電信運(yùn)營商蜂窩物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

索昂代吉

（青海省無線電管理辦公室玉樹管理處，玉樹 815000）

電信運(yùn)營商蜂窩物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

索昂代吉

（青海省無線電管理辦公室玉樹管理處，玉樹 815000）

本文從經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)3層系統(tǒng)架構(gòu)出發(fā)探討了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)。在此背景下，本文對(duì)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及運(yùn)營商蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入淺出的探討。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)；NB-IoT；網(wǎng)絡(luò)切片

物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用不斷深化，這顛覆性地改變著當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)和生活的方式，為產(chǎn)業(yè)帶來突破式創(chuàng)新、跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇。目前物聯(lián)網(wǎng)已上升為我國國家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

巨量的物聯(lián)網(wǎng)連接需求，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接入能力提出了更高的要求。目前的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以短距接入為主，占到市場(chǎng)一半以上的份額。隨著低功耗廣域（LPWA）技術(shù)的落地，將在部分場(chǎng)景中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的短距接入技術(shù)。GSMA報(bào)告顯示，2020年蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達(dá)到30億，以NB-IoT和eMTC等為代表的廣域蜂窩物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)由于采用授權(quán)頻譜，具有干擾小、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，成為了主流的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著工信部第27號(hào)公告發(fā)布，中國移動(dòng)正式獲得在900MHz頻段上部署蜂窩窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的許可。中國移動(dòng)將以先進(jìn)的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，助力各行業(yè)數(shù)字信息化發(fā)展，攜手打造低成本、高品質(zhì)、融合創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)全新生態(tài)體系。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)是中國移動(dòng)的重點(diǎn)發(fā)展方向和藍(lán)海市場(chǎng)，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)將成為運(yùn)營商市場(chǎng)業(yè)績新增長點(diǎn)。在此背景下，本文對(duì)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入淺出的探討。

1 物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)演進(jìn)及頻譜要求

LTE物聯(lián)網(wǎng)終端類型主要包括Cat4、Cat1、Cat0、CatM1和NB-IoT。各種LTE物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)比情況如表1所示。

物聯(lián)網(wǎng)無線接入技術(shù)種類眾多，包括ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙、Z-wave等短距和長距無線通信技術(shù)，如圖1所示。長距無線技術(shù)分為2類，包括工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)和工作于授權(quán)頻譜下傳統(tǒng)的2G/3G/4G蜂窩技術(shù)及其3GPP支持的LTE演進(jìn)技術(shù)，如LTE eMTC、NB-IoT等。受業(yè)界青睞的LPWA既包括廣域非授權(quán)頻譜技術(shù)LoRa和Sigfox，也包括授權(quán)頻譜的eMTC和NB-IoT等。目前NB-IoT、eMTC等蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最受全球運(yùn)營商的青睞，已經(jīng)成為運(yùn)營商開展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的最佳切入點(diǎn)。

表1 各種LTE物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)比

圖1 物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)演進(jìn)方向

傳統(tǒng)的2G/3G/4G物聯(lián)網(wǎng)頻率與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)一致。由于新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)NB-IoT與eMTC等產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展還不成熟，當(dāng)前運(yùn)營商的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)均基于傳統(tǒng)的2G/3G/4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)；并且在未來一段時(shí)間內(nèi)，仍會(huì)有部分物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)承載在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，因此基于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)，其使用頻率需要與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)保持一致。

未來NB-IoT/eMTC等基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的頻率部署總體跟隨LTE頻譜。NB-IoT與eMTC主要為了滿足低功率廣覆蓋的業(yè)務(wù)。由于低頻段在無線覆蓋質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)，因此，這兩種網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先考慮部署在低頻段。基于電信運(yùn)營商的頻譜資源現(xiàn)狀，在考慮部署NB-IoT和eMTC等基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時(shí)需跟進(jìn)LTE的頻譜使用情況。目前中國移動(dòng)考慮用于部署NB-IoT的頻段為2G的900 MHz、1.8 GHz和4G的高于2 GHz頻段。

2 運(yùn)營商蜂窩物聯(lián)網(wǎng)總體技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)模型是3層結(jié)構(gòu)：從下往上依次是感知層、傳輸層和應(yīng)用層。其中感知層以傳感器設(shè)備，控制器設(shè)備為主；傳輸層包含負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信的通信網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，路由和接入服務(wù)器等；應(yīng)用層則包含了應(yīng)用和云服。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要選擇。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高，連接簡單，服務(wù)質(zhì)量好，這些優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的大發(fā)展。以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為原型，物通過兩種方式連接到網(wǎng)絡(luò)：物直接作為蜂窩移動(dòng)終端連接到應(yīng)用層，典型的如移動(dòng)POS機(jī)；或者把蜂窩終端作為一個(gè)接入點(diǎn)連接到互聯(lián)網(wǎng)，典型的如藍(lán)牙設(shè)備通過手機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)，或者傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過一個(gè)2G/3G的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)。

3 運(yùn)營商蜂窩物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 NB-IoT無線頻譜及無線基站部署策略

3.1.1 無線頻譜部署策略

3GPP定義了3種NB-IoT場(chǎng)景部署：Stand-alone、Guard-band和In-band。

Stand-alone：頻譜獨(dú)占，不存在與現(xiàn)有系統(tǒng)共存問題；適合運(yùn)營商快速部署試商用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。部署時(shí)宜分階段實(shí)施：先采用Stand-alone方式來滿足覆蓋；等NB-IoT業(yè)務(wù)上量后，新增Stand-alone載波，多載波方案提升容量。

Guard-band：適合運(yùn)營商利用現(xiàn)網(wǎng)LTE網(wǎng)絡(luò)頻段的帶寬，最大化頻譜資源利用率；但需解決與LTE系統(tǒng)干擾規(guī)避、射頻指標(biāo)等共存問題。

In-band：若運(yùn)營商優(yōu)先考慮利用現(xiàn)網(wǎng)LTE網(wǎng)絡(luò)頻段中的RB（Resource Block，資源塊）則可考慮Inband方式部署NB-IoT，但同樣面臨與現(xiàn)有LTE系統(tǒng)共存問題。

3.1.2 無線基站部署策略宜將NB-IoT基站部署納入現(xiàn)有電信運(yùn)營商的基站部署規(guī)劃中，通過對(duì)現(xiàn)網(wǎng)無線站點(diǎn)資源和設(shè)備的復(fù)用、融合、升級(jí)，以達(dá)到快速部署NB-IoT、節(jié)省建網(wǎng)成本的目的。

3.2 核心網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

3.2.1 APN分立架構(gòu)

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)面向未來，滿足集中運(yùn)營支撐和2G/4G/NB-IoT/eMTC多種技術(shù)手段統(tǒng)籌發(fā)展需要，在滿足商用進(jìn)度的前提下，新設(shè)備應(yīng)緊盯核心網(wǎng)云化目標(biāo)，力爭采用虛擬化方式，加快核心網(wǎng)云化進(jìn)程。多種業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)，通過APN分離的方式，將人的通信與物聯(lián)網(wǎng)通信進(jìn)行分割。不同類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過基站進(jìn)入核心網(wǎng)網(wǎng)元，在經(jīng)過MME和SGW后，PGW根據(jù)APN進(jìn)行不同業(yè)務(wù)的分離。通過APN分離的方式，可以在初期滿足快速業(yè)務(wù)開通，應(yīng)對(duì)多種業(yè)務(wù)應(yīng)用需求；此外，APN分離的方式建設(shè)周期短，便于快速部署。

為適應(yīng)各類物聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)需求，特別是大連接接入、低成本等需要，核心網(wǎng)從數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化、低功耗低成本終端適應(yīng)、擁塞控制等方面提出了技術(shù)要求。核心網(wǎng)向基于云化的NFV虛擬化架構(gòu)演進(jìn)已經(jīng)成為業(yè)界發(fā)展趨勢(shì)。采用共平臺(tái)的云化架構(gòu)，集中部署VNF網(wǎng)元，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)伸縮，統(tǒng)一調(diào)度，業(yè)務(wù)的自動(dòng)發(fā)放，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí)與擴(kuò)容，最大利用硬件資源，降低投資成本。另外在后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)切片模式中，需要能夠根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行快速部署和靈活調(diào)度，甚至是跨運(yùn)營商的集成，都需要核心網(wǎng)具備云化的架構(gòu)。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)切片要求

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片部署場(chǎng)景

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要服務(wù)各種類型和需求的設(shè)備。不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要不同類型的網(wǎng)絡(luò)。在移動(dòng)性、計(jì)費(fèi)、安全、策略控制、延時(shí)、可靠性等方面有各不相同的要求。網(wǎng)絡(luò)切片能夠很好地適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣化需求。網(wǎng)絡(luò)切片是針對(duì)業(yè)務(wù)差異化、多租戶需求提供的一類解決方案技術(shù)的統(tǒng)稱，旨在通過功能、性能、隔離、運(yùn)維等多方面的靈活設(shè)計(jì)，使得運(yùn)營商能夠基于垂直行業(yè)的需求創(chuàng)建定制化的專用網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例是端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，由一組網(wǎng)絡(luò)功能、資源及連接關(guān)系構(gòu)成的集合，包括接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載傳輸網(wǎng)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，如圖2所示。

滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求的網(wǎng)絡(luò)切片需具備以下關(guān)鍵技術(shù)能力。

（1） 面向業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)切片配置：物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣化特征落實(shí)到網(wǎng)絡(luò)要求時(shí)會(huì)產(chǎn)生分化。因此，需提供靈活、多樣的網(wǎng)絡(luò)切片配置模型，以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)需求。

（2） 網(wǎng)絡(luò)切片的靈活可擴(kuò)展和精細(xì)化配置：面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)切片需根據(jù)業(yè)務(wù)需求彈性可擴(kuò)展，同時(shí)應(yīng)提供端到端的QoS和可靠性配置要求。使用NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，使得網(wǎng)絡(luò)功能擺脫了對(duì)底層基礎(chǔ)物理資源的依賴，網(wǎng)絡(luò)的靈活性得到了極大提升，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片靈活擴(kuò)展和配置的有效手段。

（3） 網(wǎng)絡(luò)切片的運(yùn)營和管理：在切片管理層面，需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期管理，切片的自動(dòng)化運(yùn)維和切片的多租戶管理。同時(shí)，在不同切片之間需要實(shí)現(xiàn)安全隔離機(jī)制。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的樞紐，向下接入分散的物聯(lián)網(wǎng)傳感層，匯集傳感數(shù)據(jù)，向上面向應(yīng)用服務(wù)提供商提供應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)性平臺(tái)和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)打破了傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用和終端設(shè)備的緊耦合關(guān)系，以松耦合的方式連通了底層設(shè)備、應(yīng)用開發(fā)者、第三方業(yè)務(wù)能力、企業(yè)IT系統(tǒng)能力(CRM、ERP等)，是物聯(lián)網(wǎng)端到端解決方案的核心。

為響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的靈活管理、快速開發(fā)、通用能力支撐等要求，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)需要具備相應(yīng)的功能模塊，相互之間的關(guān)系如圖3所示。

連接管理平臺(tái)（CMP）：對(duì)于移動(dòng)運(yùn)營商來說，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的管理呈現(xiàn)了新的需求。一方面，物聯(lián)網(wǎng)多樣化的業(yè)務(wù)場(chǎng)景使得話務(wù)模型呈現(xiàn)較大的差異，為了更好地適配業(yè)務(wù)的需求，運(yùn)營商需提供更加靈活的資費(fèi)套餐；另一方面，隨著大量諸如智能抄表等超低ARPU值的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的引入，運(yùn)營商對(duì)于管理成本的控制更為嚴(yán)格。為此，連接管理平臺(tái)的重要作用就逐漸凸顯出來。CMP應(yīng)用于運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)之上，為運(yùn)營商提供連接配置、計(jì)費(fèi)出賬、故障管理、資源配置及管理等功能，使得運(yùn)營商能夠更好地做好物聯(lián)網(wǎng)連接管理。

設(shè)備管理平臺(tái)（DMP）：DMP平臺(tái)構(gòu)建與業(yè)務(wù)應(yīng)用和終端設(shè)備之間，通過API接口為上層的應(yīng)用提供終端設(shè)備的統(tǒng)一接入和管理功能，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、在線升級(jí)、故障排查、生命周期管理等，加速業(yè)務(wù)功能開發(fā)和系統(tǒng)集成。

應(yīng)用支撐平臺(tái)（AEP)：AEP平臺(tái)是一類面向開發(fā)者提供應(yīng)用開發(fā)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的PaaS平臺(tái)，包括中間件、業(yè)務(wù)邏輯引擎、第三方接口等，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)時(shí)間。

業(yè)務(wù)分析平臺(tái)（BAP）：隨著大量的設(shè)備連接入網(wǎng)以及設(shè)備狀態(tài)信息的感知，基于物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的智能分析以及相關(guān)的行業(yè)應(yīng)用將體現(xiàn)出巨大的價(jià)值。業(yè)務(wù)分析平臺(tái)則是挖掘數(shù)據(jù)潛在價(jià)值、提升數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)效益的工具。BAP匯集各類相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)建模等方式提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析和行為預(yù)測(cè)能力，并以圖標(biāo)、儀表盤、數(shù)據(jù)報(bào)告等視覺化的方式予以展現(xiàn)。

3.4 某電信運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)策略

圖3 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)架構(gòu)

圖4 某電信運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

某電信運(yùn)營商現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)主要采用2G/4G技術(shù)，分為物聯(lián)卡和大眾卡，物聯(lián)卡由專網(wǎng)提供服務(wù)，大眾卡由省網(wǎng)負(fù)責(zé)提供。專網(wǎng)是指通過集中設(shè)置專用核心網(wǎng)、運(yùn)營支撐平臺(tái)、業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)，為物聯(lián)網(wǎng)用戶提供物聯(lián)?？ㄏ嚓P(guān)業(yè)務(wù)，并實(shí)用專用號(hào)段。省網(wǎng)是指全部使用省內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)支撐等資源提供大眾卡業(yè)務(wù)，并使用公網(wǎng)號(hào)段。專網(wǎng)和省網(wǎng)共用2G/4G無線網(wǎng)、無線接入相關(guān)的核心網(wǎng)設(shè)備（SGSN/MME、S-GW），核心網(wǎng)HSS、PGW、PCRF/SPR、SMSC等、運(yùn)營平臺(tái)、支撐網(wǎng)等部分需要分別設(shè)置。目前某電信運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)如圖4所示，該運(yùn)營商在重慶建設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)全網(wǎng)運(yùn)營管理平臺(tái)和業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)，HLR、MSC、GGSN在南北基地集中部署，無線網(wǎng)與接入相關(guān)的核心網(wǎng)設(shè)備共用大網(wǎng)。

4 總結(jié)和展望

業(yè)務(wù)需求和技術(shù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)著蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷向前演進(jìn)。一方面，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)繼續(xù)向低功耗廣覆蓋技術(shù)演進(jìn)；另一方面，向低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)特征的技術(shù)演進(jìn)，如未來的LTE-V及5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。多條技術(shù)路線的演進(jìn)促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，為未來人類提供更加便捷、高效的生活方式和服務(wù)。電信運(yùn)營商需要秉承開放的姿態(tài)，與各產(chǎn)業(yè)鏈伙伴積極合作，共同開拓物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)新空間，在創(chuàng)新中發(fā)展，共享萬物互聯(lián)的新時(shí)代。

Research on key technologies of cellular IoT networking for telecom operators

SUO Ang-daiji
(Office of Yushu Radio Management,Wireless Administration of Qinghai Provicial, Yushu 815000, China)

This paper discusses the overall architecture of cellular Internet of things from the three layer system architecture of the classic Internet of things. In this context, this paper discusses the key technologies of cellular IoT networking.

Internet of things; narrow band Internet of things; network slice

TN929.5

A

1008-5599（2017）12-0054-05

2017-09-18