運(yùn)營(yíng)商窄帶物聯(lián)網(wǎng)部署實(shí)現(xiàn)探討

楊曉鳴，孫曉亮

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410001）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷演進(jìn)發(fā)展，全球信息科技發(fā)展正經(jīng)歷著從互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的延伸。世界各國(guó)家都在加緊制定物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，我國(guó)早在2010年《政府工作報(bào)告》中就將物聯(lián)網(wǎng)提升到了戰(zhàn)略高度。2017年1月，工信部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，預(yù)計(jì)到2020年，物聯(lián)網(wǎng)總體產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破1.5萬億元，公眾網(wǎng)絡(luò)M2M連接數(shù)將突破17億。在國(guó)家政策引領(lǐng)與市場(chǎng)空間的驅(qū)動(dòng)下，運(yùn)營(yíng)商、軟件開發(fā)商、設(shè)備廠商、系統(tǒng)集成商紛紛開始物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)布局，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出百舸爭(zhēng)流的繁榮景象。

與此同時(shí)，在大眾消費(fèi)市場(chǎng)日趨飽和、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇的影響下，運(yùn)營(yíng)商盈利增長(zhǎng)趨緩，亟待尋求新的盈利增長(zhǎng)點(diǎn)。運(yùn)營(yíng)商需借助自身優(yōu)勢(shì)，抓住萬物互聯(lián)發(fā)展的新機(jī)遇，更好的發(fā)揮利用連接驅(qū)動(dòng)增長(zhǎng)的發(fā)展模式。由于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以讓運(yùn)營(yíng)商容易在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上平滑升級(jí)支持物聯(lián)網(wǎng)，因此受到運(yùn)營(yíng)商的青睞，成為運(yùn)營(yíng)商搶占物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的重要技術(shù)手段。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

NB-IoT（NarrowBand-IoT，窄帶物聯(lián)網(wǎng)），是3GPP為運(yùn)營(yíng)商定制的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。NB-IoT主要聚焦于低速率、深度覆蓋、低功耗、廣覆蓋、大連接的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，屬于LPWAN技術(shù)（Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）中的一種。

NB-IoT具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）覆蓋廣且深，低時(shí)延敏感：NB-IoT具有更高的功率譜密度，更多重傳次數(shù)， 比GPRS提升20 dB增益，有效提升覆蓋廣度和深度，同時(shí)可允許時(shí)延約10 ms。

（2）低功耗，NB-IoT借助PSM（Power Saving Mode節(jié)電模式）和eDRX（Enhanced Discontinuous Reception延長(zhǎng)的非連續(xù)接受）模式，延長(zhǎng)睡眠周期，減少終端監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)頻度，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)待機(jī)。

（3）成本較低，采用簡(jiǎn)化的協(xié)議棧，降低基帶處理復(fù)雜度，功率放大器尺寸小，可降低芯片模組成本。

（4）海量連接，采用窄帶技術(shù)，提高信道容量；減少空口信令開銷，提高頻譜效率，提供50～100倍于移動(dòng)蜂窩技術(shù)的接入數(shù)。

（5）安全穩(wěn)定，繼承4G網(wǎng)絡(luò)安全能力，提供電信級(jí)的可靠接入。

2 運(yùn)營(yíng)商N(yùn)B-IoT網(wǎng)絡(luò)部署實(shí)現(xiàn)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)由終端、無線基站、核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通用平臺(tái)和垂直行業(yè)應(yīng)用平臺(tái)幾個(gè)部分組成如圖1所示。

圖1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

2.1 無線網(wǎng)絡(luò)部署

2.1.1 NB-IoT部署模式分析

NB-IoT技術(shù)支持部署3種部署模式：獨(dú)立部署（Stand-alone）、保護(hù)帶部署（Guard-band）、帶內(nèi)部署（In-band）如圖2所示。

圖2 NB-IoT的部署模式

（1）獨(dú)立部署（Stand-alone）：利用現(xiàn)網(wǎng)空閑頻譜或新的頻譜部署NB-IoT，頻寬200 kHz。適合GSM/CDMA頻段重耕，騰出頻譜資源用于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

（2）保護(hù)帶部署（Guard-band）：NB-IoT工作于LTE系統(tǒng)中邊緣的保護(hù)帶。

（3）帶內(nèi)部署（In-band）：NB-IoT占用LTE載波的任意一個(gè)資源塊，但邏輯上仍是獨(dú)立系統(tǒng)。

以中國(guó)電信為例，中國(guó)電信已完成800 MHz重耕，建設(shè)全覆蓋的LTE 800 MHz網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)上部署NB-IoT。其NB-IoT頻譜部署方式分析如下：

（1）獨(dú)立部署（Stand-alone）：從中國(guó)電信的頻譜資源來看，在879.105～880 MHz之間有895 kHz的空閑頻譜資源，可用于NB-IoT獨(dú)立部署。NB-IoT載波位于879.4～879.6 MHz，預(yù)留295 kHz作為與CDMA的鄰頻保護(hù)帶，以避免與LTE的同頻干擾。

（2）保護(hù)帶部署（Guard-band）：對(duì)2G/3G頻段進(jìn)行重耕的初期，考慮部署5 MHz帶寬的LTE，Guard-band兩邊只有250 kHz，不支持保護(hù)帶部署NB-IoT。

（3）帶內(nèi)部署（In-band）：可占用LTE帶內(nèi)一個(gè)RB的帶寬部署NB-IoT。但此種方式下，2個(gè)系統(tǒng)的頻帶相鄰，存在頻率干擾。為避免干擾，NB-IoT發(fā)射功率應(yīng)不超過LTE功率譜密度的6 dB，其覆蓋將受限。

2.1.2 NB-IoT組網(wǎng)方式分析

NB-IoT通過Filter OFDM、更多重傳次數(shù)等技術(shù)手段有效提升了無線覆蓋能力，較GSM增強(qiáng)20 dB。一方面可用于減少NB-IoT基站數(shù)量，采用1：N的組網(wǎng)方式部署NB-IoT和LTE基站；另一方面可采用1：1的組網(wǎng)方式，利用其增益提升覆蓋的深度。

采用1：N組網(wǎng)將犧牲物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的可用性、容量和功耗，適用于淺層覆蓋的業(yè)務(wù)，如智能路燈、智能停車類業(yè)務(wù)。對(duì)于要求深度覆蓋的業(yè)務(wù)，如抄表類，則需要采用1：1組網(wǎng)。因此運(yùn)營(yíng)商需要根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)及發(fā)展階段，靈活選擇組網(wǎng)部署方式。

目前中國(guó)電信采用獨(dú)立部署方式在283頻點(diǎn)之上部署NB-IoT，與800 MHz LTE基站共享基帶、射頻、天饋資源，采用1：1組網(wǎng)方式。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)部署演進(jìn)示意圖

2.2 核心網(wǎng)部署

由于物聯(lián)網(wǎng)用戶與普通LTE用戶差異較大，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有海量連接、數(shù)據(jù)分組小、功耗敏感等特點(diǎn)，因此建議部署專用的物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)，同時(shí)積極引入NFV。運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)的部署可分步驟演進(jìn)。

2.2.1 初期階段：現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)

物聯(lián)網(wǎng)接入數(shù)量尚處于起步階段，業(yè)務(wù)類型較為單一。建議采用大區(qū)制建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專用的HSS、 PGW網(wǎng)元。同時(shí)，各省網(wǎng)現(xiàn)有EPC核心網(wǎng)元MME、SGW進(jìn)行軟件升級(jí)并按需擴(kuò)容，在容量、功能等方面保障物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展。

2.2.2 中期階段：虛擬專網(wǎng)

本階段物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)大規(guī)模發(fā)展，核心網(wǎng)以滿足海量連接的物聯(lián)網(wǎng)接入為目標(biāo)。逐步引入NFV技術(shù)構(gòu)建虛擬物聯(lián)網(wǎng)vEPC專網(wǎng)，推進(jìn)“人網(wǎng)”、“物網(wǎng)”接入分離。

此階段為過渡階段，現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)EPC與vEPC共存，大部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用采用vEPC進(jìn)行承載。

2.2.3 遠(yuǎn)期階段：業(yè)務(wù)快速部署

本階段將推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)，基于統(tǒng)一NFVI構(gòu)建專用接入，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的按需編排，實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源統(tǒng)一調(diào)配和動(dòng)態(tài)擴(kuò)容。通過虛擬化物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)對(duì)不同類別的業(yè)務(wù)和應(yīng)用進(jìn)行切片，提供對(duì)應(yīng)的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速部署和靈活調(diào)度。

圖3為物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)部署演進(jìn)示意圖。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)通用服務(wù)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)通用服務(wù)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的重要組成部分，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)提供服務(wù)，向終端提供開放的終端OS和開發(fā)套件；向網(wǎng)絡(luò)提供多種速率的連接，實(shí)現(xiàn)連接可感知、可控制、可診斷；向應(yīng)用開發(fā)者提供標(biāo)準(zhǔn)化、易用的開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的快速開發(fā)和部署；向最終用戶提供便捷的業(yè)務(wù)入口，實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)。

物聯(lián)網(wǎng)通用服務(wù)平臺(tái)一般包括連接管理平臺(tái)和應(yīng)用使能平臺(tái)，如圖4所示。

2.3.1 連接管理平臺(tái)

CMP平臺(tái)應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)連接配置和故障管理、保證終端聯(lián)網(wǎng)通道穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)資源用量管理、連接資費(fèi)管理、賬單管理、套餐變更、號(hào)碼/IP地址/Mac資源管理，更好的幫助運(yùn)營(yíng)商做好物聯(lián)網(wǎng)SIM的管理。CMP平臺(tái)通過與運(yùn)營(yíng)商IT支撐系統(tǒng)、核心網(wǎng)專用網(wǎng)元的交互，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

2.3.2 應(yīng)用使能平臺(tái)

AEP平臺(tái)是提供應(yīng)用開發(fā)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的PaaS平臺(tái)，架構(gòu)在連接管理平臺(tái)CMP平臺(tái)之上。AEP平臺(tái)提供：成套應(yīng)用開發(fā)工具、中間件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、業(yè)務(wù)邏輯引擎、對(duì)接第三方系統(tǒng)API等。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)通用服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)

建議運(yùn)營(yíng)商根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及NB-IoT關(guān)鍵業(yè)務(wù)特點(diǎn)開展物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)。平臺(tái)架構(gòu)采用集約、開放的模式，著眼于滿足集團(tuán)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的支撐，保障業(yè)務(wù)需求的快速響應(yīng)部署。

3 NB-IoT典型應(yīng)用部署方案

NB-IoT是專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。在智慧城市應(yīng)用、公共事業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、大眾消費(fèi)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前典型的NB-IoT應(yīng)用場(chǎng)景列舉如下。

3.1 智能停車

圖5 智能停車NB-IoT部署示意圖

智能停車是應(yīng)用最廣泛的城市物聯(lián)網(wǎng)之一，示意圖如圖5所示。目前常用的方案是在停車位處安裝車檢器，車檢器采用非授權(quán)頻段技術(shù)（如ZigBee）將車位信息上報(bào)給匯聚網(wǎng)關(guān)，匯聚網(wǎng)關(guān)通過運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上報(bào)到管理平臺(tái)。由于非授權(quán)頻段通信存在信號(hào)干擾，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性安全性較差；且匯聚網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍有限，通常一個(gè)匯聚網(wǎng)關(guān)只能管理10～15個(gè)車位，部署工作量較大。

采用NB-IoT部署智能停車，只需在車檢器上安裝NB-IoT芯片，通過芯片與運(yùn)營(yíng)商基站的通信即可實(shí)現(xiàn)，無需根據(jù)車位數(shù)量部署相應(yīng)的匯聚網(wǎng)關(guān)，可降低部署工作量。部署成本方面，只需考慮芯片及運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)租用成本，維護(hù)成本也大大降低。同時(shí)，后續(xù)車位擴(kuò)容簡(jiǎn)單，無需考慮網(wǎng)絡(luò)兼容性問題，并可提供運(yùn)營(yíng)商級(jí)別網(wǎng)絡(luò)保障，優(yōu)勢(shì)明顯。

3.2 智能抄表

傳統(tǒng)智能抄表常采用電力線載波（PLC）、ZigBee等技術(shù)，通過區(qū)域通信接入設(shè)備（集中區(qū)、采集器）連接管理平臺(tái)。

應(yīng)用NB-IoT技術(shù)的智能抄表業(yè)務(wù)，不再需要部署區(qū)域通信設(shè)備及有線接入線路，僅需租用運(yùn)營(yíng)商無線網(wǎng)絡(luò)，大大降低建設(shè)難度，縮短建設(shè)周期，減少建設(shè)投資和維護(hù)成本。且NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋廣且深，容量大，可靠性高，信息安全有保障等特點(diǎn)，適用于抄表類業(yè)務(wù)，易于推廣。

3.3 智能路燈

目前城市路燈主要采用組控方式，一個(gè)路段設(shè)置一個(gè)配電箱，采用組控方式負(fù)責(zé)數(shù)十盞路燈的開關(guān)。隨著路燈站址資源的逐步挖掘，路燈將成為智慧城市建設(shè)的新錨點(diǎn)，智慧路燈運(yùn)營(yíng)商除提供照明外，還可在燈桿上集成充電樁、停車管理、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、緊急呼叫等功能。

采用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行智慧路燈運(yùn)營(yíng)可提供端到端網(wǎng)絡(luò)方案，不僅能實(shí)現(xiàn)照明的單燈控制與調(diào)光，節(jié)約能源，還可更好的集成多種應(yīng)用，避免組建復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、部署和維護(hù)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入到人們生產(chǎn)生活的方方面面。物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)將是一個(gè)巨大的藍(lán)海等待人們?nèi)ネ诰?，越來越多的業(yè)務(wù)需求驅(qū)動(dòng)著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷演進(jìn)發(fā)展，也為電信運(yùn)營(yíng)商帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

NB-IoT作為低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的代表，在低速率物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中扮演著重要的角色，是電信運(yùn)營(yíng)商搶占物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的重要切入點(diǎn)。隨著芯片廠商、運(yùn)營(yíng)商、平臺(tái)提供商等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的積極推動(dòng)，NB-IoT技術(shù)解決方案落地及其商用進(jìn)程正在緊鑼密鼓的向前演進(jìn)，基于NB-IoT技術(shù)的商業(yè)模式也將趨于成型。未來，NBIoT技術(shù)將被更廣泛的應(yīng)用于不同的垂直行業(yè)，引領(lǐng)萬物互聯(lián)的新時(shí)代。

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