引言
據Gartner和IDC研究報告稱，2020年全球物聯網連接將超過百億，蜂窩連接占比超過10%。為滿足越來越多遠距離物聯網設備的連接需求，低功耗廣域網絡（LPWA）應運而生。窄帶物聯網（NB-IoT）聚焦于LPWA物聯網市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。它憑借其覆蓋廣、容量大、速率低、成本低、功耗低等優勢，在眾多LPWA技術中脫穎而出，成為業界關注的焦點。
NB-IoT的發展及特點
NB-IoT 的發展
NB-IoT 的標準化進程
2015 年9 月NB-IoT 技術正式寫入3GPP 協議，2016 年6 月，3GPP 宣布完成NB-IoT 標準的制定工作。NB-IoT標準化工作的結束，意味著Release13中面向物聯網的核心協議已經完成。
運營商對NB-IoT 的推動
新技術的誕生不一定是運營商驅動的，但新技術的快速發展，通常是運營商推動的。從國際上看，運營商已經意識到了物聯網這片未來的新藍海，加大了對NB-IoT的布局：韓國KT計劃計劃投資1 500億韓元新建NB-IoT網絡；沃達豐加速布局物聯網，建立NB-IoT開放實驗室，將研究網絡解決方案驗證、新應用創新、設備集成、業務模式研究以及產品合格驗證等；DoCoMo將發展M2M業務作為其泛在網戰略重要組成，通過建立平臺與嵌入模塊推動M2M市場規模發展；Sprint通過開放性發展策略推動M2M市場。從國內看，三大運營商的NB-IoT部署時間表已初定：中國移動計劃在2016年進行系統驗證，2017年開啟NB-IoT 商用化進程；中國聯通計劃2016 年底或2017年初推進重點城市的商用部署，2018年將在全國范圍內商用部署；中國電信計劃于2017上半年部署基于800 MHz的NB-IoT網絡。
NB-IoT 的特點
NB-IoT的技術特點主要體現在4個方面。
覆蓋
NB-IoT提高覆蓋能力主要是通過提高功率譜密度、發送重復和上行Inter-site CoMP等方式實現的。
- 功率譜密度。NB-IoT采用窄帶設計方式，下行帶寬180 kHz，同樣的發射功率，NB-IoT的功率譜密度和GSM相當，比CDMA高8 dB；NB-IoT上行帶寬最低3.75 kHz，GSM終端發射功率最大支持2 W，因此，NB-IoT 上行功率譜密度比GSM 高7 dB，比CDMA 高25 dB。
- 發送重復。NB-IoT最高支持128次重復，實際中一般取下行8 次重復，上行16 次重復，獲得9～12dB的增益。
- 上行Inter-site CoMP。NB-IoT上行引入IntersiteCoMP技術，可以獲得3 dB的增益。因此，NB-IoT在上行鏈路至少可以提升20 dB，既能滿足郊區、農村區域的廣覆蓋需求，也可以實現城市區域的深度覆蓋，就算在地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方也能覆蓋到。
容量
物聯網業務的低速率要求和對時延不敏感決定了NB-IoT具有小包數據發送和終端極低激活比的特征。而且，NB-IoT通過減小空口信令開銷，大大提升了頻譜效率。據相關設備廠家評估，NB-IoT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，可以提供現有無線技術50～100倍的接入數。
功耗
3GPP在相關系列標準中引入了省電模式（PSM）和eDRX 技術，NB-IoT 才真正具備了低功耗特性。PSM是3GPP Release12中新增的功能，在此模式下，終端仍舊注冊在網，但信令不可達，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的，適用于時延不敏感業務；eDRX是3GPP Release13中新增的功能，即長周期DRX，進一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，最長周期約3 h，減少接收單元的信令處理，相對于PSM，大幅度提升了下行可達性。
NB-IoT目標是對于典型的低速率、低頻次業務模型等，容量電池壽命可達10 年以上。根據3GPP TR45.820的仿真數據，在耦合耗損164 dB的惡劣環境，PSM和eDRX均部署，如果終端每天發送一次200 B報文，5 Wh時電池壽命可達12.8年。
成本
終端芯片通常由基帶處理模塊、射頻模塊、功放模塊、電源管理模塊和Flash/RAM等組成。和4G智能手機或其他終端相比，NB-IoT終端采用180 kHz的窄帶帶寬，基帶模塊復雜度低；低數據速率和協議棧簡化可以大大降低對Flash/RAM大小的要求；單天線、半雙工的方式，可以有效簡化射頻模塊。目前，NB-IoT終端芯片能夠做到低至1美元。
NB-IoT頻率部署方案及建議
NB-IoT 頻率部署方式
3GPP定義了NB-IoT的3種部署場景：獨立部署（Stamd-alone）、保護帶部署（Guard-band）和帶內部署（In-band）（見圖1）。
- 獨立部署主要是利用現網的空閑頻譜或者新的頻譜部署NB-IoT。
- 保護帶部署是利用現網的LTE網絡頻段的帶寬，最大化頻譜資源利用率。
- 帶內部署是利用現網LTE網絡頻段中的RB以部署NB-IoT。
運營商可用頻率分析
由于目前TD-LTE暫不支持NB-IoT，只能部署在FDD頻段上。已經授權的FDD頻段主要有運營商A的CDMA 800 MHz和LTE 1.8/2.1 GHz、運營商B的（E）GSM900MHz和DCS1.8GHz、運營商C的GSM900MHz、DCS 1.8 GHz、LTE 1.8 GHz、WCDMA 2.1 GHz。具體如表1所示。
運營商部署NB-IoT可以基于現有的4G頻段或現有的2G、3G頻段（如使用2G、3G頻段部署NB-IoT，必須先獲得國家主管部門的許可），也可以向國家申請新的頻段部署，但申請新的頻段部署不僅難度大，而且在工程實施上有可能無法基于現網平滑升級。
頻率部署建議
部署頻段的建議
NB-IoT由于其自身的技術特性，能夠實現良好的廣覆蓋和深度覆蓋。不管是哪個頻段，只要運營商在該頻段的2G、3G或4G網絡實現了較好的覆蓋，那么基于該頻段和現有的基站資源來部署NB-IoT網絡，就能實現廣覆蓋和深度覆蓋的目標。但是，考慮到如下2個問題：頻段越低，覆蓋越好，建網成本也就越低；隨著4G網絡的規模部署和VoLTE業務的逐步商用，2G、3G網絡的業務將逐步向4G網絡遷移，2G、3G網絡的頻率將逐步騰退。建議優先在低頻段部署NB-IoT 網絡，如CDMA800 MHz和（E）GSM 900 MHz頻段，對于低頻段部署存在某些特殊情況的區域，也可在1.8 GHz頻段部署。
頻率部署方式的建議
保護帶部署
運營商對2G、3G低頻段重耕LTE的初期，由于頻率資源的限制和用戶容量的需求，往往只考慮部署1.4或3 MHz帶寬的LTE，待業務完全遷移后，再將LTE升級到5 MHz 甚至是10 MHz 的帶寬。但是，目前LTE1.4和3 MHz帶寬并不支持保護帶部署方式，而且NBIoT頻點位于LTE保護帶內，2個系統的容量都會受到影響。因此，建議NB-IoT部署初期，不考慮該方案。
帶內部署
將NB-IoT部署于LTE頻段內，占用一個RB的帶寬。帶內部署方式中，2個系統的頻帶相鄰，2個系統間的相互影響程度比保護帶部署方式更大。為了避免干擾，3GPP定義NB-IoT頻譜和相鄰LTE RB的功率譜密度不應該超過6 dB。由于PSD的限制，在帶內場景中NB-IoT的覆蓋相對受限。當NB-IoT 與LTE 非全網1∶1 共站部署時，存在NB-IoT與LTE間的同頻干擾，需合理設置隔離帶。
獨立部署
對于CDMA 800M頻段，283號頻點與880 MHz之間有895 kHz帶寬的頻譜未被利用，可在該頻段內獨立部署NB-IoT。根據運營商A目前800 MHz頻率重耕策略，初期最多將7個CDMA載頻（37、78、119、160、201、242、283號載頻）的中間段78、119、160和201這4個CDMA載頻重耕成LTE。因此，在CDMA上邊界處的空閑頻率上部署NB-IoT，不僅可以充分利用頻率資源，還不存在NB-IoT與LTE的同頻干擾，只是需要考慮NB-IoT與CDMA、軍隊CDMA等異系統干擾共存問題。
對于（E）GSM 900 MHz 頻段，GSM 載波帶寬為200 kHz，NB-IoT載波帶寬為180 kHz，可以將騰退部分GSM頻點用于NB-IoT部署。該方式可在無LTE系統時部署，但需要在NB-IoT和GSM系統間預留100～300 kHz 作為隔離帶。具體選擇部署在（E）GSM 900MHz的哪個位置，可結合與GSM-R、CDMA、GSM等系統間的干擾來確定。
NB-IoT網絡部署及建議
運營商現有低頻段網絡分析
運營商A：其低頻段800 MHz網絡承載了現在的2G、3G 業務，網絡具有廣覆蓋和深度覆蓋的比較優勢。工信部無函［2016］193號文同意運營商A將800MHz頻段開展LTE組網。
運營商B：900 MHz頻段是運營商B的2G頻段之一，帶寬24 MHz（含GSM-R 4 MHz）。目前在該頻段上重耕LTE暫未獲得政府主管部門的批準，但出于建設NB-IOT的需要，預計2016年底可獲得該頻段的LTEFDD牌照。
運營商C：900 MHz頻段是運營商C的2G頻段之一，帶寬只有6 MHz。工信部無函［2016］194號文同意運營商C在多個省市，針對900 MHz頻段開展LTE技術試驗。但對于運營商C而言，其在900 MHz頻段上只有6MHz帶寬資源，組網方式的選擇會是個難題。
網絡部署方案建議
方案1：先LTE 后NB-IoT
基本思路
在低頻段2G、3G 頻率具備騰退條件和重耕LTE獲得許可的情況下，建議在部署低頻段LTE網絡的同時，要求網絡同步具備承載NB-IoT的能力。這樣就能通過低頻段LTE網絡平滑升級，支持NB-IoT 業務部署。
實施方案
低頻段重耕LTE網絡可以實現近似該頻段2G、3G網絡的覆蓋水平，基于重耕后的LTE 網絡部署NBIoT，有2種方式：NB-IoT與LTE站點1∶1建設，一步到位；充分利用NB-IoT 20 dB的覆蓋增益，選取LTE覆蓋站升級到NB-IoT，實現和LTE網絡近似的覆蓋。后期有容量需求時，根據不同場景，選取相應LTE站點升級到NB-IoT。
由于投資主要發生在重耕LTE 階段，建議采用NB-IoT與LTE站點1∶1建設方式。
方案2：先NB-IoT 后LTE
基本思路
如果短期內無法在低頻段騰退足夠頻率支持部署LTE，可以先在低頻段內建設對帶寬要求較低的NB-IoT網絡，要求同步具備升級到LTE的能力。待頻率條件具備時，通過平滑升級，實現低頻段LTE網絡部署。
實施方案
據調研，運營商現有的2G 網絡中，只有極少數GSM 設備可支持G/N/F 雙通道，可升級至NB-IoT 和LTE，部分GSM 設備支持G/N 單通道，可升級至NBIoT，其他設備是不支持直接升級至NB-IoT或LTE，只能采用替換或新建方式。采用先升級至NB-IoT，再在重耕LTE階段替換原有設備方式，投資主要發生在重耕LTE階段，建議NB-IoT與現有站點1∶1建設；采用替換或新建方式直接部署NB-IoT時，投資主要發生在NB-IoT部署階段，建議充分利用NB-IoT 20 dB的覆蓋增益，選取覆蓋站部署NB-IoT，后期重耕LTE后再對非NB-IoT站進行升級。
方案3：LTE 和NB-IoT 同時部署這種方案比較簡單，在低頻段2G、3G 網絡重耕LTE的同時，同步部署NB-IoT。是方案1的一種特殊情況。
按照目前的計劃，3GPP和CCSA關于NB-IoT的所有標準將在未來幾個月全部完成，運營商對NB-IoT的試點和部署的規模和范圍也將不斷擴大。對于NB-IoT網絡在部署前和部署過程中可能出現的一些問題，本文開展了有針對性的研究，闡述NB-IoT各種頻率部署方式的具體應用方案，并提出了基于現網的NB-IoT網絡部署方案和建議。
