曾 偉,劉 哲,肖 瑞,魯 皎
(北京聯(lián)通,北京 100038)
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)在新一代信息技術(shù)的發(fā)展中起到重要的作用。IoT的主要技術(shù)特點(diǎn)是將物品通過通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)連接,從而構(gòu)建人機(jī)互連、物物互連的智能化網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn),蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可分為3個(gè)層次,如圖1所示。
圖1 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)
其中低速率連接數(shù)在IoT業(yè)務(wù)中占比最大,3GPP針對(duì)此類業(yè)務(wù)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)制定了NB-IoT(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。NB-IoT單載波系統(tǒng)帶寬為180 kHz,主要面向大連接、低速率、低功耗和低成本的IoT應(yīng)用場(chǎng)景。
對(duì)于采用NB-IoT接入技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)而言,其端到端架構(gòu)是由NB-IoT終端/模塊、NB-IoT基站、NB-IoT核心網(wǎng)、NB-IoT平臺(tái)及第三方應(yīng)用服務(wù)器組成[1-3],如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)架構(gòu)
NB-IoT終端/模塊:NB-IoT終端具有信息采集、通信和控制功能,常見形態(tài)為水表、車載、表計(jì)等。
NB-IoT基站:RAN需要支持NB-IoT終端的接入。
NB-IoT核心網(wǎng):集成MME、S-GW、P-GW、HSS功能,為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供移動(dòng)性管理、網(wǎng)關(guān)功能、用戶簽約信息管理和用戶位置管理等服務(wù)。
NB-IoT平臺(tái)及第三方應(yīng)用服務(wù)器:對(duì)于不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用,統(tǒng)一采用NB-IoT平臺(tái)支撐。NB-IoT平臺(tái)無法感知具體的業(yè)務(wù)形態(tài),由第三方服務(wù)器在平臺(tái)注冊(cè),對(duì)指定的NB-IoT終端進(jìn)行查詢或控制[4-5]。
NB-IoT網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)評(píng)估體系依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)自身的業(yè)務(wù)特性,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐,從6個(gè)維度進(jìn)行體系評(píng)估,如圖3所示。
圖3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)評(píng)估體系
在六維評(píng)估方法的基礎(chǔ)上,細(xì)化每個(gè)維度的評(píng)判指標(biāo),準(zhǔn)確評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量,綜合評(píng)估網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù),關(guān)聯(lián)各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度及相關(guān)性,將各類指標(biāo)按照對(duì)NBIoT業(yè)務(wù)的重要程度分為3個(gè)等級(jí),形成物聯(lián)網(wǎng)六維三級(jí)指標(biāo)評(píng)估體系[6],見表1所列。
表1 六維三級(jí)指標(biāo)
指標(biāo)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn):
(1)一級(jí)指標(biāo):篩選出能夠直觀反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量的指標(biāo),作為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基礎(chǔ)指標(biāo),優(yōu)化權(quán)重占比較高。
(2)二級(jí)指標(biāo):作為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)評(píng)估的細(xì)分指標(biāo),能從其他角度間接反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的性能和質(zhì)量,是一級(jí)指標(biāo)的重要補(bǔ)充。
(3)三級(jí)指標(biāo):對(duì)一、二級(jí)指標(biāo)作進(jìn)一步細(xì)分,能夠體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量的細(xì)微差異,使評(píng)估方法更加細(xì)致客觀。
依據(jù)六維三級(jí)指標(biāo)評(píng)估體系,綜合分析評(píng)估現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際指標(biāo)情況,確定各類指標(biāo)的高、中、低門限,見表2所列。
表2 指標(biāo)門限
NB-IoT涉及垂直應(yīng)用行業(yè)眾多,不同的垂直行業(yè)具有不同的業(yè)務(wù)特征和模型,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn),物聯(lián)網(wǎng)模型設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)規(guī)范。
覆蓋可以通過信號(hào)強(qiáng)度RSRP和信號(hào)質(zhì)量SINR兩個(gè)參數(shù)來評(píng)估,信號(hào)強(qiáng)度或信號(hào)質(zhì)量越好,則業(yè)務(wù)性能越好。3GPP將NB-IoT的覆蓋劃分為3個(gè)等級(jí),即覆蓋等級(jí)分別為0,1,2,且主要由信號(hào)強(qiáng)度RSRP劃分。覆蓋等級(jí)為0,則覆蓋程度最好。在發(fā)射功率為20 W的情況下,推薦的覆蓋等級(jí)門限見表3所列。
表3 覆蓋等級(jí)門限
NB-IoT終端盡量安裝在覆蓋等級(jí)為0和1的區(qū)域,即安裝點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)參考信號(hào)RSRP≥-115 dBm,信噪比SINR≥-3 dB。在覆蓋等級(jí)為2的區(qū)域,NB-IoT終端可以接入NBIoT網(wǎng)絡(luò),但時(shí)延、耗電均會(huì)增加。
由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性,NB-IoT終端設(shè)備經(jīng)常會(huì)安裝在地下等不易接近的地方,對(duì)電池壽命要求較高,往往要求終端在電池供電場(chǎng)景下能持續(xù)工作5年甚至10年以上。因此,對(duì)終端設(shè)備功耗要求如下:
(1)NB-IoT模組ST模式下發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的功耗電流應(yīng)小于250 mA;
(2)NB-IoT模組ST模式下接收數(shù)據(jù)時(shí)的功耗電流應(yīng)小于80 mA;
(3)NB-IoT模組休眠態(tài)(PSM模式)的功耗電流應(yīng)小于 5 μA。
為降低終端功耗,業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)推薦原則如下:
(1)減少消息交互的數(shù)量,例如將多條消息合并為1條消息;
(2)減少數(shù)據(jù)凈荷大小,例如增加數(shù)據(jù)壓縮的流程;
(3)在滿足應(yīng)用需求時(shí),盡量減少每日消息交互次數(shù);
(4)適當(dāng)增加TAU(T3412)定時(shí)器時(shí)長(zhǎng),減少TAU次數(shù),例如,消息上報(bào)周期為24 h,則可將TAU定時(shí)器設(shè)置為25 h;
(5)適當(dāng)減少ActiveTimer(T3324)定時(shí)器時(shí)長(zhǎng),使終端釋放連接后,盡快進(jìn)入Sleep狀態(tài),例如抄表類業(yè)務(wù)可以配置為0;
(6)盡量使用PSM模式降低終端空閑態(tài)的耗電,而不是直接將終端斷電(使用斷電方式后重新供電,模組需重新接入無線網(wǎng)絡(luò),注冊(cè)到核心網(wǎng)和IoT平臺(tái)需要多個(gè)信令流程,而PSM模式則無需這些流程,相比斷電方式較為省電)。
NB-IoT信道帶寬為200 kHz,最多支持12個(gè)終端用戶并發(fā)。根據(jù)3GPP協(xié)議,單個(gè)調(diào)度周期內(nèi),NPDCCH可調(diào)度的最大用戶數(shù)為2,NPDSCH數(shù)傳用戶數(shù)為1,NPUSCH數(shù)傳用戶為12。若同一區(qū)域內(nèi)大量終端同時(shí)傳輸數(shù)據(jù),則相互之間會(huì)產(chǎn)生碰撞,導(dǎo)致接入時(shí)間較長(zhǎng),甚至接入失敗。因此,需通過終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)避免海量終端同時(shí)接入。
錯(cuò)峰接入:模組上電后自動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起注冊(cè),因此需要對(duì)模組上電時(shí)間做隨機(jī)離散化處理。針對(duì)批量終端統(tǒng)一集中供電場(chǎng)景,可以通過終端軟件控制MCU將模組上電時(shí)間隨機(jī)延遲0~99 s,延遲值可以采用設(shè)備ID最后兩位。
離散上報(bào):對(duì)周期上報(bào)業(yè)務(wù)時(shí),終端宜將上報(bào)時(shí)間點(diǎn)按照上報(bào)周期做隨機(jī)離散。通過終端本地配置文件,實(shí)現(xiàn)終端上報(bào)數(shù)據(jù)的隨機(jī)離散化。例如智能水表每天上報(bào)1次,可以設(shè)置水表在每天的00:00—08:00之間上報(bào)數(shù)據(jù),每個(gè)終端上報(bào)的時(shí)間點(diǎn)T在00:00—08:00之間隨機(jī)離散,T=(SN mod 960)*30 s。其中,T為從0點(diǎn)開始的秒數(shù),SN為水表的序列號(hào),(SN mod 960)是SN除以960的余數(shù)。針對(duì)心跳業(yè)務(wù),避免同時(shí)接入導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞,心跳時(shí)間不能用絕對(duì)時(shí)間,而應(yīng)以第一次上報(bào)成功的時(shí)間作為開始,周期性上報(bào)。
終端分批分區(qū)域控制:需要對(duì)大量終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作時(shí),為保證網(wǎng)絡(luò)順暢,宜對(duì)同一小區(qū)內(nèi)終端進(jìn)行分批分區(qū)域控制。例如將終端按照約每0.8平方千米(小區(qū)半徑500 m)分為1個(gè)區(qū)域,不同區(qū)域的終端可以同時(shí)控制,但同一區(qū)域的終端延遲1 s以上進(jìn)行控制[7-8]。
從NB-IoT端到端業(yè)務(wù)流程出發(fā),建立逐層支撐、映射的指標(biāo)體系。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)特征和現(xiàn)網(wǎng)指標(biāo)建立六維三級(jí)指標(biāo)評(píng)估體系,為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與優(yōu)化評(píng)估提供參考。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)垂直領(lǐng)域業(yè)務(wù)的特征和已有經(jīng)驗(yàn),給出解決方案的一般性思路和方法。對(duì)NB-IoT實(shí)際業(yè)務(wù)部署和運(yùn)維中的網(wǎng)絡(luò)評(píng)估優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)借鑒意義[9-10]。