关于中国电信物联网的部署策略的探讨

皮和平

【摘 要】為了支撑高速增长的物联网业务，运营商需快速部署网络。通过对NB-IoT在覆盖、功耗、连接数、成本等方面的优势进行比较，分析了NB-IoT的关键技术，并以中国电信NB-IoT网络部署为例，研究了NB-IoT总体架构、部署场景和部署频段，提出了NB-IoT的覆盖、容量、基站侧及核心网设计方案。

【关键词】物联网 LPWA NB-IoT

1 引言

2016年9月，国内移动电话用户数达到13.16亿户，渗透率为96%。未来移动业务发展空间有限，运营商纷纷瞄准广阔的物联网业务空间。目前全球物联网市场增长迅速，预计2020年连接数为160亿，年复合增长率为18%，物联网成为运营商确定的高增长业务。我国三大运营商近期均制定了物联网的发展策略，其中中国电信把物联网确定为电信五个重点业务发展方向之一，计划2017年商用。

在物联网应用中，LPWA（Low Power Wide Area，低功耗广域技术）占据物联网的半壁江山，业务份额超过60%，典型业务包括抄表、智能停车、农林渔牧、资产跟踪等。基于此，本文分析了NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）的关键技术，并从NB-IoT总体架构、部署场景、部署频段、覆盖、容量、基站侧及核心网等方面对中国电信的物联网部署策略进行了探讨。

2 LPWA技术选择

非蜂窝的LPWA发展较早，如LoRa、SigFox。这些技术基于非授权频谱，存在干扰问题，且传输安全性低。支持厂家大多为非主流通信厂商，无法形成规划市场效应。此外，运营商对低功耗、低成本、低速率、广/深覆盖方面需求强烈，LoRA、SigFox存在不足，因此不能充分满足要求。

NB-IoT基于授权频谱，与现有蜂窝网融合演进，在覆盖、功耗、连接数、成本等方面性能优异，符合LPWA类业务需求，所以得到了全球主流运营商的支持，我国三大运营商也选择部署NB-IoT。

3 NB-IoT关键技术

3.1 NB-IoT标准进展

NB-IoT国际标准核心协议已经完成。3GPP已在2016年6月完成NB-IoT核心协议标准，相关性能指标和终端一致性测试标准在2016年12月完成，具体进展如图1所示：

3.2 NB-IoT关键技术

（1）广覆盖：比GPRS增加20 dB

◆窄带功率谱密度提升7 dB；

◆2～16次重传，增益3～12 dB；

◆编码增益3～4 dB。

（2）低功耗：寿命超10年

◆芯片复杂度降低，工作电流小；

◆空口信令简化，减少单次数传功耗；

◆基于覆盖等级的控制和接入，减少单次数传时间；

◆PSM节能模式，终端功耗仅15 μW；

◆eDRX（扩展周期不连续接收），减少终端监听网络的频度；

◆长周期TAR/RAU，减少终端发送位置更新的次数；

◆只支持小区选择和重选的移动性管理，减少测量开销。

（3）大连接：100 k连接数每小区

◆频谱效率高；

◆小包数据发送特征；

◆终端极低激活比。

（4）低成本：模组成本小于5美元

◆180 kHz窄带系统，基带复杂度低；

◆低采样率，缓存要求小；

◆单天线，半双工，RF成本低；

◆峰均比低，功放效率高，23 dBm发射功率可支持单片SoC内置功放；

◆协议栈简化，减少片内FLASH/RAM。

4 中国电信NB-IoT网络设计

4.1 NB-IoT总体架构

NB-IoT网络包括NB-IoT终端、NB-IoT基站、NB-IoT分组核心网、IoT连接管理平台和行业应用服务器。需要新建或升级现网基站支持NB-IoT业务，部署NB-IoT业务专用的EPC，同时需要新部署IoT连接管理平台。

IoT连接管理平台的功能是：提供对各种传感器、SIM卡的数据采集和管理功能，同时可以把数据开放给第三方应用系统，让各种应用能够快速构建自己的物联网业务。

NB-IoT网络总体架构如图2所示。

4.2 频段设计

中国电信1800 MHz LTE网络已覆盖全国城区、乡镇及部分发达行政村，计划2017年上半年建成覆盖农村及城区的800 MHz LTE网络。

在覆盖方面，低频具有非常明显的优势。根据仿真，在满足相同覆盖的情况下，NB-IoT 800 MHz覆盖距离大约是1800 MHz的2倍。在深度、广度覆盖方面，800 MHz较1800 MHz深度覆盖能力提升7～15 dB。因此，采用低频建网可以有效地降低站点数量，并提升深度覆盖。中国电信优先选择800 MHz频段部署NB-IoT。

4.3 部署场景设计

3GPP定义了NB-IoT的部署场景分别是独立部署（Stand-alone）、保护带部署（Guard-band）和带内部署（In-band），具体如下：

（1）独立部署主要是利用现网的空闲频谱或者新的频谱部署NB-IoT；

（2）保护带部署是利用现网的LTE网络频段的带宽，最大化频谱资源利用率；

（3）带内部署是利用现网LTE网络频段中的RB（Resource Block，资源块）以部署NB-IoT。

在带内部署方面，NB-IoT频谱紧临LTE的RB。为了避免干扰，3GPP定义NB-IoT频谱和相邻LTE RB的PSD不应该超过6 dB。由于PSD的限制，在带内场景中NB-IoT的覆盖相比其他场景更受限。

如图3所示，中国电信NB-IoT采用独立部署模式，在已经授权CDMA频率（870—880 MHz）内的上边缘保护带部署。

4.4 覆盖设计

（1）覆盖指标

NB-IoT网络规划覆盖指标如下：

◆MR覆盖率（大于-125 dBm）不低于99%；

◆小区上行边缘速率大于210 bps，下行边缘速率大于670 bps。

（2）覆盖分析

NB-IoT上行覆盖受限，上行相对于LTE增强约20 dB。

在物联网应用中（如抄表），需穿透一层屏蔽，并预留10～12 dB的覆盖余量；覆盖概率需提升至99%，并预留8 dB余量。因此，NB-IoT与LTE最大路径损耗相当，覆盖基本一致，建议与LTE基站1：1部署。

4.5 容量设计

根据3GPP TR 45.820定义的NB-IoT话务模型如表1所示，NB-IoT用户分布模型如表2所示。

NB-IoT用户容量规划：180 k小区可以支持5万至10万用户。

4.6 基站部署设计

基站侧可以充分利用现网的LTE站点资源和设备资源，共站点、共天馈、共射频，从而达到快速部署NB-IoT、节省建网成本的目的。

NB-IoT部署和800 MHz LTE建设同步考虑，采用设备平滑升级方式。RRU（Radio Remote Unit，射频拉远单元）硬件和接口不变，远程软件升级，BBU（Building Base band Unit，基带处理单元）在现有槽位插入控制板卡或升级支撑NB-IoT。

4.7 核心网设计

NB-IoT核心网有两种方案：一种是通过现网移动核心网网元（MME、SGW/PGW、HSS）升级支持；另一种是新建NB-IoT核心网络。这两种方案对比具体如下：

（1）现网影响

现网升级：不改变现有网络架构，通过软件升级实现；涉及所有MME（Mobility Management Entity，网络节点）、SGW（Serving GateWay，服务网关）/PGW（PDN GateWay，PDN网关）、HSS（Home Subscriber Server，归属签约用户服务器）升级改造，对现网业务影响大。

新建网络：与现网完全隔离，对现网业务无影响。

（2）业务上线

现网升级：需要通过各种手段将业务与现网隔离，业务上线速度可能会受影响。

新建网络：业务上线速度快。

（3）业务发展

现网升级：NB-IoT的业务模型、网络需求与现有网络均不同，采用同一张核心网络会对相互业务发展造成影响；未来物联网连接数扩大，现网设备需不断扩容。

新建网络：NB-IoT单独配置话务模型，专网发展业务；新建网络基于虚拟化架构可实现快速缩容/扩容、故障隔离、恢复和容灾机制。

（4）商务分析

现网升级：现网设备集采价格较物联网专网设备价格高。

新建网络：价格低；新建网络不受限于现有厂家分布，灵活度大。

综上所述，若采用新建网络方案，核心网与现网完全隔离，对现网业务无影响；业务上线速度快；有利于以后业务发展；商务价格具有优势，新建网络不受限于现有厂家分布，灵活度大。因此，中国电信NB-IoT核心网采用新建集约化平台方案。

5 结束语

本文首先比较了NB-IoT在覆盖、功耗、连接数、成本等方面的优势，分析了NB-IoT广覆盖、低功耗、大连接、低成本的关键技术；然后以中国电信NB-IoT网络部署为例，研究了NB-IoT总体架构、部署场景和部署频段；最后提出了NB-IoT的覆蓋、容量、基站侧及核心网设计方案。考虑NB-IoT与LTE最大路径损耗相当，覆盖基本一致，建议与LTE基站1：1部署。在800 MHz LTE建设中同步考虑NB-IoT部署，采用设备平滑升级方式，RRU硬件和接口不变，远程软件升级，BBU在现有槽位插入控制板卡或升级支撑NB-IoT，核心网采用新建集约化平台方案。随着中国电信NB-IoT网络的商用，将带动智能抄表、智能停车、智能追踪、智能家居、智能城市、智能制造等领域的应用，从而创造良好的社会与经济效益。

参考文献：

[1] 陈博，甘志辉. NB-IoT商业价值及组网方案研究[J]. 移动通信， 2016，40（13）： 42-46.

[2] 赵静. 低速率物联网蜂窝通信技术现状及发展趋势[J]. 移动通信， 2016，40（7）： 27-30.

[3] 刘军，阎芳，杨玺. 物联网技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2013.

[4] 戴国华，余俊华. NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J]. 移动通信， 2016，40（7）： 31-36.

[5] 塞穆尔·格林加德. 物联网[M]. 北京： 中信出版社， 2016.

[6] International Telecommunication Union （ITU）. The Internet of Things[R]. 2005.

[7] 吴琼，薛楠. 物联网业务对通信网络的影响研究[J]. 移动通信， 2010，34（21）： 57-60.

[8] 东辉，唐景然，于东兴. 物联网通信技术的发展现状及趋势综述[J]. 通信技术， 2014（11）： 1233-1239.

[9] 马刚，杨大伟，葛雯. 浅析电信运营商物联网发展策略[J]. 邮电设计技术， 2012（6）： 8-11.

[10] 周伟康，马清龙. 浅析无线通信技术的发展与创新[J]. 通讯世界， 2015（2）： 20-21.