（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司山東分公司，濟南 250101）

基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案研究

蘇雷，陳剛，彭麗

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司山東分公司，濟南 250101）

移動通信技術(shù)向5G演進，推動工業(yè)革命向物聯(lián)網(wǎng)時代邁進?！叭f物互聯(lián)”的時代已經(jīng)來臨，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進入了風(fēng)口期，運營商都在考慮提前布局，培育市場，尋找新的收入增長點。本文將在探討蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案的基礎(chǔ)上，針對運營商如何部署物聯(lián)網(wǎng)進行深入思考。

物聯(lián)網(wǎng)；NB-IoT；蜂窩組網(wǎng)

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，物物相連的因特網(wǎng)）被公認(rèn)為是繼計算機、因特網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。根據(jù)咨詢機構(gòu)Analysys Mason的預(yù)測，2020年物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展將進入爆發(fā)期，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接數(shù)將達到400億；而到2030年，這個數(shù)量將接近1千億，中國將超過200億。萬物互聯(lián)的時代已經(jīng)來臨。

2 運營商的“大連接”戰(zhàn)略

目前，話音收入即將見頂，由于4G的大力建設(shè)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支撐運營商收入開始進入新的巔峰。今后，新業(yè)務(wù)的收入將成為第三個高峰，而物聯(lián)網(wǎng)將是重要的載體，將成為運營商收入的主要來源。

放眼全球，國際運營商都在醞釀自己的“大連接”戰(zhàn)略，集體發(fā)力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。韓國KT計劃投資1500億韓元新建窄帶物聯(lián)網(wǎng)；沃達豐建立NB-IoT開放實驗室，從而加速布局物聯(lián)網(wǎng)；法國電信通過搭建M2M完整系統(tǒng)，滲入到產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)；西班牙電信通過專用物聯(lián)網(wǎng)平臺進行“智能通道建設(shè)”；DoCoMo將發(fā)展M2M業(yè)務(wù)作為其重要戰(zhàn)略組成；Sprint通過開放性發(fā)展策略推動M2M市場。

而在國內(nèi)，中國政府已明確大力支持蜂窩物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，允許運營商可在原有頻率上開展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)；同時大力推進與垂直行業(yè)及地方政府對接，設(shè)立推廣平臺、示范城市等。中國移動將物聯(lián)網(wǎng)提升到了“中國移動新時期發(fā)展策略”的重要核心地位，并在MWCS2016上正式提出了“大連接”戰(zhàn)略，即面向未來5年，中國移動將要做大連接規(guī)模，做優(yōu)連接服務(wù)，做強連接應(yīng)用。根據(jù)計劃，2016年底前將進行外場試驗，2017年將商用窄帶物聯(lián)網(wǎng)；中國電信在2016年集團戰(zhàn)略中，將物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略基礎(chǔ)重點，2016年全面布局物聯(lián)網(wǎng)，拓展新市場，將這一藍海市場作為中國電信全新的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)業(yè)務(wù)；中國聯(lián)通選擇與海外物聯(lián)網(wǎng)平臺Jasper合作，與超過500家合作伙伴在互聯(lián)網(wǎng)汽車、零售、防盜、可穿戴式設(shè)備等領(lǐng)域展開合作。中國聯(lián)通在國內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域取得了較好的早期布局，多家大型車企都采用了聯(lián)通的3G和4G技術(shù)作為車載通信模塊。

3 運營商部署物聯(lián)網(wǎng)的最佳選擇：NB-IoT

3GPP在R13提出一種更小的傳輸數(shù)據(jù)量、更低的設(shè)備成本、更廣覆蓋率的技術(shù)，即NB-IoT (Narrowband-Internet of Things，基于蜂窩的窄帶互聯(lián)網(wǎng))，其最大的傳輸數(shù)據(jù)量為200 kbit/s，頻寬也降至200 kHz，并且其覆蓋率可提升數(shù)倍。2016年6月，3GPP完成了基于LTE技術(shù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定。這一新技術(shù)與之前的eMTC（增強型機器類通信）技術(shù)，都是3GPP全球標(biāo)準(zhǔn)R13的組成部分。NB-IoT對LTE技術(shù)的提升和優(yōu)化，將會降低IoT設(shè)備的復(fù)雜性，將電池壽命延長至數(shù)年，并且實現(xiàn)諸如樓宇內(nèi)部等挑戰(zhàn)性場景的深度覆蓋。同時，這能夠借勢現(xiàn)有的LTE基礎(chǔ)設(shè)施和頻譜，與當(dāng)前的移動寬帶服務(wù)并存。隨著3GPP凍結(jié)NB-IoT相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在來自整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)極大的興趣驅(qū)動下，移動通信產(chǎn)業(yè)正朝著新技術(shù)商業(yè)化的方向大步邁進。

除了上述優(yōu)勢，3GPP擁有成熟的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)支持及5G演進路線。事實上，NB-IoT將在R13的基礎(chǔ)上繼續(xù)演進，開發(fā)多播和定位等新功能，為窄帶5G IoT奠定基礎(chǔ)。因此，全球各主流電信運營商無不極力支持此技術(shù)。比如歐洲多數(shù)運營商更優(yōu)先考慮NB-IoT，而北美運營商ATT、Verizon以及亞洲運營商SKT、KT、日本軟銀，也計劃優(yōu)先引入窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。可以預(yù)見，NB-IoT將成為未來全球主流電信運營商所推行的方向。

4 NB-IoT蜂窩組網(wǎng)技術(shù)方案研究

4.1 NB-IoT技術(shù)

NB-IoT是LPWA技術(shù)，是為低功耗、廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)設(shè)計的全新系統(tǒng)，其覆蓋范圍可以提升20 dB，其終端電池壽命可以超過10年以上，每個NB-IoT載波最多可支持20萬個連接。而且根據(jù)容量需求，可以通過增加更多載波來擴大連接數(shù)量，從而使一個基站便能支持?jǐn)?shù)百萬個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接。根據(jù)上下行的不同，NB-IoT技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 3GPP NB-IoT技術(shù)指標(biāo)

NB-IoT的設(shè)計有幾項目標(biāo)：

（1）提高覆蓋率：通過降低編碼率來提升信號的可靠性，當(dāng)信號強度微弱時，依舊能夠正確解調(diào)，從而達到提高覆蓋率的目的；

（2）大幅提升終端電池使用壽命：其發(fā)送的功率最大為23 dBm，約為200 mW；

（3）降低終端的復(fù)雜度：在調(diào)度上使用恒定包絡(luò)的方式，使功率放大器運作于飽和區(qū)間，讓傳送端有更好的使用效率，在實體層設(shè)計上，也可以簡化部分元件，使復(fù)雜度降低；

（4）減少系統(tǒng)頻寬：其頻寬設(shè)計在200 kHz，在使用上也能夠更彈性地分配；

（5）大幅提升系統(tǒng)容量，使子載波區(qū)間更小，在頻譜資源分配上能夠更加的彈性，切出更多子載波分配給更多的終端，從而使大量的終端能夠同時連結(jié)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT預(yù)計2016年9月具備端到端測試條件，隨著產(chǎn)業(yè)鏈的日漸成熟，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已非常清晰，如圖1所示。

4.3 頻段選擇

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無處不在，比手機有更高的覆蓋能力要求。因此，900 MHz相比高頻段覆蓋能力強，相同的覆蓋所需站數(shù)可少數(shù)倍。 表2是以900 MHz為參照，其他各頻段的鏈路預(yù)算增益對比情況。

圖1 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表2 各頻段鏈路預(yù)算增益情況對比

NB-IoT所需頻譜帶寬?。?00 kHz/載波），900 MHz，預(yù)計該頻段終端有經(jīng)濟規(guī)模優(yōu)勢，所以，900 MHz是國內(nèi)運營商部署NB-IoT的首選頻段。

4.4 頻點部署方式

4.4.1 獨立部署（Stand-alone Operation）

此種方式為使用獨立的頻譜或者是使用GSM的頻譜，不存在與現(xiàn)有系統(tǒng)互相干擾的問題，是最單純的部署方式。如果NB-IoT與GSM共站時需要考慮100 kHz的保護間隔。

采用此種方式，初始部署工作帶寬占用200 kHz，保護帶左右各100 kHz，小區(qū)下行峰值速率可達226.6 kbit/s，上行可達261.6 kbit/s；最小耦合損耗MCL＞164 dB，重發(fā)次數(shù)少，速率高；每小區(qū)連接數(shù)可達53 169，但隨機接入容量受限。

4.4.2 保護帶部署（Guard-band Operation）

此種方式利用LTE邊緣保護頻段、信號強度較弱的部分進行部署，需要考慮與LTE系統(tǒng)共存的相關(guān)問題，比如干擾規(guī)避、設(shè)備的射頻指標(biāo)等問題。若NB-IoT與LTE共站時，無需保護間隔。

采用此種方式部署，小區(qū)下行峰值速率可達226.6 kbit/s，上行可達261.6 kbit/s；MCL＞164 dB，重發(fā)次數(shù)多，速率低；每小區(qū)連接數(shù)可達40 863，但尋呼容量受限。

4.4.3 帶內(nèi)部署（In-band operation）

此種方式在現(xiàn)行LTE頻段內(nèi)部署，盡量選擇在低頻段上，比如700-900 MHz。這些頻段能獲得更廣的覆蓋率，具備較好的傳播特性，對于室內(nèi)環(huán)境有更好的穿透性。需要考慮與LTE系統(tǒng)共存的相關(guān)問題，比如干擾規(guī)避、設(shè)備的射頻指標(biāo)等問題。若NB-IoT與LTE共站時，無需保護間隔，但需要避開PDCCH、CSI-RS、PRS、SCH和PBCH、CRS等。

采用此種方式部署，小區(qū)下行峰值速率為170 kbit/s，上行可達261.6 kbit/s；MCL＞164 dB，重發(fā)次數(shù)多，速率低；每小區(qū)連接數(shù)為31288，但下行業(yè)務(wù)信道受限。

4.5 覆蓋與容量規(guī)劃

覆蓋規(guī)劃：NB-IoT提供20 dB覆蓋增強，考慮到移動性的物聯(lián)網(wǎng)需求，初期的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)應(yīng)實現(xiàn)商用區(qū)域的連續(xù)覆蓋。為節(jié)省初期投資，可考慮第一期僅使用現(xiàn)有站址的一部分進行部署，后續(xù)逐漸提高共址率。對于室分場景，可根據(jù)用戶及業(yè)務(wù)需求情況進行詳細調(diào)研和預(yù)測，制定個性覆蓋方案。

容量規(guī)劃：按照3GPP業(yè)務(wù)模型測算，NB-IoT一個200 kHz載波至少可滿足5萬用戶的容量需求，建議初期只需部署一個200 kHz載波，后續(xù)根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需要擴容。

4.6 無線網(wǎng)建設(shè)方案分析

4.6.1 利舊升級

為快速部署蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，運營商可以選擇在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上進行利舊改造或直接升級。圖2是利舊升級的幾種建設(shè)方案對比。

圖2 現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備利舊升級方案

采用利舊升級方案時，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)不可獨立優(yōu)化，對GSM有影響。并且，根據(jù)不完全統(tǒng)計，運營商現(xiàn)有設(shè)備整體升級比例并不高，未來勢必面臨全部替換的局面。如果考慮預(yù)留FDD MIMO，則現(xiàn)網(wǎng)可平滑升級比例更低，從而導(dǎo)致建網(wǎng)慢、成本較高，甚至與新建相當(dāng)。

4.6.2 新建方案

采用新建方案時，可根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，考慮與GSM或TDD站點共址。

采用新建方案不影響GSM網(wǎng)絡(luò)，與GSM系統(tǒng)獨立優(yōu)化，如果未來開通FDD，建網(wǎng)速度快，還可以考慮反向替換GSM。但由于需要多增加一套天線及RRU安裝點位，而目前的城市天面資源日益緊張，建網(wǎng)協(xié)調(diào)困難較大，初期建設(shè)成本高。

4.7 核心網(wǎng)建設(shè)方案

4.7.1 業(yè)務(wù)特點

NB-IoT不同業(yè)務(wù)的話務(wù)模型差異大：NB-IoT的應(yīng)用場景多，比如馬拉松比賽；電子抄表；車輛管理等；每個場景的話務(wù)模型不同，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧恳约邦l度都不相同，需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以適應(yīng)千差萬別的變化模型

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備密度高，單用戶吞吐量低：NB-IoT 單小區(qū)可支持5萬用戶，但是每個用戶的流量非常低，用戶傳輸數(shù)據(jù)的頻度差大的，吞吐量低。需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備適應(yīng)這個特點。

用戶規(guī)模發(fā)展變化快：預(yù)計NB-IoT的用戶增長會非常迅猛，需要網(wǎng)絡(luò)具備快速調(diào)整的能力。

4.7.2 方案比較

表3結(jié)合NB-IoT的業(yè)務(wù)特征、成本及演進能力，對比分析核心網(wǎng)組網(wǎng)方案的優(yōu)劣。

綜上所述，NB-IoT核心網(wǎng)采用虛擬化設(shè)備更有優(yōu)勢。建網(wǎng)初期建議基于虛擬化技術(shù)的C-SGN網(wǎng)元按省份部署，將NB-IoT終端的業(yè)務(wù)流指向南、北物聯(lián)網(wǎng)GGSN網(wǎng)關(guān)；南/北大區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)GGSN/PGW升級支持NB-IoT能力；南/北大區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)M-HSS升級支持NB-IoT能力。

表3 核心網(wǎng)組網(wǎng)方式分析

建網(wǎng)中期物聯(lián)網(wǎng)終端的連接數(shù)逐漸增多，建議C-SGN按省份部署；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)GGSN/PGW考慮下沉，按照省份部署。

遠期基于5G技術(shù)特點，部署云化的C-SGN、GGSN/PGW設(shè)備，利用網(wǎng)絡(luò)切片能力給不同行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供服務(wù)。

5 總結(jié)及展望

由于物聯(lián)網(wǎng)終端的特點，雖然運營商已有連接數(shù)量不大，但其向NB-IoT等物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)遷移速度緩慢。2G網(wǎng)絡(luò)退網(wǎng)征程困難重重，現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)終端將為這一困難“添磚加瓦”。對于電信運營商來說，在物聯(lián)網(wǎng)時代提供大連接、廣覆蓋、低功耗的網(wǎng)絡(luò)接入方案是其主要職責(zé)，當(dāng)下各主流運營商對NB-IoT的積極規(guī)劃正是基于這方面的考慮。不過，一直以來，無線電頻譜資源是蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必要條件，物聯(lián)網(wǎng)時代，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備數(shù)量以數(shù)十億甚至百億計，無線電頻譜的稀缺性和重要性進一步提高。因此，原有網(wǎng)絡(luò)的退網(wǎng)、頻譜重耕成為運營商的一個工作重點，不過這并不是一個一帆風(fēng)順的過程，就物聯(lián)網(wǎng)視角來看可以說是任重道遠。

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中國移動通信集團設(shè)計院河北分院創(chuàng)建曉明天線勞模工作室

中國移動通信集團設(shè)計院河北分院積極響應(yīng)號召，創(chuàng)建了曉明天線勞模工作室。

中國移動通信集團設(shè)計院河北分院曉明天線勞模工作室的雛形誕生于2007年。伴隨著中國移動TD-SCDMA到TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展，產(chǎn)生了3G智能天線小型化研究、智能天線廣播波束賦形技術(shù)、4G高層樓宇覆蓋智能天線等系列成果，解決了中國移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的諸多實際問題，前后共申請專利近30項，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文近百篇。

中國移動通信集團設(shè)計院河北分院將進一步加強工作室的規(guī)范化、制度化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，努力打造出一支“拿得出、叫得響、過得硬”的中國移動勞模工作室隊伍，助推創(chuàng)新驅(qū)動工程，最大程度釋放分院的創(chuàng)新潛力和組織活力，推動公司邁入可持續(xù)健康發(fā)展新階段。

（本刊訊)

Research on Internet of Things solution based on cellular network

SU Lei, CHEN Gang, PENG Li
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Shandong Branch, Ji'nan 250101, China)

The evolution of mobile communication technology to 5G, promotes the industrial revolution to the Internet of things Era."All things connected" era has arrived. The development of the Internet of Things enters tuyere period. Operators are considering the layout in advance, nurturing the market, looking for new revenue growth point. This article will explore the cellular network based on the Internet of Things solutions, and thinking in depth on how to deploy Internet of Things.

Internet of Things; narrowband-internet of things; cellular network

TP393

A

1008-5599（2017）05-0017-05

2016-09-20