（15 k ST）进行上行UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）灌包业务，观察NB上行干扰水平变化。

图3 上行干扰余量测试

上行干扰余量测试结果表明：测试中有3%～9%上行资源利用率，上行底噪抬升1～4 dB，由于测试用户数较少，占用资源较低，因此上行干扰余量测试值较正常情况低。

室外道路场景测试方法：在连片覆盖的试点区域内，携带NB-IoT测试UE 2部、测试车、GPS接收设备及相应的路测软件，遍历测试区域内各小区，遍历交通干道、次干道、主要支路，记录终端RSRP、下行SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比）、MCL等指标。

NB-IoT与LTE覆盖能力对比如表1所示：

表1 NB-IoT与LTE覆盖能力对比

室外道路测试结果表明：在NB-IoT与LTE网络1:1配置下，实测NB-IoT比LTE的RSRP要高14～15 dBm，与预定的功率差（14 dB）基本匹配。

3.3 覆盖穿透损耗

选取各物联网应用场景的穿透损耗进行测试，如储物室、建筑体、地下室等常见障碍体，根据海量实践测试数据统计显示，楼宇综合损耗与楼宇类型有关（材质、面积、结构等）。除了地下室以外，在主城区场景楼宇综合穿损为18～26 dB，地下1层穿损为36 dB。具体如表2所示：

表2 各类型物业穿透损耗

其中，墙体损耗：1、2、3堵墙穿损为9～27 dB（与楼宇材质有关），但典型物联网需求深度覆盖场景下，最大穿损需求应高于3堵墙的穿损值。具体如表3所示。

在深度覆盖位置，信号穿透超过5堵墙，同时室内结构复杂造成信号严重衰减时，衰减多达56 dB。

3.4 场景覆盖分析

室内场景测试方法：携带NB-IoT终端1部，路测软件1套，遍历测试区域内所有的测试路线或应用布放点。

表3 1、2、3堵墙穿透损耗

采用室外覆盖室内物业点：在一般、密集城区各选择15～20个物业点，物业点尽可能涵盖多样物业类型，包括小型酒店、居民楼、底商、写字楼、学校、地下车库、医院等场景。涵盖距离主服务小区近、中、远点的位置；物业点室外、室内遍历，且在每个物业点选取20个定点测试点，尽量涵盖好、中、差点。

具体测试情况如下：

（1）地下场景

地下停车场测试结果表明：当采用室外覆盖室内时，无论处于小区近、中、远点，地下场景覆盖均较差，未来建设中需要重点考虑其他手段来解决覆盖问题。地下室测试点分布如图4所示。

地下室的覆盖情况如表4所示。

（2）电梯场景

图4 地下室测试点分布

表4 地下室的覆盖情况

电梯外各测试点多为室内半开放空间，考虑电梯穿损（20 dB）后，仅靠宏站覆盖，在小区远点的电梯内会覆盖不佳，是后续的重点建设对象。电梯的覆盖情况具体如表5所示。

（3）水/电表场景

除地下场景外，水/电表测试点基本覆盖良好，但小区远点覆盖不佳，具体到应用的表计玻璃或薄铁皮箱体外和内部RSRP差为1～6 dBm。水/电表的覆盖情况如表6所示。

表5 电梯的覆盖情况

表6 水/电表的覆盖情况

因此，在室内物业点采用室外大站覆盖场景中，楼宇损耗与楼宇类型有关（材质、面积、结构等），街边底商及写字楼穿损在21～30 dB以上，居民楼及酒店穿损为17～20 dB，地下1层穿损为34～37 dB，底层穿损为17～18 dB，室内虽有覆盖，但随着信号变差，性能也会下降。

覆盖与指标的关联具体如表7所示：

表7 覆盖与指标关联表

3.5 系统组网测试情况

通过以上分析可知，当NB-IoT和LTE按照1:1宏站密度建网时，室外道路RSRP CDF 5%为-80 dBm，与同区域GSM900相比有26～27 dB增强；在室内地下室无论近、中、远点，都可能有覆盖盲区；在楼宇场景中，大部分近、中点楼宇的地上覆盖良好，地上业务成功率可达99%，而在远点楼宇地上和地下场景会存在无法覆盖的点。抄表类：近、中点地上基本可覆盖，地下及远点覆盖不佳；电梯：近点地上基本可覆盖，中、远点覆盖不佳；地下1层车库：无论近、中、远点，均覆盖不佳。

虽然NB-IoT覆盖能力较现有网络增强20 dB，但在物联网应用中，室内及地下场景较多，仅依靠室外站点覆盖室内场景，覆盖效果不佳。因此，在后续的网络建设中，需综合参考各覆盖场景的穿透损耗情况，根据覆盖预期值（规划值-OTA及天线损耗-穿透损耗）合理规划室内站点的建设。

4 结束语

本文通过对NB-IoT的网络特点、关键技术的理论分析可知，系统主要通过提升功率谱密度及重复发送等技术提升覆盖增强，可以满足MCL 164 dB的覆盖要求，即比GSM系统目标增强20 dB，并通过组网场景测试数据进行对比分析，验证了各类场景的差异化覆盖需求，为后续蜂窝窄带物联网的网络规划、大规模布网、损耗模型校正及商用发展提供了方案依据，合理地选择建设方式，从而实现快速建网的目的。

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Discussion on Networking and Coverage Capability for NB-IoT

HUANG Yue1, TANG Yuanfang2
(1. China Mobile Group Guangdong Co., Ltd., Guangzhou Branch, Guangzhou 510000, China;2. Guangzhou Hantele Communication Co., Ltd., Guangzhou 510000, China)

In order to investigate the networking and coverage capability for NB-IoT, the coverage enhancement techniques such as system networking, transmission power spectrum density enhancement and repetitive sending were analyzed. Besides, the network coverage capability and difference were compared according to the scenario testing results from the testing network. Finally, the optimization suggestion to the scale network deployment and coverage adjustment was provided.

NB-IoT LPWA RSRP deep coverage

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.003

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0011-05

黄悦,汤远方. NB-IoT物联网组网及覆盖能力探讨[J]. 移动通信, 2017,41(18): 11-15.

2017-09-17

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

黄悦：中级工程师，硕士毕业于华南理工大学电信学院，现任职于中国移动通信集团广东有限公司广州分公司无线优化中心，主要从事物联网NB-IoT相关技术的研究及4G无线网络优化工作。

汤远方：中级工程师，学士毕业于中山大学，现任职于广州瀚信通信科技股份有限公司服务执行部，主要从事4G移动通信无线网络优化工作。