劉 哲，曾 偉，蔡 凱（中國聯(lián)通北京分公司，北京 100038）

0 引言

在信息化大時代背景下，移動通信趨向于萬物互聯(lián)方向發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為萬物互聯(lián)體系中重要組成部分，在眾多垂直行業(yè)中得到廣泛應用。工信部持續(xù)推進物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，提出“到2020 年，NB-IoT 網(wǎng)絡實現(xiàn)全國普遍覆蓋，面向室內(nèi)、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等應用場景實現(xiàn)深度覆蓋，基站規(guī)模達到150 萬個”，國內(nèi)三大運營商積極把握窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）發(fā)展機遇，隨著業(yè)務快速發(fā)展，未來連接數(shù)將會迎來爆發(fā)式增長。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的發(fā)展既是機遇也是挑戰(zhàn)，如何構建客觀有效的評估體系成了值得探討的話題，進一步地，各種典型NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務類型需要滿足什么樣的覆蓋水平也是網(wǎng)絡發(fā)展中必須明確的問題。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務和傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡業(yè)務有著巨大差別，具有定制性、不可移動性、點位數(shù)量多等特點。同時，NB-IoT 主要面向低速率、低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務場景，涉及垂直行業(yè)眾多，包括遠程抄表、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)追蹤、智能停車、氣象環(huán)保監(jiān)測等。面對物聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務、新終端、新協(xié)議、新網(wǎng)絡，本文將結(jié)合北京聯(lián)通NB-IoT網(wǎng)絡建設優(yōu)化經(jīng)驗，建立合理的指標評估優(yōu)化體系，并對典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求的覆蓋水平進行研究。

1 NB-IoT系統(tǒng)簡介

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上延伸和擴展的一種網(wǎng)絡，通過信息傳感器，按照事先約定的協(xié)議將萬物連接起來，實現(xiàn)定位、跟蹤、識別和監(jiān)控等功能?；诜涓C的NB-IoT 只消耗大約180 kHz 的帶寬，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE 網(wǎng)絡，大大降低了部署成本。NB-IoT基本特點如下。

a）廣覆蓋。NB-IoT 基于運營商的蜂窩網(wǎng)絡，在同樣頻段下，NB-IoT 相比現(xiàn)有GSM 網(wǎng)絡有20 dB 的增益，覆蓋面積擴大10倍，期望能覆蓋到地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方。

b）大連接。在物聯(lián)網(wǎng)應用中，直接利用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡容易造成網(wǎng)絡負荷過高，NB-IoT 在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡上進行優(yōu)化，使200 kHz 的頻率可以提供10 萬個連接，具有海量設備連接能力。

c）低功耗。NB-IoT 引入了eDRX 省電技術和PSM 省電模式，進一步降低了功耗，延長了電池使用時間，借助這2種技術，在典型應用場景下，使用AA電池（5號電池）便可以工作10年，無需充電。

d）低成本。企業(yè)預期的單個連接模塊不超過5美元，芯片價格為1～2 美元，隨著網(wǎng)絡部署成本的降低，每個模組的批量成本價格預計可以降到2 美元左右，為海量終端設備接入提供了可能。

2 NB-IoT網(wǎng)絡架構

對于采用NB-IoT接入技術的物聯(lián)網(wǎng)來說，其端到端架構是由NB-IoT 終端/模塊、NB-IoT 基站、NB-IoT核心網(wǎng)、NB-IoT平臺及第三方應用服務器組成，如圖1所示。

NB-IoT 終端/模塊：承擔信息采集、通信和控制的功能，常見形態(tài)為：水表、車載、表計等。

NB-IoT基站：支持NB-IoT終端的接入。

NB-IoT 核心網(wǎng)：集成MME、S-GW、P-GW、HSS 的功能為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供移動性管理、網(wǎng)關功能、用戶簽約信息管理和用戶位置管理。

NB-IoT 平臺及第三方應用服務器：對于不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用，統(tǒng)一采用NB-IoT 平臺來支撐。NBIoT平臺不感知具體的業(yè)務形態(tài)，由第三方服務器向平臺注冊對指定的NB-IoT 終端的查詢或控制，比如水廠/電廠注冊對水表/電表的查詢或控制。平臺只負責將NB-IoT 終端與第三方服務器關聯(lián)起來進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或功能控制，而不關注終端與服務器之間交換的具體數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3 NB-IoT指標評估體系

NB-IoT 網(wǎng)絡指標評估體系是NB-IoT 網(wǎng)絡建設優(yōu)化的重要基礎，想要優(yōu)質(zhì)高效地完成NB-IoT網(wǎng)絡的部署，需要客觀合理的網(wǎng)絡評估體系的支撐。與4G/3G/2G 相比，NB-IoT 網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構、調(diào)度算法和業(yè)務需求都有了變化，這些變化決定了其指標評估體系也與以往的不同，尤其是指標側(cè)重方面。

優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡應做到覆蓋合理、干擾抑制、容量優(yōu)化和業(yè)務感知優(yōu)良。針對NB-IoT網(wǎng)絡業(yè)務特性，結(jié)合目前掌握的指標對網(wǎng)絡性能影響的理論分析和北京聯(lián)通的網(wǎng)絡實踐，得出涵蓋覆蓋、干擾、接入、業(yè)務量、容量和保持等6 個維度的物聯(lián)網(wǎng)指標評估體系（見圖2）。

在六維評估方法的基礎上，細化每個維度具體評判指標，更加準確地評估NB 網(wǎng)絡性能和質(zhì)量，綜合評估網(wǎng)管數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)，關聯(lián)各項指標的重要程度及相關性，將各類指標按照對NB-IoT業(yè)務的重要程度分為3個等級，形成了物聯(lián)網(wǎng)六維三級指標評估體系，如圖3所示。

指標評級標準如下。

圖1 NB-IoT網(wǎng)絡架構

圖2 物聯(lián)網(wǎng)指標評估體系

圖3 物聯(lián)網(wǎng)六維三級指標評估體系

一級指標：篩選出能夠直觀反映出網(wǎng)絡性能和質(zhì)量的指標，作為網(wǎng)絡優(yōu)化的基礎指標，優(yōu)化權重占比較高。

二級指標：作為NB-IoT 網(wǎng)絡評估的細分指標，能從其他角度間接反映出網(wǎng)絡的性能和質(zhì)量，為一級指標的重要補充手段。

三級指標：對一、二級指標進一步細分，能夠體現(xiàn)出網(wǎng)絡性能和質(zhì)量的細微差異，使評估方法更加細致客觀。

依據(jù)六維三級指標評估體系，綜合分析評估北京聯(lián)通實際指標情況，確定了各類指標的高中低3 檔門限，如表1所示。

4 典型業(yè)務覆蓋標準研究

4.1 典型業(yè)務的關鍵指標

NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術具有廣闊的市場應用，在智慧城市、公共事業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、大眾消費領域都有著廣闊的發(fā)展空間。從移動狀態(tài)上分為移動類應用和固定類應用；從數(shù)據(jù)交互方式上分為定周期數(shù)據(jù)交互（監(jiān)測）和實時數(shù)據(jù)交互（控制）。所以從這2個維度出發(fā)可以把所有的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務分為4個大類：固定監(jiān)測、固定控制、移動監(jiān)測和移動控制，如圖4所示。

4 類典型業(yè)務各有獨特的應用場景，對各個維度的指標的敏感程度各不相同，需要對它們逐類分析以確定其關鍵指標。

表1 各類指標的高中低3檔門限

圖4 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務分類

a）固定監(jiān)測類。此類業(yè)務主要包含抄表、井蓋、水文監(jiān)測等業(yè)務，NB-IoT 模組及相應傳感器的位置不會改變，且主要的功能是將傳感器的信息周期上傳至業(yè)務監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對所有終端的統(tǒng)一管理。對網(wǎng)絡覆蓋、業(yè)務連接性以及功耗指標較敏感，關鍵指標包括Attach成功率、RRC連接成功率以及上行速率。

b）固定控制類。此類業(yè)務主要包括智能燈桿、智能安防、智能家居等業(yè)務，NB-IoT 模組及相應傳感器的位置通常不會改變，業(yè)務功能的實現(xiàn)需要實時的數(shù)據(jù)交互，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務控制中心對終端模組下發(fā)指令完成數(shù)據(jù)采集和上報。對網(wǎng)絡覆蓋及數(shù)據(jù)相關指標較敏感，關鍵指標包括Attach 成功率、RRC 連接建立時長、上行速率以及下行速率。

c）移動監(jiān)測類。此類業(yè)務主要包含人員、物品定位追蹤等業(yè)務，NB-IoT 模組及相應傳感器的位置會隨時改變，但是業(yè)務功能的實現(xiàn)不需要實時數(shù)據(jù)交互。對網(wǎng)絡連接性、功耗及移動性指標較敏感，關鍵指標包括Attach成功率、RRC連接成功率、上行速率以及下行速率。

d）移動控制類。此類業(yè)務主要包含共享單車、智能穿戴、移動支付等業(yè)務，NB-IoT 模組及相應傳感器的位置會隨時改變，同時業(yè)務功能的實現(xiàn)需要實時數(shù)據(jù)交互。對網(wǎng)絡連接性、業(yè)務連接、功耗及移動性指標較敏感，關鍵指標包括Attach成功率、RRC連接成功率、RRC連接建立時長以及上行速率和下行速率。

表2 給出了典型NB-IoT 業(yè)務的關鍵指標，在此進一步分析典型業(yè)務對不同關鍵指標的敏感程度，進行各業(yè)務的關鍵指標權重設定。關鍵指標權重設定標準如圖5所示。

4.2 典型業(yè)務覆蓋水平分析

表2 典型NB-IoT業(yè)務的關鍵指標

圖5 關鍵指標權重設定標準

運營商網(wǎng)絡建設的目標是以最優(yōu)性價比提供滿足業(yè)務需求的網(wǎng)絡，所以研究滿足業(yè)務正常使用、網(wǎng)絡需要達到什么樣的覆蓋水平十分重要。本文從NBIoT指標評估體系中提取出指標基準值，指標基準值是NB-IoT網(wǎng)絡滿足業(yè)務需求必須達到的指標門限值。

通過大量測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出了NB-IoT 網(wǎng)絡關鍵業(yè)務指標的基準值，同時得到了對應的表征覆蓋水平的指標RSRP標準值與SINR標準值，如表3所示。

表3 表征覆蓋水平的指標RSRP標準值與SINR標準值

4.3 典型業(yè)務覆蓋評測標準

在北京聯(lián)通NB-IoT 建設優(yōu)化實踐的基礎上，結(jié)合典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務特點及LTE 網(wǎng)絡經(jīng)驗，本文確定了典型業(yè)務覆蓋標準。此標準確定了滿足典型業(yè)務需求的最低覆蓋標準，為NB-IoT網(wǎng)絡建設優(yōu)化工作提供支撐依據(jù)。業(yè)務覆蓋標準可由式（1）確定：

以固定監(jiān)測類業(yè)務為例說明典型業(yè)務覆蓋標準的計算方法。

第1 步，確定關鍵指標，查詢表2 得到該類業(yè)務的關鍵指標為RRC 連接成功率、Attach 成功率和上行速率。

第2 步，確定指標權重，從圖5 可知該類業(yè)務關鍵指標對應的指標權重標準分別是0.3、0.3和0.4。

第3 步，確定測試值，查詢表3 可知，RRC 連接成功率、Attach 成功率、上行速率基準值對應的RSRP 測試值分別為-115 dBm、-120 dBm 和-106 dBm，最高測試值為-106 dBm。

第4 步，計算業(yè)務覆蓋RSRP 標準值，將數(shù)據(jù)帶入式（1）得到：固定監(jiān)測類業(yè)務RSRP 覆蓋標準為-106-［-106+（0.3×115+0.3×120+0.4×106）］/2=-109.5 dBm。

同樣地，通過上述方法可以計算出固定監(jiān)測類業(yè)務的SINR標準值為-1.2 dB。

綜上可以得到如果需要滿足固定監(jiān)測類業(yè)務需求，NB-IoT網(wǎng)絡RSRP值最低應大于-109.5 dBm，SINR值大于-1.2 dB。

通過本文構建的典型業(yè)務覆蓋評測標準，可以計算出4種典型NB-IoT 業(yè)務需要滿足的最低覆蓋水平，如表4所示。

表4 4種典型NB-IoT業(yè)務需要滿足的最低覆蓋水平

5 結(jié)束語

萬物互聯(lián)的時代已經(jīng)到來，物聯(lián)網(wǎng)將會獲得更多的垂直應用，走進千家萬戶。物聯(lián)網(wǎng)是一個潛力巨大的藍海，各大運營商、設備商、服務商都摩拳擦掌，越來越多的業(yè)務帶來更多利潤的同時也對網(wǎng)絡帶來了諸多挑戰(zhàn)。

本文首先構建了六維三級指標評估體系，隨后從業(yè)務的角度出發(fā)，研究不同特點的典型業(yè)務需要網(wǎng)絡滿足什么樣的覆蓋水平，提供了分析思路與評測標準，為NB-IoT 網(wǎng)絡的規(guī)劃建設與優(yōu)化評估提供指導，為萬物互聯(lián)的愿景提供推力。