旋转连接设计方案[旋转结构产品设计]

原题“窄带物联网部署策略”

　　本文作者

邢宇龙，胡云：中国联通网络技术研究院。

　　本文主要讲了什么内容？

基于蜂窝的物联网连接由于设备功耗大、部署成本高等劣势，目前在移动网络上承载的物联网连接只占到总数的6%。以NB-IoT为代表的低功耗广域网(LPWA)具有低成本、广覆盖的特点，在未来低速率物联网业务中扮演着重要角色。文章从标准化进展、频率部署方式等方面对NB-IoT技术进行了分析，给出了中国联通窄带物联网的网络架构和部署方案，为中国联通NB-IoT的内外场测试及商用部署提供参考。

　　一

引言

据IDC预测，到2020年，全球物联网连接将达到300亿；到2025年，全球物联网连接将达到700亿。然而，根据Machina Research咨询报告显示，现在大量的物与物连接，是通过蓝牙、Wi-Fi等短距通讯技术承载的，基于蜂窝通信技术(2/3/4G)的物联网设备由于终端设备功耗大、部署成本高等劣势，目前真正承载在移动网络上物与物的连接只占到连接总数的6%。针对这种情况，为了解决广覆盖和低成本、低功耗两难的问题，有必要专为物联网连接设计新的通信技术以增强网络能力，由此，低功率广域网LPWA应运而生。

作为LPWA典型代表之一的窄带物联网NB-IoT是面向低功耗、深度覆盖的全球统一标准，已于2016年6月在3GPP完成核心标准冻结。NB-IoT定位于“低频、小包、时延不敏感”的物联网业务，并且工作于授权频段，具有干扰小、可靠性高等优势，未来将承接大量物联网接入业务。

本文将在第1节对NB-IoT进行介绍，包括NB-IoT的标准化情况、频率部署方式、系统需求和NB-IoT的优势；第2节将介绍中国联通NB-IoT的网络架构；第3节给出中国联通NB-IoT的部署方案；最后，对蜂窝物联网技术演进进行总结。

　　二

窄带物联网介绍

1、标准化进展

由于市场对物联网业务需求急迫，各运营商、设备厂商、芯片厂商纷纷积极推进窄带蜂窝物联网的标准化工作。

从2014年5月起，NB-IoT经历了多次融合和更替。2016年6月16日3GPP RAN全会第72次会议上，NB-IoT核心协议在RAN1、RAN2、RAN3、RAN4四个工作组均完成冻结。在R13标准中，NB作为一个全新标准的技术，其空口技术相比LTE进行了重新设计：180kHz窄带系统和上行3.75kHz的子载波间隔能有效提高网络覆盖，从而满足链路预算至少比GSM高20dB以上的设计目标；UE仅支持半双工，且增加了PSM和eDRX功能，能有效降低终端功耗，节约终端成本。如图1所示。

图1 NB-IoT标准化进展

3GPP R14新增定位功能、SC-P2M下行广播功能、非连接态移动性增强功能，可以满足更多场景需要，提高网络可靠性。

2、频率部署方式

3GPP NB-IoT工作项目总体上确定将定义一种对于E-UTRAN非后向兼容、有较大变动的蜂窝物联网无线接入新技术，增强室内覆盖、支持大量的低吞吐量设备、低延迟敏感度、超低成本、低功耗设备和(优化)网路体系架构。

NB-IoT支持3种频率部署方式，如图2所示。

图2 NB-IoT频率部署方式

1)独立部署Standalone：利用目前GERAN系统占用的资源，替代目前的一个或多个GSM载波。

2)保护带部署Guard-Band：利用目前LTE载波保护带上没有使用的资源块。

3)带内部署In-Band：利用LTE载波内的资源块。

3、NB-IoT系统需求

1)下行和上行链路终端射频带宽都是180kHz。

2)下行链路是OFDMA方式，对于3种操作模式都是15kHz的子载波间隔。

3)对于上行链路：支持Singletone和Multi-tone传输。

对于Single-tone传输，网络可配置子载波间隔为3.75kHz和15kHz。

对于Multi-tone传输采用基于15kHz子载波间隔的SC-FDMA。

UE需要指示对Single-tone和Multi-tone传输的支持能力。

4)NB-IoT终端只需要支持半双工操作，在R13阶段不需要支持TDD，但要求保证对TDD前向兼容的能力。

4、NB-IoT优势

1)大链接：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接。

2)深度覆盖：NB-IoT室内覆盖能力强，比LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村这样的广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。

3 ) 低功耗： NB - IoT借助PSM(Power Saving Mode，节电模式)和eDRX可实现更长待机。其中PSM技术是R12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。eDRX是R13中新增的功能，进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动，相对于PSM，大幅度提升了下行可达性。

4)低成本：与LoRa相比，NBIoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。可以直接进行GSM/UMTS/LTE和NB-IoT的同时部署。模块预期价格不超过5美元。

　　三

中国联通窄带物联网网络架构

1、NB-IoT网络总体架构

NB-IoT的网络架构和4G网络架构基本一致，但针对NB-IoT优化流程，在架构上面也有所增强。图3描述了NB-IoT网络的总体架构。

图3 NB-IoT网络总体架构

图6 中国联通远期网络演进架构

　　四

中国联通窄带物联网部署方案

1、频率选择策略

1）900&1800MHz覆盖性能分析

（1）链路预算(如表1所示)。在Standalone部署方式下，考虑密集城区、城区、农村、郊区典型覆盖场景下，采用HATA传播模型，在典型穿透损耗基础上，对N900MHz、N1800MHz覆盖性能进行仿真，其对比结果如表2。

表1 N900&N1800链路预算假定条件

表2 N900&N1800链路预算结果

密集城区场景，满足99%覆盖率，900MHz和1800MHz频段站间距分别为670米和390米；普通城区场景，满足99%覆盖率，900MHz和1 800MHz频段站间距分别为1 560千米和900米；若降低覆盖率要求至95%，NB-IoT在900MHz和1 800MHz频段站间距要求显著增大。

N900比N1800覆盖性能有一定优势，其覆盖径比为1.6~2被，密集城区/普通城区/ 农村广覆盖区域覆盖半径比分别为1.6~1.7/1.6~1.8/1.8~2.0倍。

（2）L900和L1800深度覆盖性能。

佛山城区升级部署两个L900站点，对L1800和L900覆盖性能进行对比，四种室内深度覆盖测试场景：商办楼宇(央城大夏为框架结构)、新居民住宅(尚辉苑为新式住宅、框架结构、千户型 )、居民住宅(果房公寓为老式住宅、砖混结构)、沿街商铺(口腔医院为钢结构)。测试验证结果如表3，在室内深度覆盖区域，L900平均RSRP值比L1800普遍高10dB以上，尤其对于老式住宅室内极深的深度覆盖场景，L900比L1800渗透率极强，高近20dB。

表3 L900和L1800深度覆盖性能对比

（3）L900(3M与5M)与L1800深度覆盖业务性能(如表4)。

表4 L900(3M与5M)与L1800深度覆盖业务性能对比

在深度覆盖场景进行业务性能对比测试，L900比L1800信号质量好10dB左右，L1800在RSRP=-110和-120四个场景下脱网，L900则性能很好。

L1800：RSRP均值为-111dBm，SINR均值为0.2dB，下载平均速率为11699/bps，上传平均速率为7036/bps。

L900 - 5M：RSRP均值为-102dBm，SINR均值为1.4dB，下载平均速率为4 688/bps，上传平均速率为4267/bps。

L900 - 3M：RSRP均值为-103dBm，SINR均值为1.3dB，下载平均速率为2353/bps，上传平均速率为2108/bps。

　　五

结束语

面对人-人用户红利终结、流量经营“剪刀差”持续扩大的现实，全球通信业不约而同地将未来发展战略聚焦于充满无限想象空间的万物互联“新风口”，一个汇聚人与人、物与物、人与物全方位连接的超级大市场。NB-IoT是物联网领域新兴连接技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，具备覆盖广、多连接、低功耗、低成本等优势。NB-IoT可直接“叠加”部署于GSM、UMTS或LTE网络，相比其他物联网技术，NB-IoT颇受电信运营商青睐

中国联通也早早瞄准物联网发展潜力，将其作为六大创新战略之一，并在多个城市启动基于900MHz、1800MHz的NB-IoT外场规模组网试验，以及6个以上业务应用示范。在正式商用方面，中国联通计划在2017年推进重点城市的NB-IoT商用部署，2018年则将开始全面推进国家范围内的商用部署。此外，中国联通也将继续秉承开放的姿态，与各产业链伙伴积极合作，共同开拓物联网产业新空间，在创新中发展，共享万物互联的新时代。

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