基于理论和实测的NB-IOT覆盖分析

佘 莎 黄嘉铭



基于理论和实测的NB-IOT覆盖分析

佘 莎 黄嘉铭

广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510000

NB-IoT是一种低成本的高可靠性、高安全性广域物联网技术，具有广覆盖、大连接、低功耗、低成本等特点，逐渐受到运营商的青睐。目前，主流运营商都在加紧研究和部署NB-IoT网络。基于此，重点对NB-IoT网络的覆盖性能进行了研究分析，通过理论链路预算、仿真分析、实际测试等多种手段，掌握NB-IoT的覆盖能力，对后续的商用网络部署提供参考。

NB-IoT；链路预算；仿真

1 研究背景和意义

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其应用场景广泛，发展潜力巨大。智慧家庭、车联网、公用事业等是运营商物联网的最佳行业切入点。

移动物联网按照不同的支持速率，可以分为低速率、中速率、高速率三大类，其中低速率场景最常见，占比在60 %～70 %。NB-IoT是低速率广覆盖场景中的一种网络接入技术，相对短距通信、私有技术优势明显，它是3GPP定义的标准制式，可与现蜂窝网融合演进，是一种低成本的高可靠性、高安全性广域物联网技术。

目前，主流运营商都在加紧研究和部署NB-IoT网络。提前了解掌握NB-IOT的覆盖能力，有助于帮助运营商快速部署NB-IoT网络。

2 NB-IoT覆盖分析：链路预算

同传统LTE网络一样，NB-IoT仍然是上行链路受限系统，覆盖距离按上行链路预算计算。在链路预算过程中，需要重点考虑物联网终端所处位置对穿透损耗预留的影响，某些场景下，NB-IoT信号甚至要求穿透室内两堵墙。因此，在做覆盖链路预算分析前，有必要针对物联网用户所处的位置，进行穿透损耗的实测，以确定链路预算中的穿透损耗取值。

2.1 实测穿透损耗

为了解NB-IoT网络究竟要比普通大网预留多少额外穿透损耗，测试水/电表安装场景相对于正常打电话场景（不是指主干道或室内）穿透损耗的差异，我们针对水表/电表进行了实际测试，测试场景包含城中村、高层住宅、停车场、写字楼等。见表1。

穿透损耗测试方法：

（1）在用户正常拨打电话位置记录测量信号强度平均值；

（2）在电表安装位置记录测量信号强度平均值；

（3）上述记录的两值差值即为平均穿透损耗。

从现网测试情况看，不同场景损耗各有不同，平均穿透损耗最大平均17.8 dB，NB-IoT的20 dB+覆盖能力增强需考虑这部分穿透损耗。

表1

测试场景正常打电话位置测量信号强度（平均）dBm电表安装位置测量信号强（平均）dBm平均差值（dB）最大差值（dB） 城中村（电表安装在室内）-73.2-89.416.225.0 高层住宅-54.0-71.817.826.0 停车场-80.0-96.016.016.0 高层住宅楼，电表安在1F强电井内-52.8-62.09.320.0 城中村，电表安装在1F室外外墙-64.7-66.21.59.0 写字楼，电表安在1F室外外墙-72.5-74.52.04.0

2.2 链路预算结果

以密集市区为例（见表2）：

表 2

系统参数NB-IOT（两堵墙）NB-IOT（两堵墙） NB-IOT（2T2R）NB-IOT（2T4R）NB-IOT（2T2R）NB-IOT（2T4R） 边缘速率（kbps）0.20.20.40.4 MIMO配置1×21×41×21×4 子载波带宽（MHz）0.0150.0150.0150.015 移动台最大发射功率（dBm）23232323 Tx Power/Subcarrier （dBm）23232323 MCSQPSKQPSKQPSKQPSK 基站天线增益（dBi）15151515 基站馈线及接头损耗（dB）1111 接收机噪音系数（dB）3333 热噪音谱密度（dBm/Hz）No=KT-174-174-174-174 SINR（dB）-12.6-12.6-6.6-6.6 基站灵敏度/Subcarrier（dBm）-141.84-141.84-135.84-135.84 MCL（dB）164.84164.84158.84158.84 干扰余量（dB）2222 分集增益（dB）0303 面积覆盖概率0.990.990.990.99 正态衰落余量（dB）19.419.419.419.4 穿透损耗（dB）42424242 MAPL（dB）115.44118.44109.44112.44

关键参数取值说明：

（1）上行边缘速率：3GPP 要求的NB-IoT系统设计目标最低上行边缘速率为160 bps，考虑不同业务对速率要求有所不同，本次链路预算里分别按照200 bps和400 bps进行上行边缘速率取值。

（2）MIMO配置：分别按照上行两接收和上行四接收进行预算。

（3）子载波带宽：3GPP协议定义了NB-IoT上行子载波带宽可以设置为3.75 kHz或者15 kHz，其中3.75 kHz不支持multi-tone，而15 kHz可以支持多个子载波绑定。在正常的深度覆盖时，15kHz由于允许多个子载波绑定，速率较3.75 kHz有明显优势。本次链路预算按照上行子载波15 kHz进行。

（4）移动台最大发射功率（dBm）：NB-IoT终端和普通LTE终端一致，最大发射功率23 dBm。

（5）Tx Power/Subcarrier（dBm）：每子载波发射功率，取终端全部发射功率承载在一个子载波上，即23 dBm/子载波。

（6）面积覆盖概率：取值需根据运营商对物联网业务的覆盖要求来定，通常NB-IoT的覆盖要求要高于普通LTE业务，这里按99 %取值。

（7）穿透损耗：密集市区一堵墙穿透损耗取值22 dB，NB-IoT再额外穿透一堵墙20 dB，这里两堵墙的穿透损耗合计取值42 dB。

链路预算结果：

上行边缘速率200 bps，NB-IoT最大MCL可以达到164 dB，密集市区，能够穿透两堵墙损耗，达到99 %面覆盖率，上行采用2R接收情况下，最大允许路径损耗115 dB，上行采用4R接收情况下，最大允许路径损耗118 dB。

上行边缘速率400 bps，NB-IoT最大MCL可以达到158 dB，密集市区能够穿透两堵墙损耗达到99 %面覆盖率，上行采用2R接收情况下，最大允许路径损耗109 dB，上行采用4R接收情况下，最大允许路径损耗112 dB。

3 NB-IoT覆盖分析：仿真

在NB-IoT标准协议上定义了相对LTE 20 dB+的覆盖增强。理论上20 dB可以用于增强深度覆盖、提高覆盖率或增加单站覆盖面积。本次仿真区域站点共58个，NB-IoT站点与现网LTE站点按照1∶1共站址部署，站间距590 m。

3.1 仿真参数

（1）FrequencyBand：869 NB-IoT–0.2 MHz；

（2）Total Loss（DL）：0.5 dB；

（3）天线端口数：2；

（4）RS Power：2×5 W场景：29.2 dBm；

（5）穿透损耗： 室外、室内、室内+10 dB、室内+20 dB。

3.2 仿真结果

采用2×5 W发射功率，与现网LTE站点按照1∶1共站址部署，覆盖率仿真结果如下：

（1）NB-IoT站点按与现网1∶1的比例部署，室外RSRP>-125 dBm的覆盖率达到100 %，满足覆盖率大于99 %的部署要求；

（2）NB-IoT站点按与现网1∶1的比例部署，室内RSRP>-125 dBm的覆盖率达到99.96 %，满足覆盖率大于99 %的部署要求；

（3）NB-IoT站点按与现网1∶1的比例部署，室内两堵墙（1堵厚墙+1堵薄墙）RSRP>-125 dBm的覆盖率达到99.81%，满足覆盖率大于99 %的部署要求；

（4）NB-IoT站点按与现网1∶1的比例部署，室内两堵墙（1堵厚墙+1堵厚墙）RSRP>-125 dBm的覆盖率达到97.33 %，不能满足覆盖率大于99 %的部署要求。

表3

与现网站点比例场景RSRP大于-105dBm覆盖率（%）RSRP大于-115dBm覆盖率（%）RSRP大于-120dBm覆盖率（%）RSRP大于-125dBm覆盖率（%） 1：1室外99.91100100100 室内97.2699.8199.8999.96 室内+1090.0797.3399.3399.81 室内+2081.4690.1394.4197.33

4 NB-IOT覆盖分析：典型业务实测结果

（1）测试应用场景：水表、电表、气表；

（2）测试区域：室外、弱电井、楼内水井表、地下1层等；

（3）测试结果：在当前测试环境下，当终端距离最近基站400 m，地上基本业务可用，地下不可用；当终端距离最近基站520 m，在弱电井内，业务不可用。该结论基于一定测试场景和数量得出，场景未全遍历，与其他实际场景可能存在差异[1]。

5 结束语

NB-IoT是广覆盖网络，较大网有20 dB+的增益，但是不同NB-IoT业务要求的覆盖深度不同，对于常见的抄表类业务，终端往往安放在地下室、弱电井等较为隐秘处，对深度覆盖要求高，NB-IoT网络的部署甚至要求比大网更密。建议从物联网需求角度出发，同时结合现有无线网络架构，统筹规划部署NB-IoT。

表4

区域应用场景基站距离（m）楼高（层）典型场景/穿透损耗结果 1水表30～1726室外1楼墙表基本业务可用 2电表或气表20017（1）弱电井；（2）地下1层墙表 基本业务可用 3电表或气表3206弱电井（室内无法进入，故把弱电井作为典型场景）基本业务可用 4水表40024（1）楼内水表井（2）地下水泵房地上基本业务可用，地下不可用 电表弱电井门的穿透损耗10 dB 气表楼体的穿透损耗19dB 5水表或电表48030弱电井（室内无法进入，故把弱电井作为典型场景）地上基本业务可用，地下不可用 弱电井门的穿透损耗6dB 6水表或电表52032弱电井（室内无法进入，故把弱电井作为典型场景）不可用

[1]卢斌.NB-IoT物联网覆盖增强技术探讨[J].移动通信，2016，40（19）：55-59.

Analysis of NB - IOT Coverage Based on Theory and Measurement

She Sha Huang Jiaming

Guangdong Telecom Planning & Design Institute Co.，Ltd.,Guangdong Guangzhou 510000

NB-IoT is a kind of low-cost high-reliability，high-security wide-area Internet of Things technology，with wide coverage，large connections，low power consumption，low cost and other characteristics，favored by the operators.At present，the mainstream operators are stepping up research and deployment of NB-IoT network.In this paper，the coverage of NB-IoT network is studied and analyzed，and the coverage ability of NB-IoT is grasped by means of theoretical link budget，simulation analysis and practical testing.The wireless network planning proposal is proposed，and the subsequent commercial network deployment for reference.

NB-IoT；Link Budget；Simulation

TM714.3

A

1009-6434（2016）12-0072-03

佘莎，助理工程师，2008年毕业于北京邮电大学，获工学硕士学位。现在广东省电信规划设计院有限公司电信咨询设计院从事无线网络咨询、规划设计和优化工作。黄嘉铭，工程师，2007年毕业于北京邮电大学，获工学硕士学位。现在广东省电信规划设计院有限公司电信咨询设计院从事无线网络咨询、规划设计和优化工作。