NB—IoT運(yùn)營商面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

魯娜+朱雪田+張成良

認(rèn)為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）能夠有效解決傳統(tǒng)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)缺乏市場競爭優(yōu)勢的問題?？赏ㄟ^新建獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，或者升級(jí)LTE無線、核心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署。運(yùn)營商可基于已有的長期演進(jìn)（LTE）網(wǎng)絡(luò)快速搭建一張連續(xù)深度覆蓋、低成本、低功耗、可漫游、質(zhì)量有保障的窄帶專用物聯(lián)網(wǎng)，拓展新興業(yè)務(wù)。當(dāng)前運(yùn)營商發(fā)展NB-IoT面臨商業(yè)模式、產(chǎn)業(yè)鏈、技術(shù)等多方面的挑戰(zhàn)。

IoT；低功耗廣覆蓋（LPWA）；NB-IoT；LTE；LoRa

Narrowband Internet of things （NB-IoT） effectively improves the competition capacity when using the traditional cellular network to carry the service of IoT. NB-IoT network can be deployed independently， or upgraded through the existing long term evolution （LTE） network. Operators can quickly build up a continuous depth coverage， low cost， low power consumption， roaming， quality guaranteed narrowband dedicated networking to develop new services. Currently， NB-IoT are facing many challenges， such as new business model， the maturity of industrial chain， the competition from other technologies and so on.

IoT； low power wide area （LPWA）； NB-IoT； LTE； LoRa

1 NB-IoT技術(shù)概述

1.1 NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP） R13定義的無線接入技術(shù)，射頻帶寬為180 kHz，上下行峰值速率不超過250 kbit/s。NB-IoT主要面向低成本、低功耗、低速率、廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，如傳感器類、抄表類、物流監(jiān)控、跟蹤類等。與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，NB-IoT覆蓋比通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GPRS）增強(qiáng)20 dB，單小區(qū)可支持5萬個(gè)連接，終端功耗和成本大幅降低。同時(shí)為了利用長期演進(jìn)（LTE）已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和全球規(guī)模部署優(yōu)勢，NB-IoT物理層和高層設(shè)計(jì)盡量與LTE兼容，并支持LTE帶內(nèi)、LTE保護(hù)帶、獨(dú)立3種工作模式。

1.2 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展

3GPP Release 13 NB-IoT于2015年9月通過立項(xiàng)，2016年6月完成核心部分標(biāo)準(zhǔn)化，預(yù)計(jì)2016年12月完成性能部分和終端一致性測試規(guī)范（Phase1）標(biāo)準(zhǔn)化[1-2]。3GPP Release 14繼續(xù)對(duì)NB-IoT技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)[3-4]，標(biāo)準(zhǔn)化工作從2016年6月RAN#72通過立項(xiàng)開始，預(yù)計(jì)到2017年RAN#75全會(huì)完成核心功能標(biāo)準(zhǔn)，RAN#77全會(huì)完成性能標(biāo)準(zhǔn)。

目前中興通訊、愛立信、諾基亞等主流網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商N(yùn)B-IoT商用版本路標(biāo)多發(fā)布在2017第1季度。英特爾、高通、中興微電子、展訊等芯片公司均發(fā)布NB-IoT路標(biāo)。其中，英特爾于2016年內(nèi)推出NB-IoT商用芯片，其他公司預(yù)計(jì)于2017年上半年推出NB-IoT商用芯片。整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)計(jì)2017年上半年初步成熟。

國際上，沃達(dá)豐、德國電信等運(yùn)營商將于2016年底部署NB-IoT試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。在中國，電信、移動(dòng)、聯(lián)通3家運(yùn)營商都已在部分城市進(jìn)行了NB-IoT試商用及業(yè)務(wù)應(yīng)用示范。

1.3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署

為了支持低成本廣覆蓋，NB-IoT應(yīng)部署在低頻。目前全球NB-IoT主流均部署在1 GHz以下，多在800～900 MHz。NB-IoT支持3種工作模式（如圖1所示）：包括LTE帶內(nèi)模式，占用LTE 1個(gè)物理資源塊（PRB）；LTE保護(hù)帶模式，占用了180 kHz帶寬；獨(dú)立模式，占用了200 kHz帶寬（180 kHz射頻帶寬+左右各10 kHz保護(hù)帶）。運(yùn)營商可根據(jù)自身的頻譜資源和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)情況，選擇合適的工作模式，通過新建或者網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的方式部署NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)。

NB-IoT目標(biāo)承載低價(jià)值、數(shù)目龐大的物聯(lián)網(wǎng)終端，主流核心網(wǎng)建設(shè)方案為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（CIoT）核心網(wǎng)獨(dú)立組網(wǎng)，與傳統(tǒng)高價(jià)值用戶的LTE演進(jìn)分組核心網(wǎng)（EPC）獨(dú)立組網(wǎng)區(qū)分管理，采用不同的運(yùn)營模式，如圖2所示。CIoT核心網(wǎng)的處理機(jī)制與傳統(tǒng)EPC有較大差異，獨(dú)立部署的核心網(wǎng)設(shè)備的軟硬件要求可基于CIoT業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化和裁減，更好滿足業(yè)務(wù)需求。此外，NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)一直在增強(qiáng)演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)升級(jí)較頻繁，獨(dú)立部署可與LTE EPC互不影響。NB-IoT業(yè)務(wù)帶寬小，時(shí)延不敏感，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)存在的用戶面性能問題，在NB-IoT不是瓶頸，因此可根據(jù)部署時(shí)間點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)成熟度優(yōu)先考慮基于NFV技術(shù)。

考慮到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期NB-IoT業(yè)務(wù)量小，完全新建一張專用核心網(wǎng)絡(luò)成本較高，工作量較大，也可采用現(xiàn)有LTE EPC升級(jí)的方式快速支持NB-IoT。當(dāng)NB-IoT業(yè)務(wù)量大時(shí)再通過獨(dú)立建網(wǎng)的方式支持。

中國電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先考慮采用獨(dú)立工作模式部署在800 MHz上端，通過對(duì)800 MHz碼分多址（CDMA）部分載波進(jìn)行重耕部署LTE 800 MHz，再通過軟件升級(jí)的方式支持NB-IoT。NB-IoT與800 MHz LTE無線網(wǎng)絡(luò)共站址、共天饋、共設(shè)備、共傳輸，具有廣覆蓋的優(yōu)勢。同時(shí)，為了快速支持NB-IoT網(wǎng)絡(luò)開通和業(yè)務(wù)運(yùn)營，核心網(wǎng)初期采用EPC升級(jí)的方式，后續(xù)NB-IoT業(yè)務(wù)量大時(shí)，再獨(dú)立建網(wǎng)。裝有NB-IoT模塊的終端通過NB-IoT蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接至全國統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)連接管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用使能平臺(tái)，通過平臺(tái)層接口對(duì)應(yīng)用層各種業(yè)務(wù)進(jìn)行開放[5]。NB-IoT端到端整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

2 運(yùn)營商面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

2.1 應(yīng)用場景和市場機(jī)遇

近年來，美國、歐盟、中國、日本等主要經(jīng)濟(jì)體高度重視物聯(lián)網(wǎng)，均從國家戰(zhàn)略角度積極出臺(tái)相關(guān)政策推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中國陸續(xù)出臺(tái)了互聯(lián)網(wǎng)+、中國制造2025等行動(dòng)綱領(lǐng)，將物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，市場前景廣闊。

在此產(chǎn)業(yè)背景下，LoRa、NB-IoT等LPWA技術(shù)出現(xiàn)，填補(bǔ)了技術(shù)空白，擴(kuò)展了新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。各種新的業(yè)務(wù)應(yīng)用陸續(xù)出現(xiàn)，如以智能抄表為代表的公共事業(yè)應(yīng)用；以智能停車、智能燈桿為代表的智慧城市應(yīng)用；以報(bào)警系統(tǒng)、采暖通風(fēng)控制系統(tǒng)為代表的智慧建筑應(yīng)用，以農(nóng)林牧漁家畜監(jiān)測控制、環(huán)境監(jiān)測控制為代表的智慧農(nóng)業(yè)與環(huán)境應(yīng)用；以可穿戴設(shè)備、VIP追蹤為代表的消費(fèi)醫(yī)療應(yīng)用；以設(shè)備監(jiān)測控制等為代表的工業(yè)控制應(yīng)用；以貨柜追蹤為代表的物流管理應(yīng)用。

NB-IoT與LoRa相比，具有一系列優(yōu)勢，使得NB-IoT更受運(yùn)營商青睞。首先，NB-IoT的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡可能與LTE保持兼容一致，便于利用LTE已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和全球廣覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，快速升級(jí)支持NB-IoT發(fā)展。其次，從頻率資源來看，NB-IoT帶寬窄，可利用LTE帶內(nèi)和保護(hù)帶帶寬資源，無需單獨(dú)申請(qǐng)或拍賣頻率；從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)來看，NB-IoT可與LTE共設(shè)備，基于已有LTE網(wǎng)絡(luò)快速升級(jí)，無需單獨(dú)建網(wǎng)；從技術(shù)特征來看，NB-IoT具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大容量等一系列技術(shù)優(yōu)勢，有效解決了傳統(tǒng)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)缺乏市場競爭優(yōu)勢的問題。因此NB-IoT自提出就備受市場關(guān)注，成為當(dāng)下最熱的LPWA技術(shù)之一。運(yùn)營商可基于已有網(wǎng)絡(luò)快速搭建一張連續(xù)深度覆蓋、低成本、低功耗、可漫游、質(zhì)量有保障的窄帶專用物聯(lián)網(wǎng)，拓展新興業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

2.2 運(yùn)營商面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前，運(yùn)營商發(fā)展NB-IoT也面臨很多方面的挑戰(zhàn)，包括商業(yè)模式、產(chǎn)業(yè)鏈、技術(shù)等。

商業(yè)模式挑戰(zhàn)指NB-IoT終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量極少，且對(duì)成本的敏感性高，可以預(yù)測通過增加連接數(shù)直接帶來的收入并不高。因此在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，尤其蜂窩低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)，如果僅作為數(shù)據(jù)管道，會(huì)使運(yùn)營商更快地陷入增量不增收的困境。運(yùn)營商除了提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)之外，還應(yīng)積極開拓并主導(dǎo)連接管理平臺(tái)和業(yè)務(wù)平臺(tái)的建設(shè)與運(yùn)營工作，為行業(yè)客戶提供端到端的綜合智能信息服務(wù)。通過將電信網(wǎng)絡(luò)能力、平臺(tái)能力、業(yè)務(wù)開發(fā)能力進(jìn)行整合匯聚，營造出一個(gè)開放的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營環(huán)境，在一些應(yīng)用領(lǐng)域通過自營或與產(chǎn)業(yè)鏈其他公司合作，共同提供解決方案，探索新的業(yè)務(wù)運(yùn)營模式。

產(chǎn)業(yè)鏈挑戰(zhàn)指NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈和市場成熟度與LoRa相比，存在一定滯后。NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈預(yù)計(jì)2017年初步成熟，大規(guī)模商用在2018年之后。相比之下，LoRa聯(lián)盟成立于2015年3月，目前擁有超過290多家成員，包括運(yùn)營商、系統(tǒng)、軟件、芯片、模組、云服務(wù)、應(yīng)用廠商，已構(gòu)建完整的生態(tài)系統(tǒng)，并在多個(gè)國家和地區(qū)部署商用。NB-IoT的強(qiáng)勢出現(xiàn)一方面?zhèn)让娲碳ち擞脩魧?duì)低功耗廣域網(wǎng)的熱情，激發(fā)了更多業(yè)務(wù)需求；一方面NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈短期無法成熟，給了LoRa快速發(fā)展的機(jī)會(huì)。如何深耕行業(yè)應(yīng)用，找準(zhǔn)NB-IoT的切入點(diǎn)，是運(yùn)營商發(fā)展NB-IoT面臨的挑戰(zhàn)。

技術(shù)挑戰(zhàn)指如何基于現(xiàn)有的頻率和網(wǎng)絡(luò)資源，快速、低成本部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，并避免或盡可能降低對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的影響。同時(shí)LPWA技術(shù)除了NB-IoT之外，還有基于LTE的eMTC技術(shù)、LoRa、Sigfox等。目前eMTC與NB-IoT有部分應(yīng)用重疊競爭關(guān)系，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)界有不同的聲音。如何在技術(shù)上保持NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)演進(jìn)，滿足運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)長期演進(jìn)需求，同時(shí)挖掘更多的基于NB-IoT的應(yīng)用，快速實(shí)現(xiàn)NB-IoT的規(guī)模應(yīng)用，需要產(chǎn)業(yè)鏈各方共同努力。

3 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)迎來歷史性發(fā)展機(jī)遇，物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)眾多，NB-IoT是低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)代表技術(shù)之一。文章中，我們重點(diǎn)介紹了NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展、網(wǎng)絡(luò)部署方案，并分析探討了NB-IoT可能的應(yīng)用場景和運(yùn)營商面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。一方面物聯(lián)網(wǎng)終端生命周期長，離網(wǎng)率低，可以預(yù)見NB-IoT網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營周期較長；一方面NB-IoT多部署在低頻，且技術(shù)特征已基本可滿足未來5G海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，因此需要NB-IoT在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上保持繼續(xù)演進(jìn)，以承載未來5G海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，降低運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)營成本。

參考文獻(xiàn)

[1] Qualcomm Incorporated， New Work Item： NarrowBand IOT （NB-IOT）， TSG RAN#69： 3GPP RP-151621[S]. 3GPP， 2015

[2] Huawei， HiSilicon， Revised Work Item： Narrowband IoT （NB-IoT）， TSG RAN#71： 3GPP RP-160656[S]. 3GPP， 2016

[3] Vodafone， Huawei， HiSilicon， Ericsson， Qualcomm， New work Item Proposal： Enhancements of NB-IoT， TSG RAN#72： 3GPP RP-161324[S]. 3GPP， 2016

[4] Huawei， HiSilicon， Revised work item proposal： Enhancements of NB-IoT， TSG RAN#73： 3GPP RP-161901[S]. 3GPP， 2016

[5] GSMA. Low Power Wide Area Solutions Assessment Version 1.0 [S]. 2015