传统蜂窝网对NB-IoT物联网性能的影响

从分析 NB-IoT 物联网技术开始，介绍了 NB-IoT 系统的物理层以及与其他系统的共存 情况、介绍了 LTE 系统和 GSM 系统，以及分析了它们对 NB-IoT 物联网系统影响研究必要性。 主要研究了 LTE 系统对 NB-IoT 物联网系统的影响，分为 stand-alone、guard-band 和 in-band 三 种场景，分析了吞吐量损失情况和 SINR 损失情况；研究了 GSM 系统对 NB-IoT 物联网系统的影 响，同样计算了吞吐量损失和 SINR 损失情况。通过以上研究表明；传统蜂窝网对 NB-IoT 物联 网系统的影响很小。

NB-IoT（窄带物联网）是 3GPP 引入的新功能， 未来无线系统的部署中，NB-IoT 系统将与相同地 理区域内的其他无线通信系统相邻，以便改善频谱资源的使用。同时，由于通信设备发送器、接收器 的非线性特性，可能发生两个系统之间的相互干扰 影响 [1]。考虑系统间的共存影响对于频谱规划以及 如何实施网络规划以提高系统容量和频谱利用率非 常重要。

1  NB-IoT 物联网

1.1  NB-IoT 物联网系统 NB-IoT 系统是由 3GPP 组织定义的 CIoT 接入 技术。作为 LTE-M 的补充，NB-IoT 提供了完整的 CIoT 解决方案 [2]。与传统的蜂窝网络系统相比， NB-IoT 系统具有以下特征。 

（1）改善室内覆盖，在现有的蜂窝网络系统 上具有 20 dB 的覆盖增强。 

（2）支持大规模低吞吐量设备。 

（3）支持低复杂度的设备。 

（4）支持低功耗设备。 

（5）支持低延迟灵敏度。

1.2  NB-IoT 物联网与其他系统共存 NB-loT 系统支持三种不同模式的部署方案如下： 

（1）stand-alone 场景，占用独立频谱资源的 独立场景，例如使用 GERAN 系统的频谱，替换一 个或多个 GSM 载波。 

（2）in-band 场景，在正常 LTE 系统载波中占 用资源块的带内场景。 

（3）guard-band 场 景， 保 护 频 带 场 景 占 用LTE 系统保护频带内未使用的资源块。

2  LTE 系统对 NB-IoT 物联网系统的影响研究 长期演进（LTE）是由 3GPP 组织开发的 UMTS 技术标准的长期演进计划。

2.1  影响评估准则 对于 LTE 系统的上行链路和下行链路，如果 相对吞吐量损失小于 5%，则认为满足共存性能 损失要求。吞吐量损失通过观察 ACLR 曲线判断 LTE 系统的性能损失。首先，在模拟单系统吞吐量 Thrsingle 后，引入 NB-loT 系统的相应链路干扰， 此时获得 LTE 系统的吞吐量，NB-IoT 系统产生的 系统吞吐量损失计算如式（1）所示： Throughputloss=1-Thrmulti/Thrsin gle （1） 通过 SINR、曲线观察 NB-IoT 系统的性能。首先， 模拟单个系统的 SINR 曲线，并引入相应 LTE 系统 的链路影响。类似地，获得 NB-IoT 系统的 SINR 曲 线，与无影响情况相比，观察影响情况下 SINR 曲 线损失表明，如果 SINR 的损耗小于 1dB，则可满 足系统共存的性能指标。

2.2  计算参数 从大规模共存场景的角度来看，stand-alone 场 景中，需考虑 NB-IoT、LTE 系统的上、下行链路共 存影响，in-band、guard-band 场景中，考虑 NB-IoT 系统和上行链路处的 LTE 系统共存影响情况。

2.3  结果分析 2.3.1  stand-alone 场景下行链路仿真结果 独立场景中，载波频率为 900 MHz、2 000 MHz。 在下行链路上，NB-loT 系统的子载波间隔统一为 20 kHz，下行链路共存情况如表 2 所示。

（1）频率为 900MHz 计算 LTE 系统的吞吐量损失。图 1 显示了载波 频率为 900 MHz 时 LTE 系统的吞吐量损失模拟结果。 NB-IoT 系统通过估计共存情况下的系统组件损耗标 准来评估 NB-IoT 系统的 SINR 分布，图 2 显示了载 波频率为 900 MHz 时 NB-IoT 系统的 S1NR 分布。

（2）频率为 2 000 MHz当载波频率为 2 000 MHz 时，LTE 系统的共 存影响的吞吐量损失如图 3 所示。当载波频率为 2 000 MHz 时，NB-IoT 系统的共存干扰的 SINR 分 布如图 4 所示。

4 LTE 系统下行链路 SINR 损失，2 000 MHz 在 NB-IoT、LTE 系统共存仿真平台上，运行 时仿真程序，统计影响结果是双向的。 GSM 系统 BS 模板可应用于 NB-IoT 系统，且在 LTE 系统的干扰带内，NB-IoT 系统中心频率的频率 补偿被认为大于 600 kHz 并且等效 ACLR 被认为大于 60 dB。因此，LTE 系统吞吐量损失小于 1%。虽然假 设 GSM 系统的 UE ACS 适用于 NB-loT 系统，但在 LTE 系统的影响带宽内，NB-loT 系统中心频率的频率补偿 大于 600 kHz 且等效 ACS 被认为大于 58 dB。因此， NB-loT 系统的 SINR 与没有影响的 SINR 损耗相比较小。 上述分析表明，NB-loT 系统和 LTE 系统可在 独立场景下在下行链路上共存，并且在共存时满足 系统性能要求。

2.3.2  stand-alone 场景上行链路仿真结果 stand-alone 场 景 中， 载 波 频 率 为 900 MHz、 2 000 MHz，链接共存如表 3 所示。

假设 NB-IoT 系统的 UE ACLR 在 LTE 影响系 统的带宽内是平坦的，且具有 40 dB 的值。从仿真 结果来看，LTE 系统吞吐量损失小于 5％。在 LTE 系统的影响带宽内，NB-IoT 系统中心频率的频率 补偿大于 600 kHz，并且等效 ACLR 大于 60 dB。因 此，NB-IoT 系 统 single-tone、multi-tone 传 输 下， LTE 系统的吞吐量损失都很小。

假设 GSM 系统的 BS ACS 适用于 LTE 系统干扰带宽内的 NB-IoT 系统，NB-IoT 系统中心频率的频 率补偿大于 600 kHz，等效 ACS 大于 58 dB 。因此， NB-IoT 系统 single-tone、multi-tone 传输下，NB-IoT 系统的 SINR 损耗都是小的。

根据以上分析，如果 NB-IoT 系统的 ACLR 大于 40 dB 且 ACS 大于 40 dB，则 stand-alone 场景中 NBIoT、LTE系统间的上行链路共存时，可满足性能要求。

2.3.3  guard-band 场景仿真结果 guard-band 场景中，NB-IoT、LTE 系统间的共 存与 stand-alone 场景有些不同，表 4 为 NB-IoT、 LTE 系统共存的场景。

从仿真结果可看出，NB-IoT、LTE 系统的性能 参数处于允许范围内，且 NB-IoT、LTE 系统可在 保护频带场景中共存。

stand-alone 场景下行链路情况下，LTE 系统吞吐量损失都小于 1%。NB-loT 系统的 SINR 与没有影响的 SINR 损耗相比较小。stand-alone 场 景上行链路情况下，NB-IoT 系统 SINR 损耗很小。 guard-band 场景下，NB-IoT、LTE 系统的性能下降 在设置泄漏模型中处于允许范围内，且 NB-IoT、 LTE 系统可在保护频带场景中共存。in-band 场景下，NB-IoT、LTE 系统的性能下降在允许范围内， NB-IoT、LTE 系统可在设置泄漏模型中的 in-band 场景中共存。

NB-IoT、GSM 系 统 可 在 stand-alone 场 景中在下行链路上共存。NB-IoT 系统的 UE ACLR 在 GSM 系统的干扰带内是平坦的，其值为 20 ～ 25 dB， NB-loT、GSM 系统可在 Stand-alone 场景中在上行 链路中共存。

本文作者：于晓阳

关键词：nb-iot dtu