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GSM与NB-IoT覆盖能力的对比分析

范文

王浩年+张立武

【摘要】 GSM（Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统）是当前应用最为广泛的移动电话标准。NB-IoT（Narrow band Internet of Things，窄带物联网）是面向低速率、低时延、超低终端成本、低功耗、海量终端连接的窄带蜂窝物联网技术，其中：覆盖增强是该技术的重要设计目标，NB-IoT要求在GSM基础上增强20dB，MCL达164dB。因此，本文在介绍GSM和NB-IoT的信道后，对两者的覆盖能力进行分析和比较。

【关键词】 GSM NB-IoT 覆盖

一、概述

NB-IoT是3GPP针对低功耗广覆盖（LPWA，Low Power Wide Area）类业务而定义的新一代蜂窝物联网接入技术，主要面向低速率、低时延、超低成本、低功耗、广深覆盖、大连接需求的物联网业务。NB-IoT采用覆盖增强和低功耗技术。NB-IoT在物理层发送方式、网络结构、信令流程等方面做了简化。

覆盖增强是NB-IoT的重要特性，NB-IoT提出了在GSM基础上增强20dB的覆盖目标，即MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合路损）要达到164dB。主要通过提高功率谱密度、重复发送、低阶调制编制等方式实现。

本文首先分析GSM、NB-IoT的原理及特征，研究NBIoT覆盖增强方式，并将GSM、NB-IoT的覆盖能力进行比较分析。

二、GSM、NB-IoT信道简介

2.1 GSM的信道配置

每个小区都有若干载频，每个载频都有8个时隙，也就是提供8个基本的物理信道，在无线子系统中，物理信道支撑着逻辑信道，根据物理信道上传送的消息类型，物理信道映射为不同的逻辑信道。在GSM系统中，逻辑信道可分为业务信道（TCH：Trafic Channel）和控制信道（CCH：Control Channel）。

控制信道的配置：

1、 BCCH（包括FCCH、SCH）是广播控制信道，它们只出现在BCCH载频的0时隙上（Ts0），为下行信道。

2、 SDCCH是独立专用控制信道，一个时隙（Ts）通常可承载8对SDCCH信道，称为SDCCH /8信道。当该小区信令的流量较小时，我们可以把SDCCH、CCCH（包括RACH、PCH、AGCH）同BCCH广播信道组合到Ts0上，此时，该时隙为BCCH+CCCH+SDCCH/4。

其中，BCCH、FCCH、SCH、PCH、AGCH只使用Ts0的下行信道，RACH只使用Ts0的上行信道，SDCCH是上下行成对出现的信道。

当该小区信令的流量较大时，最大可以设置40对SDCCH信道，占用5个时隙，它可以出现在任何载频的Ts0、Ts2、Ts4、Ts6上。值得一提的是，SDCCH可以定义为与TCH互相转换，以节省信道资源。

3、 CCCH（包括RACH、PCH、AGCH）是公共控制信道， CCCH消息块数量设置的多少与该小区所属LAC区的业务量有关，当该LAC区业务量较大时，CCCH可以只和BCCH组合在Ts0上，即BCCH+CCCH；LAC区业务量较小时，小区控制信道可设置成BCCH+CCCH+SDCCH/4的形式。

值得注意的是，一个小区的PCH寻呼信道是面向所属LAC区内所有手机用户的，与本小区容量大小无关，因此，要求每个小区CCCH设置的数量应该是一致的。

4、 SACCH、FACCH都是随路控制信道，它们不单独存在，而是采取“偷帧”的方式伴随着TCH或SDCCH出现。（SACCH可以伴随TCH和SDCCH，FACCH只伴随TCH）

5、 CBCH是小区广播信道，用于广播该小区的一些公共消息（如商业信息、气象信息等），是运营商提供的增值服务。它通常占用SDCCH/8的第三个子时隙，是下行信道，点对多点传播。

业务信道的配置：

业务信道TCH的配置比较简单，可以根据小区话务量的大小合理配置。

2.2 NB-IoT 物理信道

NB-IoT 目前只在FDD 有定義，终端为半双工方式。NB-IoT 上下行有效带宽180KHz，下行采用OFDM，子载波带宽与LTE 相同，为15KHz；上行有两种传输方式：单载波传输（Single-tone）、多载波传输（Multi-tone），其中Single tone 的子载波带宽包括3.75KHz 和15KHz两种，Multi-tone 子载波间隔15KHz，支持3、6、12 个子载波的传输。alone）、保护带部署（Guardband）、带内部署（In band）。

Standalone部署在LTE带宽之外，Guard band部署在LTE的保护带内，In-band占LTE的1个PRB资源，需保证与LTE PRBs的正交性。

Standalone可独立设置发射功率，例如20W，Guard band、In-band的功率与LTE功率有关系，通过设置NB-IoT NRS（Narrow band Reference Signal，窄带参考信号）与LTE CRS（Common Reference Signal，公共参考信号）的功率差，设定NB-IoT 的功率，目前协议定义可设置NRS比CRS最大高9dB，实际Power boosting的大小需根据设备的发射能力而定。

NB-IoT 子帧结构与LTE FDD 相同，引入了新的参考信号NRS 和新的主辅同步信号（NPSS/NSSS：Narrowband Primary Synchronization Signal/Narrowband Secondary Synchronization Signal），支持单端口和双端口两种发射模式。NB-IoT定义的物理信道如下表所示。

与LTE 相比，NB-IoT取消了PCFICH、PHICH和PUCCH信道，不支持CSI的上报，NB-IoT下行未引入控制域的概念，NPDCCH占用资源方式与NPDSCH类似，NPUSCH的ACK/NACK反馈信息在NPDCCH中指示，NPDSCH的ACK/NACK反馈信息在NPUSCH format2中反馈。

NB-IoT以上行业务为主，需要重点关注NPUSCH信道的承载能力和覆盖能力。

三、GSM和NB-IoT覆盖能力分析

3.1 概述

NB-IoT的覆盖目标是MCL 164dB，比GSM覆盖增强20dB。NB-IoT的覆盖增强，主要是通过提升上行功率谱密度，重复发送实现。NB-IoT三种工作模式都可以达到该覆盖目标。

下行方向上，Standalone独立部署的功率可独立配置，In-band带内部署及Guard band的功率受限于LTE的功率，因此In-band及Guard ban需更多重复次数才能达到与Standalone同等覆盖水平，在相同覆盖水平下，Standalone 的下行速率性能优于另两者；上行方向上三种工作模式基本没有区别。

3.2 功率谱密度对覆盖能力的影响分析

NB-IoT独立部署，下行发射功率可独立配置，例如20W，此时NB-IoT功率谱密度与GSM相同，但比LTE FDD功率谱密度高14dB左右。In-band 带内部署及Guard band保护带内部署时，可以配置NB-IoT与LTE的功率差，例如NB-IoT比LTE功率高6dB，此时NB-IoT下行功率仍比GSM功率低8dB。

NB-IoT上行终端最大发射功率比GSM低10dB，但由于NB-IoT最小调度带宽为3.75K或15K，因此NB-IoT上行功率谱密度比GSM高0.8～6.9dB。

除了功率谱密度上有所变化外，覆盖增强还通过重复发送及跳频实现。

3.3 链路预算结果

本章节以密集城区Hata模型为例计算各信道覆盖距离，并与GSM、FDD LTE作对比。在同等环境下，GSM/LTE覆蓋半径约0.6～0.7km，NB-IoT覆盖半径约2.65km，是GSM/ LTE的4倍左右。

实际在做网络规划时，需综合考虑上行速率目标、干扰余量、穿透损耗、覆盖率、物联网终端功耗等因素规划覆盖半径。

NB-IoT 覆盖增强可用于提升网络覆盖能力、提升覆盖率或降低站址密度以降低网络建设成本。

四、总结

本文总结了GSM和NB-IoT各物理信道的原理及特征，分析两者的覆盖能力及差异。

链路预算结果表明，NB-IoT覆盖半径约是GSM/LTE的4倍，NB-IoT覆盖增强可用于提高物联网终端的深度覆盖能力，也可用于提高网络的覆盖率，或者减少站址密度以降低网络成本等。

本文还对NB-IoT Standalone、Guard band及In-band部署方式的覆盖能力作了分析，三种部署方式通过不同的重复次数，都可以满足MCL 164dB的覆盖目标，但由于Guard band及In-band功率受限于LTE FDD系统功率，其功率比Standalone低5dB或8dB，因此为了达到同等下行覆盖能力，需更多重复次数，此时下行速率比Standalone低；上行方向三者差别不大。

NB-IoT系统带宽180KHz，Standalone不依赖于FDD LTE 网络，可独立部署。

参考文献

[1] 3GPP.RevisedWorkItem：NarrowbandIoT（NB-IoT）：3GPPRP-152284[S].3GPP，2015

[2] 3GPP.Technical Specification Group Services and System Aspects； General Packet Radio Service（GPRS） Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） Acce ss，V13.8.0：3GPPTS23.401[S].3GPP，2016

[3]樊世清、于泽、郭红军，论物联网对供应链管理的影响，中国经贸导刊2009年第19期，66

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