NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)及商用部署研究

譚敏，曾軍，董亨琦

（1 烽火技術(shù)服務(wù)有限公司, 武漢 430073；2 中原電子集團(tuán)有限公司，武漢 430073）

根據(jù)Gartner預(yù)測(cè)，到2020年M2M連接數(shù)將達(dá)到210億個(gè)，人均接入終端6.8個(gè)，大連接時(shí)代正在來臨。然而短距接入為主的物聯(lián)網(wǎng)受到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的制約，價(jià)值無法得到最大化的體現(xiàn)。從蜂窩技術(shù)衍生出來的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)，將帶領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)從局域走向廣域。

NB-IoT作為運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)的新一代蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，在覆蓋范圍、功耗、安全性等多方面具備優(yōu)勢(shì)，并可以滿足目前絕大部分應(yīng)用場(chǎng)景。伴隨著3GPP標(biāo)準(zhǔn)在2016年凍結(jié)，在國(guó)家政策支持下，三大運(yùn)營(yíng)商準(zhǔn)備在2017年基本完成NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，速度領(lǐng)先全球。NB-IoT的全面部署也將驅(qū)動(dòng)上游芯片、通信模塊和下游應(yīng)用市場(chǎng)，帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的升級(jí)和革新。

NB-IoT是基于LTE的基本架構(gòu)，面向大連接、廣覆蓋、低成本、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)包括：

（1）覆蓋增強(qiáng)（相對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)提升20 dB）：下行采用15 kHz子載波間隔，上行采用3.75 kHz和15 kHz兩種子載波間隔，終端最小發(fā)送寬帶3.75 kHz。

（2）大規(guī)模連接：5萬(wàn)+連接200 kHz/CELL。

（3）超低功耗：10年電池壽命，采用了PSM和eDRX技術(shù)，尋呼優(yōu)化技術(shù)，系統(tǒng)信息有效時(shí)間延長(zhǎng)到24 h。

（4）超低成本：簡(jiǎn)化終端功能，僅支持半雙工方式，支持帶寬180 kHz，減少處理進(jìn)程數(shù)。

（5）最小信令開銷：支持CP和UP兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，無下行反饋信道。

（6）時(shí)延放寬到10 s以上。

1 NB-IoT商用部署改造需求

NB-IoT的商用部署涉及芯片模組、網(wǎng)絡(luò)傳輸和平臺(tái)應(yīng)用等諸多問題。如圖1所示。

1.1 芯片模組

芯片模組的需求包括支持NB-IoT協(xié)議；實(shí)現(xiàn)低成本；實(shí)現(xiàn)低功耗、長(zhǎng)續(xù)航；安全協(xié)議和算法的優(yōu)化。

芯片模組的改造工作包括基于新的物理層技術(shù)及低成本、低功耗的要求，需要對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，重新進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)；基于新的簡(jiǎn)化后的協(xié)議棧設(shè)計(jì)及通信套件，需要進(jìn)行新的軟件開發(fā)；NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)卡和芯片的集成設(shè)計(jì)；增加終端本地的安全防護(hù)措施，包括安全存儲(chǔ)、安全更新、隱私保護(hù)、機(jī)卡綁定和軟件防篡改。

圖1 NB-IOT商用部署系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸

無線網(wǎng)的需求包括實(shí)現(xiàn)協(xié)議的簡(jiǎn)化（包括安全協(xié)議的簡(jiǎn)化處理）和支持無線信號(hào)覆蓋的增強(qiáng)。

無線網(wǎng)的改造工作包括基于多載波GSM基站升級(jí)，增加復(fù)用基站數(shù)量；基于現(xiàn)有的基站，新增室內(nèi)基帶處理單元；集中式室內(nèi)基帶處理單元的部署?；诂F(xiàn)有基站，增加遠(yuǎn)端射頻模塊和天饋線的數(shù)量。

核心網(wǎng)的需求包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的簡(jiǎn)化；數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)化；提供新的計(jì)費(fèi)機(jī)制；部署網(wǎng)絡(luò)邊界安全防護(hù)（例如防火墻等）。

核心網(wǎng)的改造工作包括LTE網(wǎng)元的新建和升級(jí)（主要包括移動(dòng)管理網(wǎng)元，連接Internet的網(wǎng)元和用戶接入網(wǎng)絡(luò)側(cè)的網(wǎng)元）。

1.3 平臺(tái)應(yīng)用

平臺(tái)應(yīng)用的需求包括提供海量用戶的接入能力；提供海量數(shù)據(jù)的處理能力；部署平臺(tái)安全防護(hù)措施；部署數(shù)據(jù)防火墻。提供終端產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)服務(wù)。

平臺(tái)應(yīng)用的改造工作包括基于現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備管理平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)；新建大數(shù)據(jù)中心應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理和分析；新建物聯(lián)網(wǎng)融合認(rèn)證和業(yè)務(wù)保障平臺(tái)；增加平臺(tái)的安全防護(hù)措施和數(shù)據(jù)防火墻；增加終端產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)管理，提供增值服務(wù)。

2 NB-IoT商用部署策略

目前，行業(yè)龍頭企業(yè)紛紛進(jìn)行NB-IoT市場(chǎng)的布局。2016年4月，倫敦 M2M 大會(huì)上華為宣布與沃達(dá)豐成立NB-IoT開放實(shí)驗(yàn)室；2016年12月，中興通訊在積極與國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商合作，進(jìn)行NB-IoT的規(guī)范制訂、技術(shù)試驗(yàn)和試點(diǎn)建設(shè)的同時(shí)，與移動(dòng)合作完成了業(yè)界首家基于3GPP NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的技術(shù)驗(yàn)證演示；2017年3月，華為與深圳水務(wù)、中國(guó)電信聯(lián)合發(fā)布全球首個(gè)商用智慧水務(wù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。

2.1 頻率部署

3GPP定義了NB-IoT的3種部署場(chǎng)景，獨(dú)立部署Standalone：利用目前現(xiàn)網(wǎng)空閑的頻譜或者新的頻譜進(jìn)行部署，保護(hù)帶部署Guard-Band：利用目前LTE載波保護(hù)帶上沒有使用的資源塊進(jìn)行部署，帶內(nèi)部署In-Band：利用現(xiàn)網(wǎng)LTE網(wǎng)絡(luò)頻段中的資源塊進(jìn)行部署。NB-IoT的頻率部署方式如圖2所示。

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商可用的頻率如表1所示。

頻率部署建議遵循以下原則。

（1）優(yōu)選已有的最低頻段，因?yàn)轭l率越低，覆蓋越好，建網(wǎng)的成本也就越低。

（2）盡可能的規(guī)避干擾。

（3）考慮未來該頻段向FDD的演進(jìn)需求。

運(yùn)營(yíng)商B頻率部署實(shí)例分析：對(duì)于3種部署場(chǎng)景，獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署以及帶內(nèi)部署。其中保護(hù)帶部署在系統(tǒng)容量上表現(xiàn)不佳，帶內(nèi)部署在覆蓋上受到一定限制，獨(dú)立部署是相對(duì)較好的部署方式。根據(jù)優(yōu)選低頻段的原則，建議使用GSM 900 MHz頻點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際頻率的使用情況，初步選取了3種部署方案，如圖3所示。

3種方案分析如下：方案1與GSM-R頻率緊鄰，易與運(yùn)營(yíng)商B產(chǎn)生信號(hào)干擾；方案2旁邊沒有緊鄰其它頻點(diǎn)，干擾較少；方案3的頻點(diǎn)相對(duì)于前兩個(gè)方案的頻點(diǎn)較高，隨著天饋線的老化，互調(diào)問題將逐漸凸顯。另外考慮FDD在演進(jìn)過程中，方案2所受的影響也最小。綜合以上分析，建議運(yùn)營(yíng)商B采用方案2進(jìn)行NB-IoT的頻率選擇和部署。

圖2 NB-IOT的頻率部署方式

表1 運(yùn)營(yíng)商可用頻率現(xiàn)狀

2.2 成本控制

工信部下發(fā)了《關(guān)于全面推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)建設(shè)發(fā)展的通知》。通知要求，到2017年末，我國(guó)NB-IoT基站規(guī)模要達(dá)到40萬(wàn)個(gè)，到2020年，我國(guó)NB-IoT基站規(guī)模要達(dá)到150萬(wàn)個(gè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于全國(guó)覆蓋。

海量的基站建設(shè)，對(duì)建站成本的要求更加嚴(yán)苛，本文對(duì)低成本部署的方向進(jìn)行分析，主要通過以下3個(gè)方面進(jìn)行建站成本的控制。

（1）減少非必要區(qū)域站點(diǎn)的建設(shè)。由于NB-IoT的技術(shù)非常有特點(diǎn)，適用于地理位置偏僻、穿透力需求強(qiáng)以及市電引入不方便的場(chǎng)景，因此在NB-IoT前期的實(shí)際部署中可以考慮業(yè)務(wù)的需求特點(diǎn)，在業(yè)務(wù)需求區(qū)域進(jìn)行建設(shè)，減少非業(yè)務(wù)需求區(qū)域站點(diǎn)的部署。

（2）降低站址的數(shù)量。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商B，參照頻率部署的實(shí)例分析，建議僅在GSM覆蓋站的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)建設(shè)，實(shí)際NB-IoT的深度覆蓋；建議利用NB-IoT的20 dB覆蓋增益的特點(diǎn)，在廣域覆蓋的場(chǎng)景下采用更加稀疏的站點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)建設(shè)，達(dá)到全覆蓋的效果； 建議針對(duì)特定的場(chǎng)景、特定的業(yè)務(wù)，采用“物聯(lián)網(wǎng)小站”增強(qiáng)覆蓋，提升信號(hào)質(zhì)量。

（3）降低設(shè)備成本。建議充分考慮室內(nèi)和室外部署的特點(diǎn)，室內(nèi)采用基帶處理單元集中化部署的方式，室外的遠(yuǎn)端射頻模塊可以選擇升級(jí)或者新建，從而減少設(shè)備的投入，進(jìn)一步降低成本。

圖3 運(yùn)營(yíng)商B頻率部署實(shí)例

2.3 安全認(rèn)證

在NB-IoT的商用部署中，安全與認(rèn)證需要重點(diǎn)考慮以下內(nèi)容。

（1）統(tǒng)一并減少認(rèn)證流程，降低認(rèn)證成本。目前在具體業(yè)務(wù)中通常采用兩套認(rèn)證流程。一套是網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證，即認(rèn)證物聯(lián)設(shè)備能夠接入到網(wǎng)絡(luò)，一般采用成熟的蜂窩認(rèn)證體系；另一套是業(yè)務(wù)認(rèn)證，即認(rèn)證物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能否接入到業(yè)務(wù)平臺(tái)。這兩套認(rèn)證流程相對(duì)比較獨(dú)立，且認(rèn)證技術(shù)也較為復(fù)雜，導(dǎo)致安全認(rèn)證的成本較高。因此需要在保證不同運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)間的互通性、兼容性以及設(shè)備間良好兼容性的情況下，研究設(shè)備的統(tǒng)一認(rèn)證機(jī)制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證和業(yè)務(wù)認(rèn)證相融合，從而有效的降低產(chǎn)業(yè)鏈中的認(rèn)證成本。

（2）端到端的安全傳輸。目前有兩條技術(shù)路線，一是SP自行完成端到端的安全傳輸保護(hù)，二是由供應(yīng)商完成分段的安全傳輸保護(hù)。

（3）新增平臺(tái)、網(wǎng)元的安全防護(hù)。建議設(shè)計(jì)新增網(wǎng)元的安全防護(hù)機(jī)制，以保護(hù)緩存數(shù)據(jù)和通信接口的安全。

（4）建設(shè)數(shù)據(jù)防火墻。為解決網(wǎng)關(guān)及開放平臺(tái)與公網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)訪問傳輸安全，建議建設(shè)大數(shù)據(jù)安全管控平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)訪問進(jìn)行認(rèn)證和授權(quán)，檢測(cè)異常行為，實(shí)現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)脫敏，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)視圖生成等功能。

（5）終端安全防護(hù)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)終端需要考慮無人值守，能力受限等帶來的安全新挑戰(zhàn)與新需求，如機(jī)卡綁定與軟件防篡改、數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)、固件系統(tǒng)的安全更新和特定場(chǎng)景下的隱私保護(hù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商在2017年基本完成NB-IoT的廣域覆蓋，速度領(lǐng)先全球。華為作為先行者在全球范圍內(nèi)引領(lǐng)NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的制定，中興、大唐等企業(yè)正在逐步形成包括芯片、模組、終端、網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)在內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備生產(chǎn)和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)能力。三大運(yùn)營(yíng)商均提出各自的NB-IoT的商用計(jì)劃，圍繞NB-IoT的商用部署正在如火如荼的開展中。對(duì)于在部署過程中可能出現(xiàn)的一些重要問題，本文開展了有針對(duì)性的分析和研究，闡述了NB-IoT在商用部署中涉及的改造需求和部署策略，并重點(diǎn)對(duì)頻點(diǎn)的選擇提出了具體應(yīng)用方案，并提出了基于現(xiàn)網(wǎng)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方案和建議。