NB-IoT规划目标及规划思路初探.pdf

1、NB-IoT 规 划 与 参 数初 步 提 出 了 NB-IoT 的 规 划 目 标 ， 主 要 包 括 规 划 指 标 、 规 划 体 系 、 建 设 方 案 3部分 ；重 点 探 讨 了 以 规 划 指 标 为 指 引 、 以 规 划 体 系 为 核 心 、 以 建 设 方 案 为 成 果 的 NB-IoT规 划 思 路 以 及 技 术 选 择 、 规 划 指 标 等 需 要 进 一 步 探 讨 和 验 证 的 问 题 ， 对 于 后 续 细化 规 划 具 有 一 定 指 引 作 用 。一引 言 在 大 数 据 时 代 ， 万 物 互 联 是 移 动 通 信 发 展 的 必 然 趋 势 ，

2、 预 计 未 来 全 球 物 联网 连 接 数 将 达 千 亿 级 。 物 联 网 业 务 种 类 丰 富 ， 承 载 技 术 多 样 ， 包 括 非 蜂 窝 （ 以 短距 离 Wi-Fi、 蓝 牙 等 为 主 ， 也 包 括 Sigfox 和 LoRa 等 ） 和 蜂 窝 （ 2G/3G/4G） 两大 类 。专 业 咨 询 机 构 预 测 ， 2020年 全 球 物 联 网 市 场 连 接 数 规 模 将 达 500亿 ， 中 国市 场 将 突 破 100亿 ， 其 中 90亿 为 物 与 物 连 接 。 然 而 ， 目 前 市 场 中 大 部 分 连 接 通过 短 距 离 通 信 技 术

3、承 载 ， 而 非 运 营 商 移 动 蜂 窝 网 络 。 移 动 蜂 窝 网 络 具 备 广 覆 盖 、可 移 动 以 及 大 连 接 数 等 特 性 ， 能 够 带 来 更 加 丰 富 的 应 用 场 景 ， 理 应 成 为 物 联 网 的主 要 承 载 技 术 。 运 营 商 有 条 件 从 管 道 提 供 商 向 综 合 服 务 提 供 商 演 进 ， 利 用 移 动 蜂窝 网 络 的 优 势 逐 步 介 入 智 能 家 居 、 智 能 楼 宇 、 智 能 抄 表 、 市 政 物 联 、 物 流 跟 踪 等新 领 域 。蜂 窝 物 联 网 需 要 具 备 大 连 接 、 广 覆 盖 、

4、 低 功 耗 、 低 成 本 等 基 本 特 点 的 连 接 技术 ， 而 现 有 移 动 蜂 窝 网 络 2G/3G/4G技 术 无 法 满 足 ， 需 要 采 用 新 技 术 。 目 前 ，运 营 商 普 遍 关 注 的 蜂 窝 类 新 技 术 主 要 有 两 种 ： NB-IoT（ 基 于 蜂 窝 的 窄 带 物 联 网 ）和 eMTC。 国 际 运 营 商 对 NB-IoT和 eMTC关 注 度 均 较 高 ， 两 者 产 业 进 度 及 规模 相 近 。 国 内 运 营 商 目 前 更 关 注 NB-IoT。二NB-IoT技 术 特 点 与 规 划 目 标2.1 NB-IoT 技 术

5、 特 点分 析 数 据 显 示 ， 低 功 耗 、 广 覆 盖 、 低 成 本 、 低 速 率 类 业 务 占 据 物 联 网 业 务 达60%以 上 ， NB-IoT正 是 一 种 聚 焦 于 LPWA（ 低 功 耗 广 域 ） 业 务 的 可 在 全 球 范 围内 广 泛 应 用 的 新 兴 技 术 。 该 技 术 使 用 License频 段 ， 只 需 大 约 200kHz的 带 宽 ，可 采 取 带 内 、 保 护 带 或 独 立 载 波 3种 部 署 方 式 ， 直 接 部 署 于 GSM、 UMTS或 LTE网 络 ， 以 降 低 部 署 成 本 ， 实 现 平 滑 升 级 。N

6、B-IoT具 备 四 大 特 点 ： 一 是 具 备 支 持 海 量 连 接 的 能 力 ， 每 小 区 能 够 支 持 约5万 个 连 接 ； 二 是 广 覆 盖 ， 在 同 样 的 频 段 下 ， 比 现 有 的 GSM900MHz网 络 增 益20dB以 上 ， 覆 盖 面 积 扩 大 约 100倍 ； 三 是 更 低 功 耗 ， 终 端 模 块 的 待 机 时 间 可 长达 10年 ； 四 是 更 低 的 模 块 成 本 ， 预 计 单 个 接 连 模 块 成 本 不 超 过 5美 元 。NB-IoT和 eMTC作 为 蜂 窝 物 联 网 的 两 种 主 要 承 载 技 术 ， 均 为

7、 针 对 LPWA类业 务 需 求 进 行 优 化 的 技 术 。 NB-IoT与 LTE系 统 的 独 立 性 更 强 ， 因 此 系 统 优 化 更适 配 LPWA业 务 需 求 ， eMTC是 LTE的 增 强 功 能 ， 因 需 要 兼 顾 LTE系 统 导 致 优化 程 度 略 低 。可 见 ， NB-IoT在 覆 盖 、 成 本 等 方 面 性 能 最 优 ， 最 符 合 LPWA类 业 务 需 求 ，但 难 以 满 足 中 高 移 动 性 、 中 高 速 率 、 语 音 等 业 务 需 求 ； eMTC在 覆 盖 、 成 本 方 面弱 于 NB-IoT， 优 势 是 峰 值 速

8、率 、 移 动 性 、 语 音 能 力 ， 适 用 于 其 他 对 峰 值 速 率 、移 动 性 有 要 求 的 业 务 。2.2 NB-IoT 规 划 目 标NB-IoT有 别 于 传 统 的 人 与 人 连 接 的 网 络 ， 主 要 服 务 于 物 与 物 的 连 接 ， 为 人类 工 作 提 供 信 息 采 集 等 功 能 及 通 道 。 如 何 建 设 一 张 提 供 便 捷 于 万 物 连 接 及 信 息 采集 成 本 的 最 低 化 的 优 质 网 络 ， 在 规 划 阶 段 有 很 多 问 题 需 要 因 地 制 宜 的 加 以 解 决 ，充 分 发 掘 利 用 现 网 数 据

9、 及 已 有 的 运 营 经 验 ， 对 简 历 全 新 的 网 络 进 行 针 对 性 分 析 ，提 出 具 体 解 决 方 案 。NB-IoT规 划 目 标 主 要 包 括 规 划 指 标 、 规 划 体 系 和 建 设 方 案 三 部 分 。（ 1） 规 划 指 标 ： 基 于 物 联 网 承 载 业 务 需 求 ， 确 定 规 划 指 标 ；（ 2） 规 划 体 系 ： 制 定 频 率 规 划 、 覆 盖 规 划 、 容 量 规 划 、 参 数 规 划 、 传 输 需求 规 划 、 软 件 功 能 规 划 等 内 容 的 规 划 体 系 ；（ 3） 建 设 方 案 ： 基 于 规 划

10、体 系 和 组 网 方 案 ， 编 制 工 程 建 设 方 案 。物 联 网 规 划 目 标 及 规 划 体 系 构 架 图三NB-IoT规 划 思 路以 规 划 目 标 为 指 引 ， 首 先 通 过 业 务 需 求 分 析 规 划 指 标 ； 以 规 划 指 标 为 依 据 ，开 展 频 率 规 划 、 覆 盖 规 划 、 容 量 规 划 、 参 数 规 划 、 传 输 需 求 规 划 和 软 件 功 能 规 划等 一 系 列 规 划 工 作 ， 完 成 规 划 体 系 ； 基 于 规 划 体 系 和 组 网 方 案 ， 进 行 多 方 案 比 较 ，输 出 最 终 建 设 方 案 以 指

11、 导 NB-IoT网 络 建 设 。3.1NB-IoT规 划 指 标任 何 网 络 的 规 划 指 标 都 是 建 立 在 一 定 业 务 需 求 的 分 析 基 础 上 的 ， 通 过 物 联 网业 务 分 析 、 业 务 筛 选 ， 确 定 业 务 需 求 ， 进 而 提 出 NB-IoT规 划 指 标 。NB-IoT规 划 指 标 主 要 包 括 平 均 速 率 、 边 缘 速 率 、 分 场 景 RSRP、 分 场 景RS-SINR4种 。（ 1） 平 均 速 率通 过 系 统 能 力 仿 真 和 测 试 分 析 确 定 ， 存 在 两 个 难 点 需 要 进 一 步 讨 论 ： 不

12、同 业务 类 型 的 终 端 分 布 差 异 大 ， 且 更 多 集 中 在 室 内 区 域 ， 无 法 用 路 测 等 指 标 进 行 评 估 ；终 端 业 务 模 型 不 确 定 ， 实 际 业 务 （ 多 重 业 务 、 多 终 端 混 合 ） 对 平 均 速 率 的 影 响 难于 评 估 。（ 2） 边 缘 速 率通 过 业 务 需 求 的 最 低 速 率 确 定 ， 考 虑 到 不 同 业 务 对 时 延 的 要 求 不 同 ， 因 此 最低 速 率 指 标 弹 性 较 大 。 3GPPNB-IoT规 范 有 建 议 值 160bit/s， 其 合 理 性 待 通 过与 真 实 业

13、务 对 比 验 证 。 研 究 通 过 调 研 现 网 数 据 进 行 终 端 业 务 行 为 识 别 及 分 析 的 方法 ， 分 析 对 规 划 指 标 的 具 体 要 求 。（ 3） 分 场 景 RSRP通 过 系 统 能 力 的 接 收 灵 敏 度 、 上 行 边 缘 速 率 （ 一 定 干 扰 余 量 ） 确 定 最 低 要 求 ，通 过 下 行 边 缘 确 定 需 借 助 链 路 级 仿 真 结 合 测 试 。（ 4） 分 场 景 RS-SINR根 据 速 率 指 标 结 合 链 路 级 仿 真 确 定 。 此 外 ， 还 有 一 些 其 他 要 求 需 要 考 虑 。分 业 务

14、要 求 ： 对 不 同 业 务 采 用 差 异 化 指 标 。 对 于 极 低 速 率 业 务 ， 以 系 统 接 收灵 敏 度 作 为 规 划 指 标 要 求 ， 不 要 求 边 缘 速 率 ； 对 于 其 他 业 务 ， 以 边 缘 速 率 作 为 最低 速 率 规 划 要 求 。分 场 景 要 求 ： 应 结 合 覆 盖 区 域 的 典 型 业 务 确 定 覆 盖 指 标 ， 不 同 的 区 域 ， 规 划指 标 不 同 。覆 盖 率 确 认 ： 考 虑 覆 盖 率 与 建 设 成 本 之 间 的 折 中 。3.2NB-IoT规 划 体 系规 划 体 系 主 要 包 括 频 率 规 划

15、、 覆 盖 规 划 、 容 量 规 划 、 参 数 规 划 、 传 输 需 求 规划 和 软 件 功 能 规 划 等 ， 主 要 探 讨 频 率 规 划 、 覆 盖 规 划 和 容 量 规 划 。3.2.1 频 率 规 划NB-IoT带 宽 为 180kHz， 支 持 以 下 3种 工 作 模 式 。stand-alone（ 独 立 ） ： 独 立 部 署 在 LTE带 外 ， 功 率 独 立 配 置 ， 不 依 赖 LTE网 络 。in-band（ 带 内 ） ： 部 署 在 LTE带 内 ， 功 率 在 LTE上 功 率 增 强 ， 占 用 LTE资 源 。guard-band（ 保 护

16、带 内 ） ： 部 署 在 LTE保 护 带 内 ， 功 率 在 LTE上 功 率 增 强 ，不 占 用 LTE资 源 。stand-alone模 式 发 射 功 率 高 ， 其 下 行 覆 盖 性 能 、 速 率 、 功 耗 、 时 延 等 最 好 ，在 具 备 200kHz频 率 资 源 的 情 况 下 是 性 能 最 优 的 选 择 。 in-band模 式 不 需 要 额 外占 用 频 率 资 源 ， 但 因 下 行 功 率 受 限 （ 典 型 值 ： 低 于 stand-alone模 式 约 11dB）导 致 下 行 深 度 覆 盖 能 力 较 差 。 guard-band模 式 以

17、 对 设 备 更 高 的 射 频 指 标 要 求 和实 现 复 杂 度 为 代 价 ， 换 取 不 占 用 独 立 频 率 资 源 的 好 处 ， 理 论 上 性 能 劣 于 in-band模 式 ， 后 续 需 研 究 设 备 实 现 性 能 。3.2.2 覆 盖 规 划NB-IoT覆 盖 增 强 关 键 技 术 主 要 包 括 窄 带 传 输 提 升 功 率 频 谱 密 度 、 重 复 传 输时 间 分 集 、 跳 频 3种 。 通 过 发 射 功 率 、 接 收 电 平 理 论 计 算 MCL（ 最 大 耦 合 路 损 ） ，比 较 各 系 统 覆 盖 能 力 。 各 种 网 络 制 式

18、 MCL理 论 计 算可 见 ， NB-IoT覆 盖 目 标 为 满 足 上 下 行 MCL=165dB， 优 于 GSM系 统 20dB以 上 ； 而 eMTCMCL优 于 GSM系 统 10dB以 上 ， 优 于 LTE系 统 15dB以 上 。NB-IoT（ stand-alone） 链 路 预 算 见 表选 取 现 网 一 、 二 、 三 类 城 市 进 行 GSM宏 基 站 MR数 据 分 析 ， 得 到 NB-IoT系 统 相 对 覆 盖 增 益 值 。 NB-IoT系 统 相 对 覆 盖 增 益 值 估 算以 哈 塔 模 型 距 离 传 播 损 耗 系 数 3.6（ 对 应 站

19、高 25m） 估 算 ， NB-IoT与 现 网GSM900MHz不 同 站 址 比 例 的 覆 盖 增 益 。NB-IoT与 现 网 GSM900 MHz不 同 站 址 比 例 的 覆 盖 增 益因 此 ， 根 据 以 上 理 论 计 算 结 果 ， 可 建 议 NB-IoT与 现 网 GSM900MHz站 址比 例 关 系 ： 对 于 一 类 城 市 ， 满 足 NB-IoT覆 盖 要 求 的 站 址 选 择 为 1 21 4； 对于 二 类 城 市 ， 该 值 为 1 41 8； 对 于 三 类 城 市 ， 该 值 约 为 1 8。本 节 讨 论 的 NB-IoT覆 盖 能 力 、 与

20、GSM的 对 比 关 系 都 是 理 论 计 算 ， 尚 需 测试 验 证 。3.2.3 容 量 规 划与 eMTC相 比 ， NB-IoT 具 有 更 高 频 谱 效 率 和 更 小 资 源 粒 度 的 特 点 ， 更 易 实现 大 连 接 。（ 1） 峰 值 能 力 核 算系 统 可 使 用 12个 子 载 波 进 行 传 输 ， 根 据 NPDSCHTBSize表 格 ， 最 大 TBS（ 传 输 块 集 ） 为 1000bit， 每 个 传 输 TTI（ 传 递 TBS的 时 间 间 隔 ） 为 4ms。 因此 ， 系 统 峰 值 速 率 为 250kbit/s。 UL（ 上 行 链

21、路 ） 资 源 分 配 ， NPDCCH 为 1ms；NPUSCH 传 输 ， NPDCCH 调 度 后 至 少 8ms； HARQ（ 混 合 自 动 重 传 请 求 ） 反馈 ， NPUSCH传 输 后 至 少 3ms。 因 此 ， 单 用 户 峰 值 速 率 为 62.5kbit/s。（ 2） 小 区 容 量 核 算现 阶 段 商 用 业 务 信 息 尚 未 明 确 ， 估 算 小 区 容 量 时 ， 3GPPTR45.820AnnexE建 议 NB-IoT采 用 的 用 户 模 型 。3GPPTR45.820定 义 的 NB-IoT话 务 模 型根 据 模 型 假 定 的 单 次 发 送

22、 数 据 量 符 合 参 数 =2.5的 Pareto（ 帕 雷 托 ） 分 布（ 20200byte截 断 分 布 ） ， 计 算 该 分 布 函 数 的 均 值 得 到 单 次 发 送 数 据 为 256bit（ 32byte） ， 则 单 用 户 速 率 为 0.033bit/s， 按 平 均 10次 重 复 及 其 他 开 销 ， 单 用户 数 据 速 率 需 求 为 0.5bit/s， 小 区 上 行 平 均 速 率 为 50kbit/s估 算 ， 小 区 容 量 可 达10万 数 量 级 。3.3NB-IoT 建 设 方 案3.3.1 网 络 建 设 关 键 问 题基 于 规 划

23、体 系 和 组 网 方 案 ， 编 制 工 程 建 设 方 案 ， 需 要 重 点 考 虑 以 下 因 素 ：（ 1） 需 求 定 位 准 确需 求 发 现 ： 梳 理 业 务 类 型 、 业 务 来 源 ， 精 确 要 求 ， 发 现 进 而 确 立 建 网 目 标 ，是 打 造 优 质 网 络 的 重 要 第 一 步 。需 求 分 析 ： 物 联 网 业 务 终 端 的 分 布 可 能 与 个 人 移 动 网 的 用 户 分 布 差 别 较 大 ，网 络 建 设 应 注 重 与 业 务 的 衔 接 ， 尤 其 要 对 业 务 类 型 和 具 体 需 求 进 行 深 入 分 析 。（ 2）

24、连 接 成 本 最 低频 段 与 制 式 选 择 ： 需 考 虑 相 关 技 术 （ 频 率 、 覆 盖 能 力 ） 、 产 业 发 展 程 度 、 建设 （ 新 建 和 改 造 ） 、 投 资 、 政 策 等 因 素 ， 并 分 析 其 优 劣 势 。（ 3） 网 络 质 量 最 佳网 络 覆 盖 需 求 ： 分 析 物 联 网 终 端 的 分 布 区 域 ， 确 定 合 理 网 络 规 划 指 标 。站 址 规 划 ： 网 络 规 划 中 最 重 要 的 内 容 ， 基 于 运 营 商 已 有 站 址 资 源 、 开 展 站 址选 择 规 划 ， 保 证 良 好 的 覆 盖 质 量 ， 并

25、 协 同 好 网 络 建 设 与 网 络 发 展 的 关 系 。（ 4） 工 程 建 设 效 率 最 高主 设 备 建 设 问 题 ： 可 以 考 虑 基 于 现 网 设 备 升 级 与 新 增 设 备 建 设 。天 馈 建 设 问 题 ： 天 线 在 整 个 无 线 系 统 中 起 到 极 为 重 要 的 作 用 。 在 天 线 选 择 时应 该 坚 持 性 能 优 先 的 原 则 ， 同 时 考 虑 工 程 实 施 难 度 。3.3.2 建 设 方 案 建 议NB-IoT组 网 方 案 分 为 GSM升 级 、 新 建 ， 组 网 方 案 比 较 。NB-IoT组 网 方 案 比 较若 考

26、 虑 后 续 系 统 演 进 可 采 用 方 案 1； 短 期 内 （ 试 验 网 阶 段 ） 建 议 方 案 2； 考虑 国 家 “互 联 网 +”及 万 物 互 联 的 大 环 境 及 公 司 “大 连 接 ”战 略 ， 不 建 议 采 用 方 案 3。考 虑 物 联 网 发 展 策 略 及 产 业 演 进 等 因 素 ， NB-IoT网 络 可 以 有 的 覆 盖 方 案 。NB-IoT覆 盖 方 案 比 较四结 束 语NB-IoT是 一 种 新 的 蜂 窝 物 联 网 承 载 技 术 ， 聚 焦 于 LPWA业 务 ， 具 备 大 连 接 、广 覆 盖 、 低 功 耗 、 低 成 本

27、4个 特 点 ， 国 内 运 营 商 目 前 最 为 关 注 。 建 设 一 张 提 供 便捷 于 万 物 连 接 及 信 息 采 集 成 本 的 最 低 化 的 优 质 网 络 ， 规 划 工 作 至 关 重 要 。 NB-IoT的 规 划 目 标 主 要 包 括 规 划 指 标 、 规 划 体 系 、 建 设 方 案 3部 分 。 以 规 划 目 标 为 指 引 ，首 先 通 过 业 务 需 求 分 析 规 划 指 标 ； 然 后 ， 以 规 划 指 标 为 依 据 ， 开 展 频 率 规 划 、 覆盖 规 划 、 容 量 规 划 、 参 数 规 划 、 传 输 需 求 规 划 和 软 件

28、 功 能 规 划 等 一 系 列 规 划 工 作 ，完 成 规 划 体 系 ； 最 后 ， 基 于 规 划 体 系 和 组 网 方 案 ， 编 制 工 程 建 设 方 案 ， 进 行 多 方案 比 较 ， 输 出 最 终 建 设 方 案 以 指 导 NB-IoT网 络 建 设 。由 于 物 联 网 的 行 业 应 用 尚 处 在 各 方 接 触 初 期 ， 技 术 选 择 也 还 在 论 证 阶 段 ，NB-IoT的 规 划 目 标 及 思 路 并 不 成 熟 ， 初 步 探 索 过 程 中 发 现 有 一 些 问 题 需 要 进 一步 探 讨 。技 术 选 择 的 策 略 受 多 种 不 确

29、 定 因 素 影 响 ， 市 场 规 划 、 技 术 验 证 需 先 行 ， 综 合考 虑 实 际 性 能 、 市 场 需 求 、 投 资 代 价 、 政 策 许 可 等 因 素 ， 对 比 NB-IoT和 eMTC两 种 技 术 ， 论 证 部 署 方 式 、 规 模 和 节 奏 ； 同 时 ， 要 充 分 结 合 中 国 移 动 未 来 网 络发 展 因 素 ， 对 这 两 种 技 术 ， 尤 其 是 NB-IoT的 部 署 策 略 做 多 场 景 预 判 。NB-IoT规 划 指 标 ， 由 于 目 前 物 联 网 的 业 务 模 型 并 不 清 晰 ， 业 务 需 求 无 法 确定 ，

30、 因 此 ， 不 能 确 定 详 细 的 规 划 指 标 ， 对 规 划 体 系 带 来 很 大 的 不 确 定 因 素 。 后 续需 要 充 分 调 研 物 联 网 各 类 行 业 应 用 ， 结 合 无 线 设 备 和 终 端 设 备 的 研 发 情 况 ， 尽 快建 立 合 理 的 业 务 模 型 ， 确 定 业 务 需 求 和 规 划 指 标 。NB-IoT本 身 的 技 术 要 素 ， 由 于 技 术 本 身 还 未 成 熟 ， 对 于 冻 结 不 久 的 协 议 中多 种 配 置 选 择 ， 还 需 要 测 试 验 证 ， 作 出 性 能 对 比 ， 如 频 率 部 署 ， stand-alone和in-band两 种 配 置 如 何 选 择 ， 需 要 进 一 步 测 试 验 证 。 建 设 方 式 是 利 旧 还 是 新 建 ，也 需 要 进 一 步 测 试 验 证 ， 并 结 合 投 资 因 素 作 出 对 比 分 析 。