蜂窝物联网规划体系与部署策略研究

2017-12-01邓安达程日涛王韬孟繁丽马向辰孙璇马颖王乐张海涛

移动通信 2017年18期

关键词：站址频点蜂窝

邓安达，程日涛，王韬，孟繁丽，马向辰，孙璇，马颖，王乐，张海涛

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

蜂窝物联网规划体系与部署策略研究

邓安达，程日涛，王韬，孟繁丽，马向辰，孙璇，马颖，王乐，张海涛

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

为科学规划蜂窝物联网，首先综合技术特点、业务态势、投资效益、LTE FDD步伐等因素提出规划原则；然后重点分析研究频率规划、分场景规划指标、站址规划等关键环节，构建完善的蜂窝物联网规划体系；最后提出了蜂窝物联网部署策略相关建议。

蜂窝物联网 NB-IoT 同频组网频率规划站址规划

1 引言

在“万物互联”的概念推动下，以NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）和eMTC为代表的蜂窝物联网技术快速发展。NB-IoT和eMTC均是在LTE技术基础上，针对物联网广覆盖、大容量、低能耗、低成本需求进行了协议简化、调整和增强。NB-IoT目前技术发展和产业支持程度更好，它可以与LTE独立部署，适用于低速率、低移动性、时延不敏感的物联网业务；eMTC目前产业支持度落后于NB-IoT 1季度或半年，它是LTE网络的一项附加功能，对移动性支持更好，适用于中低速率业务。

为扩大连接数量，开辟抢占新兴市场，电信运营商迫切希望进入蜂窝物联网领域，通过科学规划实现快速、低成本建站。本文综合提出了蜂窝物联网规划原则，并对规划体系相关的频率、指标、站址等要素进行针对性分析研究，提出了规划体系和部署策略的相关建议。

2 蜂窝物联网规划原则

综合考虑蜂窝物联网业务的发展态势、建网投资效益以及运营商的LTE FDD建设步伐，建议蜂窝物联网规划原则如下：

（1）NB-IoT与eMTC面向的是不同蜂窝物联网业务，无法相互替代，根据产业成熟度和LTE FDD牌照情况确定NB-IoT与eMTC的部署顺序。

（2）现阶段在监管部门许可的情况下，先行规划建设NB-IoT，待eMTC获得LTE FDD牌照后与LTE FDD同步开通。

（3）蜂窝物联网与LTE FDD协同规划、分步实施，基站设备应支持NB-IoT、LTE FDD、eMTC共硬件，只需通过软件开通不同的功能。

（4）规划建设初期，NB-IoT主要考虑利用宏站实现室外基本连续覆盖和适当深度覆盖。

图1 蜂窝物联网规划体系架构图

3 蜂窝物联网规划体系

蜂窝物联网规划体系架构图如图1所示。

蜂窝物联网规划体系与移动蜂窝网规划体系类似，主要环节应包括：需求分析、预规划、站址规划、网络仿真、无线资源参数规划、工程建设方案、投资。具体如下：

（1）需求分析环节的主要任务是确定业务需求，包括业务速率要求及其分布、覆盖区域等，以便为预规划提供输入。

（2）预规划环节的主要任务是明确网络规划指标和单站配置原则，作为站址筛选和网络仿真的依据。明确频率规划是确定规划指标的前提，而网络规划指标作为后续建网的主要依据，应经过严格论证并在一段时间内保持稳定。

（3）站址规划和网络仿真环节的主要任务是利用一定的工具手段，筛选出站点布局合理、网络整体仿真性能达标的基站站址。为完成这一任务，这两个环节可能需要多次工作和调整。

（4）无线资源参数规划环节相对独立，它根据技术标准原理，进行小区基本参数规划等工作。

（5）工程建设方案和投资环节将以网络仿真达标输出的基站为基础，结合设备、天馈等工程实施条件以及统筹考虑投资限制因素，明确本期工程的建设规模、建设方案和投资。

由于蜂窝物联网采用的网络技术、面向的应用特点以及网络发展建设的阶段均不同于移动蜂窝网，因此在规划体系的需求分析、预规划、站址规划等环节的思路、方法和参数上均与移动蜂窝网存在较大差别。

本文将主要针对这些环节展开说明，呈现出技术分析比较及工具创新过程，以便更好地理解相关的蜂窝物联网规划结论和部署策略。

3.1 业务需求分析

物联网业务比移动蜂窝网个人业务具备更大的多样性和差异性。业务需求分析的第一步应该是筛选出适合NB-IoT或eMTC承载的物联网业务，可以主要围绕终端单次数据量、业务速率、时延及质量要求、终端业务频次和并发特性这几方面对不同业务进行分类与归纳，为网络覆盖规划提供以下输入：

（1）最低/最高承载速率。

（2）覆盖率要求。

业务分析还应为网络容量规划输入容量密度等数据。但由于蜂窝物联网业务刚处于起步阶段，主要业务的分布、构成及业务量尚难预测。为减少投资风险，网络初期规划暂不考虑不同业务的差异化速率需求，待后续业务发展后再通过局部区域加密基站实现。

3.2 频率规划

频率规划主要包括频段选择、工作模式选择、频点规划和同/异频组网这几方面内容。具体如下：

（1）频段选择

频段选择应综合考虑频段传播特性、可用频带宽度等因素。

频段越低，空间传播特性就越好，穿透建筑物能力也越强。以900 MHz频段与1 800 MHz频段做对比，同等覆盖半径条件下，信号强度900 MHz频段比1 800 MHz频段高10 dB。蜂窝物联网要想发挥低成本、广覆盖的优势，首选低频段如800 MHz或900 MHz。

频段选择还与可用频宽相关，NB-IoT单载波带宽200 kHz。目前国家允许各运营商在现有频段范围内开展NB-IoT网络建设，NB-IoT的频段选择需要考虑其他系统制式（如CDMA800或GSM900）能否清频出多个200 kHz供NB-IoT使用。

综上所述，不同运营商选择了不同的NB-IoT频段，中国移动主要考虑在900 MHz上部署，中国电信在800 MHz上部署，中国联通则将1 800 MHz作为第一优先级、900 MHz作为第二优先级。

（2）工作模式选择与频点规划

NB-IoT有以下3种工作模式：

◆独立（Stand-alone）模式：独立部署在LTE带外，功率独立配置，不依赖LTE网络；

◆带内（In-band）模式：部署在LTE带内，功率在LTE上增强，占用LTE资源；

◆保护带内（Guard-band）模式：部署在LTE保护带内，功率在LTE上增强，不占用LTE资源。

图2 NB-IoT频点规划示意图

由于独立模式下行发射功率高，下行覆盖性能、速率、时延、功耗等性能最好，在频率资源具备的情况下是性能最优的选择，因此目前国内运营商基本都采用了独立模式。

在独立模式的NB-IoT频点规划时，要统筹考虑频率重耕带来的LTE频宽的扩展、与其他运营商的频率隔离等，目标是使NB-IoT频点在较长时间内保持不变。

图2是对某运营商NB-IoT频点规划的建议，在该运营商900 MHz频段的上边缘清频出3个NB-IoT频点，中心频点分别为953.4 MHz、953.6 MHz、953.8 MHz，上边953.8 MHz频点与其他运营商中心频点至少间隔300 kHz，下边953.4 MHz频点与未来扩展后的LTE频点也不重叠。

（3）同/异频组网选择

同/异频组网各有优缺点，具体如下：

◆同频组网：频率利用率高，总体网络容量大；

◆异频组网：抗干扰能力强，单载频承载速率高。

NB-IoT在LTE技术基础上针对物联网业务进行了协议简化和特性增强，本身可适用于同频组网环境。

在上述某运营商清理出3个NB-IoT频点的情况下，NB-IoT可采用同频组网做到单小区最大2载波（同小区内不同频点之间还应有保护间隔，无法做到单小区最大3载波），也可采用异频1×3组网做到单小区最大1载波。

根据组网测试，50%下行加扰时同频组网比异频组网SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比）要低约2 dB，下行速率下降约20%，同样带宽条件下的网络容量约为异频组网的1.6倍。考虑同频组网的容量优势，NB-IoT可按同频组网规划（为未来容量扩展留下余地），在工程建设中干扰严重之处暂按异频开启。

3.3 分场景规划指标

确定科学的规划指标是网络覆盖规划的核心内容。探索确定规划指标的过程，也就是明确建网目标和无线环境、网络负荷等技术限制条件，进行链路预算和受限信道分析，明确测试指标要求、推算站间距并进行仿真验证与组网测试验证的过程。

（1）协议技术要求与设备能力

覆盖能力强是NB-IoT的技术优势。NB-IoT相关协议规定了3种CE Level（Coverage Enhancement Level，覆盖增强等级），分别如下：

◆CE0：常规覆盖，MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合损耗）为144 dB（MCL=发射机功率-接收机灵敏度）；

◆CE1：增强覆盖，MCL为154 dB；

◆CE2：极远覆盖，MCL为164 dB。

其中，CE2所需基站数最少，适宜在网络建设初期规避投资风险使用。

为了实现CE1及CE2的覆盖增强，NB-IoT采用了重复传输的手段，通过重复传输得到时间分集增益、降低信号解调要求（接收机灵敏度电平更小，即SINR要求降低）。

重复传输对覆盖性能的改善增益，随着重复次数增加而逐渐减少。设备厂家在权衡性能与成本之间，一般独立模式下选择设置各信道的最大重复次数为64次或128次。在增强覆盖的同时，重复传输也将带来有效信息传输速率下降、终端耗电增加等问题。以业务信道为例，为达到业务信道MCL=164 dB，依据厂家链路级仿真提供的重传次数如表1所示：

表1 各物理信道达到极远覆盖时的重传次数

一方面，从原理上来讲，业务信道重复次数越少的能提供的平均业务速率就越大，设备能力也越强；

另一方面，根据技术原理分析和不同厂家调研，随着重复次数增加和算法优化，部分物理信道能实现MCL超过164 dB达到167 dB甚至170 dB，在设备最大重复次数有限制的前提下，最受限的信道为上行信道。

在设备尚未完全成熟、测试还不完善的蜂窝物联网部署初始阶段，如果设定统一的边缘速率要求，很可能导致覆盖半径随设备厂家差异较大，网络规划无法独立于设备厂家。因此，考虑到蜂窝物联网业务特性尚不明确、现阶段最受限的是上行信道这两方面原因，目前NB-IoT网络规划指标暂不考虑小区边缘速率，按照上行信道MCL=164 dB进行推算，并最终折算到便于网络测量的下行NRS（Narrow-band Reference Signal，窄带参考信号）信号指标。

（2）链路预算及其参数

NB-IoT上行链路预算过程如图3所示。

链路预算公式如下：

其中，各参数含义如下：

MAPLUL：上行链路最大传播损耗（单位为 dB）；

Pout_Module：终端模组最大发射功率（单位为dBm），取23 dBm；

LOTA_UE：终端OTA损耗（单位为dB），由于NBIoT终端的多样性和差异性，该值实测差异较大；

Lshell_UE：终端外壳损耗（单位为dB）；

Lp：建筑物穿透损耗（单位为dB），该值与宏站设计的覆盖目标相关，蜂窝物联网希望主要通过宏站来解决大部分覆盖问题（包括穿透室内多堵墙），因此该项取值比普通LTE网络的要大；

图3 NB-IoT上行链路预算过程示意图

Mf：慢衰落余量（单位为dB），该值与传播环境及覆盖概率要求相关，不同场景取值有差异；

MI：上行干扰余量（单位为dB），该值与系统设计容量相关，NB-IoT一般以上行业务为主，需要考虑更高的上行负荷，预留相对较大的上行干扰余量；

Ga_BS：基站天线增益（单位为dB）；

Lf_BS：馈线损耗（单位为dB）；

SBS：基站接收灵敏度（单位为dBm），当要求MCL=164 dB时，则NB-IoT基站灵敏度为-141 dBm。

（3）站间距及室外路测指标要求

基于上述链路预算公式，并结合NB-IoT终端测试OTA平均情况，考虑穿透3堵墙，在上行50%负荷时，提出NB-IoT规划站间距建议。将NB-IoT上行链路最大传播损耗折算到下行NRS，在室外道路测试时，提出NRSRP（NRS Receiving Power，窄带参考信号接收功率）要求。具体如表2所示。

（4）仿真与测试验证

按上述站间距要求，对5个城市高穿损主城区进行规划仿真验证。具体如表3所示，仿真结果验证了规划指标的合理性。

选取某城市的两个场景各约20个站规模的连续区域进行组网测试验证，路测结果如表4所示，基本符合规划预期。

表2 NB-IoT基站站间距建议及室外道路测试电平要求（覆盖概率95%）

3.4 站址规划

（1）同频组网的站址结构要求

NB-IoT采用同频组网，对站址结构较为敏感，应尽量保证理想的蜂窝结构，避免结构不合理的站点入网。合理的网络结构主要要求如下：

◆站间距及站址偏离距离：在合理的站间距区间内设站，控制站间距偏移距离不多不少，既不存在弱覆盖也不带来过多的重叠覆盖；

表3 5个城市高穿损主城区NB-IoT仿真指标

表4 NB-IoT分场景组网测试验证情况

◆站高：避免高站带来的重叠覆盖；

◆方向角：主要通过设置主瓣方向、同一基站不同扇区之间保持合理的夹角来实现合理的小区覆盖；

◆下倾角：在站高确定的情况下，通过调整下倾角合理地控制小区覆盖范围；

◆发射功率：合理地设置发射功率值，控制小区范围。

（2）站址选择工具

开发应用优化的站址选择工具，实现基于全站址规划的最优网络架构，避免简单升级。

站址选择工具包括以下功能：

◆基站画像：对全网所有站址赋予专属个性化标签，便于快速找到必选/目标站点；

◆站址库分类功能：根据基站画像结果，将所有站址进行分类，非目标站址自动进入备选站址库（其他运营商可共享站址），结构问题、不可用站点进入黑名单；

◆站址自动搜索：根据业务需求及规划目标，开展智能站址搜索，快速完成多种选点对比方案；

◆网络规划审核：对最终形成的规划方案进行审核，输出结构问题站点、方案仿真输入站点。

目前站址选择工具已经在全国多个城市蜂窝物联网网络规划中得到应用，并取得较好效果。

4 蜂窝物联网部署策略

蜂窝物联网遵循与LTE FDD“协同规划”原则。在NB-IoT部署实施中，应在LTE FDD目标网站址基础上，根据NB-IoT基站站间距要求，选择部分站址先期建设开通NB-IoT功能，这也就是NB-IoT与LTE FDD基站的1:N组网。

随着蜂窝物联网业务发展，业务需求、速率逐步探索明确，容量需求增加，可针对特殊需求区域逐步加密NB-IoT布局，实现与LTE FDD基站1:1组网。

4.1 1:N组网

假定LTE FDD 900 MHz网络以穿透2堵墙、边缘速率上行1 Mb/s和下行4 Mb/s为规划目标，理论推算可得LTE FDD基站覆盖半径约为NB-IoT的1/2，覆盖同样区域面积的LTE FDD基站数约为NB-IoT的4倍（N≈4）。

运用站址选择工具，输入站间距和网络结构要求，可以从LTE FDD仿真规划达标的基站站址中快速选择出NB-IoT备选站点；备选站点完全继承LTE FDD基站天馈参数进行NB-IoT仿真，一般只需少数几次迭代和调整即可实现NB-IoT覆盖仿真达标。仿真同样验证了LTE FDD基站数约为NB-IoT基站的4倍，具体如表5所示。

表5 NB-IoT与LTE FDD仿真规划达标时的基站数关系对比

4.2 NB-IoT局部站点加密

若NB-IoT站点加密形成与LTE FDD基站1:1部署，NB-IoT信号覆盖电平将增加约10.8 dB，可进一步增强深度覆盖或提升容量。具体如下：

（1）对抗更大的建筑物穿透损耗：穿透损耗可达37 dB，可穿透部分地下室场景，有可能利用宏站覆盖实现部分地下抄表或停车业务。

（2）提升容量：位于小区远点终端可从CE2改善至CE1，以减少重传，增大小区吞吐量和用户业务速率。

5 结束语

蜂窝物联网对实现万物互联、加速产业升级有重要意义，是近期电信运营商关注的焦点。本文通过对蜂窝物联网的规划体系及部署策略进行详细分析，建议NB-IoT以独立模式、同频组网部署于低频段。在分析协议技术要求的基础上，面对设备能力有差异的现状，以MCL=164 dB、穿透3堵墙为统一基准进行覆盖规划，结合链路预算参数取值分析，提出了NB-IoT分场景站间距与室外路测指标要求，并进行了仿真与测试验证。通过提出同频组网的站址结构要求，提炼蜂窝物联网站址选择工具主要功能并实现工程应用。遵循蜂窝物联网与LTE FDD“协同规划”的原则，研究提出NB-IoT建网初期在LTE FDD目标网站址基础上按1:N组网、后期局部加密的部署策略，为蜂窝物联网规划和部署提供了建议。后续还需对蜂窝物联网的业务模型、容量规划等问题进行深入研究，以更好地满足蜂窝物联网规划建设的各项要求。

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Research on CIoT Planning System and Deployment Strategy

DENG Anda, CHENG Ritao, WANG Tao, MENG Fanli, MA Xiangchen, SUN Xuan, MA Ying, WANG Le, ZHANG Haitao
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

In order to scientifically plan the Cognitive IoT (CIoT), the planning principle was proposed firstly in the light of technical features, business trend, investment benefit and LTE FDD development. Then, key links such as frequency planning, scenario planning metrics and site selection were analyzed and investigated in depth to construct the perfect CIoT planning system. Finally, related suggestion to CIoT deployment strategy was put forward.

CIoT NB-IoT co-frequency networking frequency planning site planning

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.004

TN915.9

1006-1010(2017)18-0016-08

邓安达,程日涛,王韬,等. 蜂窝物联网规划体系与部署策略研究[J]. 移动通信, 2017,41(18): 16-23.

2017-06-30

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn