NB-IOT的覆蓋增強技術探討
摘要：隨著物聯網的飛速發展，信息技術變革趨勢日益明顯。因此，需加快實施新一代信息基礎設施，推進信息網路技術廣泛應用，加快構建高速、移動、安全與廣泛的新一代信息基礎設施，推進通信技術的發展。基於現有的2G、3G、4G物聯網技術具有的覆蓋不足問題，新一代NB-IOT採用全新空口設計的物聯網技術，具有低功率、廣覆蓋的特點。通過對NB-IOT的覆蓋增強技術進行深入分析，在OPNET的基礎上，在相同帶寬下，對LTE與NB-IOT覆蓋範圍進行對比分析，促使NB-IOT在新的物聯網時代擁有更加廣闊的應用前景。
0 引 言
現代科技高速發展，全球迎來了信息高效化、智能化的時代。物聯網技術的飛快發展，給人們的生活帶來了極大便利，不斷促進著社會的發展。物聯網技術與人們的生活息息相關。隨著人們生活水平的不斷提高，人們對物聯網的性能要求越來越高。NB-IOT技術最新提出的物聯網技術，和LTE網路相比，更加滿足人們對現代生活智能化、人性化的要求[1-2]。
物聯網通信技術有多種，從傳輸距離上可以分為兩類：一是短距離通信技術，代表有Zigbee、Wi-Fi、Bluetooth和Z-wave；二是廣域網通信技術，一般定義為LPWAN（Low-Power Wide-Area Network）。NB-IOT是2015年9月在3GPP的標準組織立項中提出的一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術，是基於LTE原理基礎上對其進行改進的一種新的物聯網技術。
1 NB-IOT覆蓋增強技術概述
NB-IOT的設計目標[3-5]是在GSM基礎上覆蓋增強20 dB。以144 dB作為GSM的最大耦合路損，則NB-IOT設計的最大耦合損耗（MCL）為164 dB。其中，下行主要依靠增加各自信道的最大重傳次數以獲得覆蓋增強。而它的上行的覆蓋增強主要來自於兩方面。一是在極限覆蓋情況下，NB-IOT可採用單子載波進行傳輸，大幅提升其功率譜密度（Power Spectral Density）。以Singletone部署方式下3.75 kHz的子載波間隔為例，與GSM 180 kHz帶寬相比，其PSD可得到約17 dB的增益（不考慮上行2R）。二是可增加上行信道的最大重傳次數以獲得覆蓋增強。因此，儘管NB-IOT終端上行發射功率（23 dBm）較GSM（33 dBm）低10 dB，但其傳輸帶寬的變窄及最大重傳次數的增加，使其上行可工作在16 dB的最大路損下。
NB-IOT的三種工作模式都可以達到該覆蓋目標[6]。下行方向上，Standalone的功率可獨立配置，Inband和Guardband的功率則受限於LTE的功率。因此，Inband和Guardband方式下需要更多的重複次數，才能達到與Standalone方式同等的覆蓋水平。在相同覆蓋水平下，Standalone方式的下行速率性能優於Inband和Guardband；上行方向上，三種部署方式基本沒有區別。
eMTC的覆蓋目標是MCL為155.7 dB，在FDD LTE基礎上增強15 dB，比NB-IOT的覆蓋目標低8 dB左右。eMTC是LTE的增強功能，與LTE共享發射功率和系統帶寬。但是，eMTC的業務信道帶寬最大為6個PRB。eMTC功率譜密度與LTE相同，覆蓋增強主要通過重複發送[7]和跳頻來實現。在3GPP標準中，它的最大重複次數可達2 048次。
2 NB-IOT覆蓋增強技術分析
2.1 下行重傳帶來的覆蓋增強
2.1.1 NPBCH解調門限
NPBCH 2T1R模擬得到的解調門限如表1所示。表1是基站2天線發送的模擬結果，存在約3 dB的發送分集增益。如果基站採用1天線發送（1T1R），要達到2天線同等覆蓋能力，需要更多重複次數。Standalone方式下，MCL達到144 dB、154 dB和164 dB的重複次數分別為1、2和16。Standalone的MCL在重複次數為1次時，已經達到144 dB的要求。In-band/Guard band的MCL達到144 dB的重複次數為4次；達到154 dB的重複次數為32次；重複次數達到最大64次時，BLER會高於10%。此外，控制信道一般也考慮1%BLER的解調門限要求；PBCH重複周期為640 ms，最多重複64次，MCL未達到164 dB的覆蓋目標。
2.1.2 NPDCCH解調門限
NPDCCH信息最大39 bit，基於48 bit模擬的解調門限如表2所示。從模擬結果可以看到，重複32次可滿足Standalone方式下MCL=164 dB的覆蓋要求。當Guardband和Inband的發射功率比Standalone低8 dB時，重複193、230次，才滿足Guardband和Inband方式下MCL=164 dB。
2.1.3 NPDSCH解調門限
重複次數與TBS大小有關。如表3所示，TBS=680時，重複32次才可滿足Standalone下的MCL=164 dB的覆蓋要求。Inband和Guardband的發射功率比Standalone低8 dB時，重複次數需達到128次，才滿足MCL=164 dB的覆蓋要求。同等覆蓋距離下，Standalone方式的下行速率比其他兩種部署方式要高。需要說明的是，下行速率為單子幀瞬時速率，未考慮調度時延、HARQ反饋等開銷[8]。
2.2 功率譜密度對覆蓋能力的增強
NB-IOT獨立部署，下行發射功率可獨立配置，如表4所示。當總的發射功率為20 W時，NB-IOT功率譜密度與GSM相同，但比LTE FDD功率譜密度高14 dB左右。在Inband和Guardband工作方式下[9]，可以配置NB-IOT與LTE的功率差，如NB-IOT比LTE功率高6 dB，此時NB-IOT下行功率仍比GSM功率低8 dB。eMTC在功率譜密度上並未比NB-IOT低6～14 dB。
表4中，假設NRS功率配置比CRS功率高6 dB，則LTE FDD 10 MHz發射功率為46 dBm，eMTC佔用1 080 kHz的總功率為36.8 dBm。
上行功率譜密度的對比關係，如表5所示。NB-IOT上行終端最大發射功率比GSM低10 dB，但由於NB-IOT的最小調度帶寬為3.75 kHz或15 kHz，因此NB-IOT上行功率譜密度比GSM高0.8～6.9 dB。eMTC終端最大發射功率為23 dBm，最小調度帶寬為1個RB（180 kHz）。它的上行功率譜密度與LTE相同，但比GSM低10 dB，因此eMTC上行功率譜密度比NB-IOT低11～17 dB。
需注意的是，除了功率譜密度上有所變化外，覆蓋增強還通過重複發送和跳頻實現；eMTC在功率譜密度上無增強，主要通過重複、跳頻實現覆蓋增強。
2.3 上行重傳帶來的覆蓋增強
NB-IOT的三種部署方式（Standalone、Guardband和Inband）在上行可用資源方面相同，因此上行信道的性能接近[10]。
2.3.1 NPRACH重複
NPRACH重複次數｛1，2，4，8，16，32，64，128｝。重複次數達到32次時，可滿足MCL為164 dB的覆蓋要求。3GPP標準定義NPRACH重複次數為2的冪次方，重複次數不完全滿足標準定義，實際使用時略有差異。
2.3.2 NPUSCH重複
NPUSCH採用QPSK調製[11]，模擬結果如表6所示，發送接收天線為1T2R。RU個數的取值範圍為｛1，2，3，4，5，6，8，10｝，表7中部分取值與標準定義不完全匹配。需說明，上行速率為單子幀瞬時速率，未考慮調度時延、HARQ反饋等開銷。
2.4 eMTC覆蓋增強技術
2.4.1 eMTC下行覆蓋增強
由於LTE下行各信道覆蓋能力不同，eMTC各信道都可通過重複發送以達到MCL=155.7 dB的覆蓋目標。PBCH在傳統LTE系統PBCH單次發送的基礎上可重複20次，理論上可獲得13 dB左右的覆蓋增益；MPDCCH定義最多可重複256次，當MCCE聚合等級為8時，重複100～200次覆蓋可增強20 dB左右；MPDCCH還定義了16及32聚合等級，其重複次數將進一步降低；MPDSCH定義最多可重複2 048次，當重複147次時，覆蓋可增強20 dB左右。
2.4.2 eMTC上行覆蓋增強
由於傳統LTE各信道的覆蓋能力不同，為了滿足MCL=155.7dB的覆蓋目標，各信道需要提升不同程度的覆蓋能力8.5～15 dB，如表7所示。
上行各信道通過重複發送MCL=157.7 dB的覆蓋目標，各信道需要重複的次數如表8所示，低於3GPP定義的最大重傳次數[12]。
3 NB-IOT覆蓋範圍模擬
為了能夠很好地實現廣域覆蓋和深度覆蓋，NB-IOT相對於我國較為傳統的物聯網技術，能夠很好地增強將近20 dB。只有真正通過利用有效調整參數，儘可能增大MCL（耦合損耗），才能夠最大限度滿足NB-IOT物聯網覆蓋增強對其提出的各種要求，因此對覆蓋範圍進行模擬至關重要。選擇一個區域，在OPNET中採用多UE（User Equipment）調動策略和MCS（Modulation and Coding Scheme）動態調整方法，測試在NB-IOT物聯網運行過程中是否接收到FTP（File Transfer Protocol）。模擬結果如圖1和圖2所示。
因為NB-IoT的信道帶寬比LTE網路窄，所以NB-IOT網路每秒接收到的業務位元組速率比LTE網路小。由圖1和圖2可知，在帶寬為20 MHz下，把UE部署在兩個較長距離範圍內，只有NB-IOT可以與eNodeB進行通信。因此，NB-IOT比LTE覆蓋範圍廣。
4 結 語
本文對NB-IOT覆蓋增強技術進行深入分析與探討，對NB-IOT和LTE覆蓋範圍進行模擬，通過圖形對比分析可以得出NB-IOT廣覆蓋的優勢。新一代的NB-IOT網路技術是演進和市場競爭的綜合產物。由於未來的市場被一致看好，設備廠商在標準制定過程中曾激烈爭奪話語權，預期達到的特性指標基本一致，標準也仍在加速制定中。目前，產業鏈也在積極開展試驗測試和試商用，不遠的將來，NB-IOT網路技術將可能被廣泛應用於不同的垂直行業，並就此開啟萬物互連的新領域和新時代。
參考文獻：
[1] 黃海峰.華為余泉:2016年是NB-IOT產業發展的關鍵年[J].通信世界,2016(05):27-28.
[2] 戴國華,余駿華.NB-IOT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究[J].移動通信,2016(07):31-36.
[3] 程日濤,鄧安達,孟繁麗.NB-IOT規劃目標及規劃思路初探[J].電信科學,2016(S1):137-143.
[4] 劉瑋,董江波,劉娜.NB-IOT關鍵技術與規劃模擬方法[J].電信科學,2016(S1):144-148.
[5] 尤肖虎,潘志文,高西奇等.5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J].中國科學(信息科學),2014(05):26-31.
[6] 曾劍秋.5G移動通信技術發展與應用趨勢[J].電信工程技術與標準化,2017(02):13-16.
[7] 劉三思,李連成.C-R A N的應用和發展趨勢分析[J].數字通信,2012(06):112-115.
[8] 周遠.基於C-RAN新型架構的GSM移動網路改造設計與實現[D].成都:電子科技大學,2016.
[9] 王曉雲,黃宇紅,崔春風等.C-RAN:面向綠色的未來無線接入網演進[J].中國通信,2010(03):102-104.
[10]李富強,魏克敏,劉雅紅等.5G若干關鍵技術對TD-LTE網路演進的影響分析[J].電信網技術,2017(01):17-23.
[11]魏真真,徐曉,張健等.LTE中基於移動特性的切換優化[J].通信技術,2010,43(11):55-62.
[12]郭寶,張陽,顧安等.NB-IOT關鍵技術與應用實踐[M].北京:機械工業出版社,2017.
作者簡介：
勾保同，曲阜師範大學碩士，主要研究方向為通信與信息系統；
趙建平，曲阜師範大學教授，學士，主要研究方向為應用系統設計；
田全利，曲阜師範大學碩士，主要研究方向為電子科學與技術；
趙遠超，曲阜師範大學，碩士，主要研究方向為電子科學與技術。
（本文選自《通信技術》2018年第六期）
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