皮和平

【摘 要】為了支撐高速增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，運(yùn)營(yíng)商需快速部署網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)NB-IoT在覆蓋、功耗、連接數(shù)、成本等方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行比較，分析了NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)，并以中國(guó)電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署為例，研究了NB-IoT總體架構(gòu)、部署場(chǎng)景和部署頻段，提出了NB-IoT的覆蓋、容量、基站側(cè)及核心網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) LPWA NB-IoT

1 引言

2016年9月，國(guó)內(nèi)移動(dòng)電話用戶數(shù)達(dá)到13.16億戶，滲透率為96%。未來(lái)移動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展空間有限，運(yùn)營(yíng)商紛紛瞄準(zhǔn)廣闊的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)空間。目前全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，預(yù)計(jì)2020年連接數(shù)為160億，年復(fù)合增長(zhǎng)率為18%，物聯(lián)網(wǎng)成為運(yùn)營(yíng)商確定的高增長(zhǎng)業(yè)務(wù)。我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商近期均制定了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展策略，其中中國(guó)電信把物聯(lián)網(wǎng)確定為電信五個(gè)重點(diǎn)業(yè)務(wù)發(fā)展方向之一，計(jì)劃2017年商用。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，LPWA（Low Power Wide Area，低功耗廣域技術(shù)）占據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的半壁江山，業(yè)務(wù)份額超過(guò)60%，典型業(yè)務(wù)包括抄表、智能停車、農(nóng)林漁牧、資產(chǎn)跟蹤等?；诖耍疚姆治隽薔B-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）的關(guān)鍵技術(shù)，并從NB-IoT總體架構(gòu)、部署場(chǎng)景、部署頻段、覆蓋、容量、基站側(cè)及核心網(wǎng)等方面對(duì)中國(guó)電信的物聯(lián)網(wǎng)部署策略進(jìn)行了探討。

2 LPWA技術(shù)選擇

非蜂窩的LPWA發(fā)展較早，如LoRa、SigFox。這些技術(shù)基于非授權(quán)頻譜，存在干擾問(wèn)題，且傳輸安全性低。支持廠家大多為非主流通信廠商，無(wú)法形成規(guī)劃市場(chǎng)效應(yīng)。此外，運(yùn)營(yíng)商對(duì)低功耗、低成本、低速率、廣/深覆蓋方面需求強(qiáng)烈，LoRA、SigFox存在不足，因此不能充分滿足要求。

NB-IoT基于授權(quán)頻譜，與現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)融合演進(jìn)，在覆蓋、功耗、連接數(shù)、成本等方面性能優(yōu)異，符合LPWA類業(yè)務(wù)需求，所以得到了全球主流運(yùn)營(yíng)商的支持，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商也選擇部署NB-IoT。

3 NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)

3.1 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

NB-IoT國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)核心協(xié)議已經(jīng)完成。3GPP已在2016年6月完成NB-IoT核心協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)性能指標(biāo)和終端一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)在2016年12月完成，具體進(jìn)展如圖1所示：

3.2 NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)

（1）廣覆蓋：比GPRS增加20 dB

◆窄帶功率譜密度提升7 dB；

◆2～16次重傳，增益3～12 dB；

◆編碼增益3～4 dB。

（2）低功耗：壽命超10年

◆芯片復(fù)雜度降低，工作電流?。?/p>

◆空口信令簡(jiǎn)化，減少單次數(shù)傳功耗；

◆基于覆蓋等級(jí)的控制和接入，減少單次數(shù)傳時(shí)間；

◆PSM節(jié)能模式，終端功耗僅15 μW；

◆eDRX（擴(kuò)展周期不連續(xù)接收），減少終端監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)的頻度；

◆長(zhǎng)周期TAR/RAU，減少終端發(fā)送位置更新的次數(shù)；

◆只支持小區(qū)選擇和重選的移動(dòng)性管理，減少測(cè)量開(kāi)銷。

（3）大連接：100 k連接數(shù)每小區(qū)

◆頻譜效率高；

◆小包數(shù)據(jù)發(fā)送特征；

◆終端極低激活比。

（4）低成本：模組成本小于5美元

◆180 kHz窄帶系統(tǒng)，基帶復(fù)雜度低；

◆低采樣率，緩存要求?。?/p>

◆單天線，半雙工，RF成本低；

◆峰均比低，功放效率高，23 dBm發(fā)射功率可支持單片SoC內(nèi)置功放；

◆協(xié)議棧簡(jiǎn)化，減少片內(nèi)FLASH/RAM。

4 中國(guó)電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

4.1 NB-IoT總體架構(gòu)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)包括NB-IoT終端、NB-IoT基站、NB-IoT分組核心網(wǎng)、IoT連接管理平臺(tái)和行業(yè)應(yīng)用服務(wù)器。需要新建或升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)基站支持NB-IoT業(yè)務(wù)，部署NB-IoT業(yè)務(wù)專用的EPC，同時(shí)需要新部署IoT連接管理平臺(tái)。

IoT連接管理平臺(tái)的功能是：提供對(duì)各種傳感器、SIM卡的數(shù)據(jù)采集和管理功能，同時(shí)可以把數(shù)據(jù)開(kāi)放給第三方應(yīng)用系統(tǒng)，讓各種應(yīng)用能夠快速構(gòu)建自己的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)如圖2所示。

4.2 頻段設(shè)計(jì)

中國(guó)電信1800 MHz LTE網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國(guó)城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及部分發(fā)達(dá)行政村，計(jì)劃2017年上半年建成覆蓋農(nóng)村及城區(qū)的800 MHz LTE網(wǎng)絡(luò)。

在覆蓋方面，低頻具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)仿真，在滿足相同覆蓋的情況下，NB-IoT 800 MHz覆蓋距離大約是1800 MHz的2倍。在深度、廣度覆蓋方面，800 MHz較1800 MHz深度覆蓋能力提升7～15 dB。因此，采用低頻建網(wǎng)可以有效地降低站點(diǎn)數(shù)量，并提升深度覆蓋。中國(guó)電信優(yōu)先選擇800 MHz頻段部署NB-IoT。

4.3 部署場(chǎng)景設(shè)計(jì)

3GPP定義了NB-IoT的部署場(chǎng)景分別是獨(dú)立部署（Stand-alone）、保護(hù)帶部署（Guard-band）和帶內(nèi)部署（In-band），具體如下：

（1）獨(dú)立部署主要是利用現(xiàn)網(wǎng)的空閑頻譜或者新的頻譜部署NB-IoT；

（2）保護(hù)帶部署是利用現(xiàn)網(wǎng)的LTE網(wǎng)絡(luò)頻段的帶寬，最大化頻譜資源利用率；

（3）帶內(nèi)部署是利用現(xiàn)網(wǎng)LTE網(wǎng)絡(luò)頻段中的RB（Resource Block，資源塊）以部署NB-IoT。

在帶內(nèi)部署方面，NB-IoT頻譜緊臨LTE的RB。為了避免干擾，3GPP定義NB-IoT頻譜和相鄰LTE RB的PSD不應(yīng)該超過(guò)6 dB。由于PSD的限制，在帶內(nèi)場(chǎng)景中NB-IoT的覆蓋相比其他場(chǎng)景更受限。

如圖3所示，中國(guó)電信NB-IoT采用獨(dú)立部署模式，在已經(jīng)授權(quán)CDMA頻率（870—880 MHz）內(nèi)的上邊緣保護(hù)帶部署。

4.4 覆蓋設(shè)計(jì)

（1）覆蓋指標(biāo)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃覆蓋指標(biāo)如下：

◆MR覆蓋率（大于-125 dBm）不低于99%；

◆小區(qū)上行邊緣速率大于210 bps，下行邊緣速率大于670 bps。

（2）覆蓋分析

NB-IoT上行覆蓋受限，上行相對(duì)于LTE增強(qiáng)約20 dB。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中（如抄表），需穿透一層屏蔽，并預(yù)留10～12 dB的覆蓋余量；覆蓋概率需提升至99%，并預(yù)留8 dB余量。因此，NB-IoT與LTE最大路徑損耗相當(dāng)，覆蓋基本一致，建議與LTE基站1：1部署。

4.5 容量設(shè)計(jì)

根據(jù)3GPP TR 45.820定義的NB-IoT話務(wù)模型如表1所示，NB-IoT用戶分布模型如表2所示。

NB-IoT用戶容量規(guī)劃：180 k小區(qū)可以支持5萬(wàn)至10萬(wàn)用戶。

4.6 基站部署設(shè)計(jì)

基站側(cè)可以充分利用現(xiàn)網(wǎng)的LTE站點(diǎn)資源和設(shè)備資源，共站點(diǎn)、共天饋、共射頻，從而達(dá)到快速部署NB-IoT、節(jié)省建網(wǎng)成本的目的。

NB-IoT部署和800 MHz LTE建設(shè)同步考慮，采用設(shè)備平滑升級(jí)方式。RRU（Radio Remote Unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）硬件和接口不變，遠(yuǎn)程軟件升級(jí)，BBU（Building Base band Unit，基帶處理單元）在現(xiàn)有槽位插入控制板卡或升級(jí)支撐NB-IoT。

4.7 核心網(wǎng)設(shè)計(jì)

NB-IoT核心網(wǎng)有兩種方案：一種是通過(guò)現(xiàn)網(wǎng)移動(dòng)核心網(wǎng)網(wǎng)元（MME、SGW/PGW、HSS）升級(jí)支持；另一種是新建NB-IoT核心網(wǎng)絡(luò)。這兩種方案對(duì)比具體如下：

（1）現(xiàn)網(wǎng)影響

現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)：不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)；涉及所有MME（Mobility Management Entity，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）、SGW（Serving GateWay，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）/PGW（PDN GateWay，PDN網(wǎng)關(guān)）、HSS（Home Subscriber Server，歸屬簽約用戶服務(wù)器）升級(jí)改造，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)影響大。

新建網(wǎng)絡(luò)：與現(xiàn)網(wǎng)完全隔離，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)無(wú)影響。

（2）業(yè)務(wù)上線

現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)：需要通過(guò)各種手段將業(yè)務(wù)與現(xiàn)網(wǎng)隔離，業(yè)務(wù)上線速度可能會(huì)受影響。

新建網(wǎng)絡(luò)：業(yè)務(wù)上線速度快。

（3）業(yè)務(wù)發(fā)展

現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)：NB-IoT的業(yè)務(wù)模型、網(wǎng)絡(luò)需求與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)均不同，采用同一張核心網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)相互業(yè)務(wù)發(fā)展造成影響；未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)擴(kuò)大，現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備需不斷擴(kuò)容。

新建網(wǎng)絡(luò)：NB-IoT單獨(dú)配置話務(wù)模型，專網(wǎng)發(fā)展業(yè)務(wù)；新建網(wǎng)絡(luò)基于虛擬化架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)快速縮容/擴(kuò)容、故障隔離、恢復(fù)和容災(zāi)機(jī)制。

（4）商務(wù)分析

現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)：現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備集采價(jià)格較物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)設(shè)備價(jià)格高。

新建網(wǎng)絡(luò)：價(jià)格低；新建網(wǎng)絡(luò)不受限于現(xiàn)有廠家分布，靈活度大。

綜上所述，若采用新建網(wǎng)絡(luò)方案，核心網(wǎng)與現(xiàn)網(wǎng)完全隔離，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)無(wú)影響；業(yè)務(wù)上線速度快；有利于以后業(yè)務(wù)發(fā)展；商務(wù)價(jià)格具有優(yōu)勢(shì)，新建網(wǎng)絡(luò)不受限于現(xiàn)有廠家分布，靈活度大。因此，中國(guó)電信NB-IoT核心網(wǎng)采用新建集約化平臺(tái)方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先比較了NB-IoT在覆蓋、功耗、連接數(shù)、成本等方面的優(yōu)勢(shì)，分析了NB-IoT廣覆蓋、低功耗、大連接、低成本的關(guān)鍵技術(shù)；然后以中國(guó)電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署為例，研究了NB-IoT總體架構(gòu)、部署場(chǎng)景和部署頻段；最后提出了NB-IoT的覆蓋、容量、基站側(cè)及核心網(wǎng)設(shè)計(jì)方案?？紤]NB-IoT與LTE最大路徑損耗相當(dāng)，覆蓋基本一致，建議與LTE基站1：1部署。在800 MHz LTE建設(shè)中同步考慮NB-IoT部署，采用設(shè)備平滑升級(jí)方式，RRU硬件和接口不變，遠(yuǎn)程軟件升級(jí)，BBU在現(xiàn)有槽位插入控制板卡或升級(jí)支撐NB-IoT，核心網(wǎng)采用新建集約化平臺(tái)方案。隨著中國(guó)電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的商用，將帶動(dòng)智能抄表、智能停車、智能追蹤、智能家居、智能城市、智能制造等領(lǐng)域的應(yīng)用，從而創(chuàng)造良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳博，甘志輝. NB-IoT商業(yè)價(jià)值及組網(wǎng)方案研究[J]. 移動(dòng)通信， 2016，40（13）： 42-46.

[2] 趙靜. 低速率物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 移動(dòng)通信， 2016，40（7）： 27-30.

[3] 劉軍，閻芳，楊璽. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2013.

[4] 戴國(guó)華，余俊華. NB-IoT的產(chǎn)生背景、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究[J]. 移動(dòng)通信， 2016，40（7）： 31-36.

[5] 塞穆?tīng)枴じ窳旨拥? 物聯(lián)網(wǎng)[M]. 北京： 中信出版社， 2016.

[6] International Telecommunication Union （ITU）. The Internet of Things[R]. 2005.

[7] 吳瓊，薛楠. 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響研究[J]. 移動(dòng)通信， 2010，34（21）： 57-60.

[8] 東輝，唐景然，于東興. 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)綜述[J]. 通信技術(shù)， 2014（11）： 1233-1239.

[9] 馬剛，楊大偉，葛雯. 淺析電信運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展策略[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2012（6）： 8-11.

[10] 周偉康，馬清龍. 淺析無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新[J]. 通訊世界， 2015（2）： 20-21.