基于蜂窝网络的物联网解决方案研究

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，济南 250101）

基于蜂窝网络的物联网解决方案研究

苏雷，陈刚，彭丽

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，济南 250101）

移动通信技术向5G演进，推动工业革命向物联网时代迈进。“万物互联”的时代已经来临，物联网的发展进入了风口期，运营商都在考虑提前布局，培育市场，寻找新的收入增长点。本文将在探讨蜂窝网络的物联网解决方案的基础上，针对运营商如何部署物联网进行深入思考。

物联网；NB-IoT；蜂窝组网

1 引言

物联网（Internet of Things，物物相连的因特网）被公认为是继计算机、因特网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。根据咨询机构Analysys Mason的预测，2020年物联网发展将进入爆发期，全球物联网设备的连接数将达到400亿；而到2030年，这个数量将接近1千亿，中国将超过200亿。万物互联的时代已经来临。

2 运营商的“大连接”战略

目前，话音收入即将见顶，由于4G的大力建设，数据业务支撑运营商收入开始进入新的巅峰。今后，新业务的收入将成为第三个高峰，而物联网将是重要的载体，将成为运营商收入的主要来源。

放眼全球，国际运营商都在酝酿自己的“大连接”战略，集体发力物联网建设。韩国KT计划投资1500亿韩元新建窄带物联网；沃达丰建立NB-IoT开放实验室，从而加速布局物联网；法国电信通过搭建M2M完整系统，渗入到产业链不同环节；西班牙电信通过专用物联网平台进行“智能通道建设”；DoCoMo将发展M2M业务作为其重要战略组成；Sprint通过开放性发展策略推动M2M市场。

而在国内，中国政府已明确大力支持蜂窝物联网发展，允许运营商可在原有频率上开展物联网业务；同时大力推进与垂直行业及地方政府对接，设立推广平台、示范城市等。中国移动将物联网提升到了“中国移动新时期发展策略”的重要核心地位，并在MWCS2016上正式提出了“大连接”战略，即面向未来5年，中国移动将要做大连接规模，做优连接服务，做强连接应用。根据计划，2016年底前将进行外场试验，2017年将商用窄带物联网；中国电信在2016年集团战略中，将物联网作为战略基础重点，2016年全面布局物联网，拓展新市场，将这一蓝海市场作为中国电信全新的战略性基础业务；中国联通选择与海外物联网平台Jasper合作，与超过500家合作伙伴在互联网汽车、零售、防盗、可穿戴式设备等领域展开合作。中国联通在国内车联网领域取得了较好的早期布局，多家大型车企都采用了联通的3G和4G技术作为车载通信模块。

3 运营商部署物联网的最佳选择：NB-IoT

3GPP在R13提出一种更小的传输数据量、更低的设备成本、更广覆盖率的技术，即NB-IoT (Narrowband-Internet of Things，基于蜂窝的窄带互联网)，其最大的传输数据量为200 kbit/s，频宽也降至200 kHz，并且其覆盖率可提升数倍。2016年6月，3GPP完成了基于LTE技术的窄带物联网标准的制定。这一新技术与之前的eMTC（增强型机器类通信）技术，都是3GPP全球标准R13的组成部分。NB-IoT对LTE技术的提升和优化，将会降低IoT设备的复杂性，将电池寿命延长至数年，并且实现诸如楼宇内部等挑战性场景的深度覆盖。同时，这能够借势现有的LTE基础设施和频谱，与当前的移动宽带服务并存。随着3GPP冻结NB-IoT相关标准，在来自整个产业生态系统极大的兴趣驱动下，移动通信产业正朝着新技术商业化的方向大步迈进。

除了上述优势，3GPP拥有成熟的产业生态系统支持及5G演进路线。事实上，NB-IoT将在R13的基础上继续演进，开发多播和定位等新功能，为窄带5G IoT奠定基础。因此，全球各主流电信运营商无不极力支持此技术。比如欧洲多数运营商更优先考虑NB-IoT，而北美运营商ATT、Verizon以及亚洲运营商SKT、KT、日本软银，也计划优先引入窄带物联网技术。可以预见，NB-IoT将成为未来全球主流电信运营商所推行的方向。

4 NB-IoT蜂窝组网技术方案研究

4.1 NB-IoT技术

NB-IoT是LPWA技术，是为低功耗、广覆盖的物联网业务设计的全新系统，其覆盖范围可以提升20 dB，其终端电池寿命可以超过10年以上，每个NB-IoT载波最多可支持20万个连接。而且根据容量需求，可以通过增加更多载波来扩大连接数量，从而使一个基站便能支持数百万个物联网设备的连接。根据上下行的不同，NB-IoT技术的关键技术指标参数如表1所示。

表1 3GPP NB-IoT技术指标

NB-IoT的设计有几项目标：

（1）提高覆盖率：通过降低编码率来提升信号的可靠性，当信号强度微弱时，依旧能够正确解调，从而达到提高覆盖率的目的；

（2）大幅提升终端电池使用寿命：其发送的功率最大为23 dBm，约为200 mW；

（3）降低终端的复杂度：在调度上使用恒定包络的方式，使功率放大器运作于饱和区间，让传送端有更好的使用效率，在实体层设计上，也可以简化部分元件，使复杂度降低；

（4）减少系统频宽：其频宽设计在200 kHz，在使用上也能够更弹性地分配；

（5）大幅提升系统容量，使子载波区间更小，在频谱资源分配上能够更加的弹性，切出更多子载波分配给更多的终端，从而使大量的终端能够同时连结。

4.2 网络架构

NB-IoT预计2016年9月具备端到端测试条件，随着产业链的日渐成熟，蜂窝物联网的业务网络架构已非常清晰，如图1所示。

4.3 频段选择

物联网设备无处不在，比手机有更高的覆盖能力要求。因此，900 MHz相比高频段覆盖能力强，相同的覆盖所需站数可少数倍。 表2是以900 MHz为参照，其他各频段的链路预算增益对比情况。

图1 蜂窝物联网业务网络架构

表2 各频段链路预算增益情况对比

NB-IoT所需频谱带宽小（200 kHz/载波），900 MHz，预计该频段终端有经济规模优势，所以，900 MHz是国内运营商部署NB-IoT的首选频段。

4.4 频点部署方式

4.4.1 独立部署（Stand-alone Operation）

此种方式为使用独立的频谱或者是使用GSM的频谱，不存在与现有系统互相干扰的问题，是最单纯的部署方式。如果NB-IoT与GSM共站时需要考虑100 kHz的保护间隔。

采用此种方式，初始部署工作带宽占用200 kHz，保护带左右各100 kHz，小区下行峰值速率可达226.6 kbit/s，上行可达261.6 kbit/s；最小耦合损耗MCL＞164 dB，重发次数少，速率高；每小区连接数可达53 169，但随机接入容量受限。

4.4.2 保护带部署（Guard-band Operation）

此种方式利用LTE边缘保护频段、信号强度较弱的部分进行部署，需要考虑与LTE系统共存的相关问题，比如干扰规避、设备的射频指标等问题。若NB-IoT与LTE共站时，无需保护间隔。

采用此种方式部署，小区下行峰值速率可达226.6 kbit/s，上行可达261.6 kbit/s；MCL＞164 dB，重发次数多，速率低；每小区连接数可达40 863，但寻呼容量受限。

4.4.3 带内部署（In-band operation）

此种方式在现行LTE频段内部署，尽量选择在低频段上，比如700-900 MHz。这些频段能获得更广的覆盖率，具备较好的传播特性，对于室内环境有更好的穿透性。需要考虑与LTE系统共存的相关问题，比如干扰规避、设备的射频指标等问题。若NB-IoT与LTE共站时，无需保护间隔，但需要避开PDCCH、CSI-RS、PRS、SCH和PBCH、CRS等。

采用此种方式部署，小区下行峰值速率为170 kbit/s，上行可达261.6 kbit/s；MCL＞164 dB，重发次数多，速率低；每小区连接数为31288，但下行业务信道受限。

4.5 覆盖与容量规划

覆盖规划：NB-IoT提供20 dB覆盖增强，考虑到移动性的物联网需求，初期的NB-IoT网络应实现商用区域的连续覆盖。为节省初期投资，可考虑第一期仅使用现有站址的一部分进行部署，后续逐渐提高共址率。对于室分场景，可根据用户及业务需求情况进行详细调研和预测，制定个性覆盖方案。

容量规划：按照3GPP业务模型测算，NB-IoT一个200 kHz载波至少可满足5万用户的容量需求，建议初期只需部署一个200 kHz载波，后续根据业务发展需要扩容。

4.6 无线网建设方案分析

4.6.1 利旧升级

为快速部署蜂窝物联网，运营商可以选择在现有网络设备上进行利旧改造或直接升级。图2是利旧升级的几种建设方案对比。

图2 现网设备利旧升级方案

采用利旧升级方案时，NB-IoT网络和GSM网络不可独立优化，对GSM有影响。并且，根据不完全统计，运营商现有设备整体升级比例并不高，未来势必面临全部替换的局面。如果考虑预留FDD MIMO，则现网可平滑升级比例更低，从而导致建网慢、成本较高，甚至与新建相当。

4.6.2 新建方案

采用新建方案时，可根据实际网络结构，考虑与GSM或TDD站点共址。

采用新建方案不影响GSM网络，与GSM系统独立优化，如果未来开通FDD，建网速度快，还可以考虑反向替换GSM。但由于需要多增加一套天线及RRU安装点位，而目前的城市天面资源日益紧张，建网协调困难较大，初期建设成本高。

4.7 核心网建设方案

4.7.1 业务特点

NB-IoT不同业务的话务模型差异大：NB-IoT的应用场景多，比如马拉松比赛；电子抄表；车辆管理等；每个场景的话务模型不同，数据传输的量以及频度都不相同，需要网络侧可以适应千差万别的变化模型

物联网设备密度高，单用户吞吐量低：NB-IoT 单小区可支持5万用户，但是每个用户的流量非常低，用户传输数据的频度差大的，吞吐量低。需要网络设备适应这个特点。

用户规模发展变化快：预计NB-IoT的用户增长会非常迅猛，需要网络具备快速调整的能力。

4.7.2 方案比较

表3结合NB-IoT的业务特征、成本及演进能力，对比分析核心网组网方案的优劣。

综上所述，NB-IoT核心网采用虚拟化设备更有优势。建网初期建议基于虚拟化技术的C-SGN网元按省份部署，将NB-IoT终端的业务流指向南、北物联网GGSN网关；南/北大区的物联网网关GGSN/PGW升级支持NB-IoT能力；南/北大区的物联网M-HSS升级支持NB-IoT能力。

表3 核心网组网方式分析

建网中期物联网终端的连接数逐渐增多，建议C-SGN按省份部署；物联网网关GGSN/PGW考虑下沉，按照省份部署。

远期基于5G技术特点，部署云化的C-SGN、GGSN/PGW设备，利用网络切片能力给不同行业的物联网应用提供服务。

5 总结及展望

由于物联网终端的特点，虽然运营商已有连接数量不大，但其向NB-IoT等物联网专用网络迁移速度缓慢。2G网络退网征程困难重重，现有物联网终端将为这一困难“添砖加瓦”。对于电信运营商来说，在物联网时代提供大连接、广覆盖、低功耗的网络接入方案是其主要职责，当下各主流运营商对NB-IoT的积极规划正是基于这方面的考虑。不过，一直以来，无线电频谱资源是蜂窝网络发展的必要条件，物联网时代，通过无线网络连接的设备数量以数十亿甚至百亿计，无线电频谱的稀缺性和重要性进一步提高。因此，原有网络的退网、频谱重耕成为运营商的一个工作重点，不过这并不是一个一帆风顺的过程，就物联网视角来看可以说是任重道远。

News

中国移动通信集团设计院河北分院创建晓明天线劳模工作室

中国移动通信集团设计院河北分院积极响应号召，创建了晓明天线劳模工作室。

中国移动通信集团设计院河北分院晓明天线劳模工作室的雏形诞生于2007年。伴随着中国移动TD-SCDMA到TD-LTE网络建设的发展，产生了3G智能天线小型化研究、智能天线广播波束赋形技术、4G高层楼宇覆盖智能天线等系列成果，解决了中国移动网络建设中的诸多实际问题，前后共申请专利近30项，发表相关学术论文近百篇。

中国移动通信集团设计院河北分院将进一步加强工作室的规范化、制度化、标准化建设，努力打造出一支“拿得出、叫得响、过得硬”的中国移动劳模工作室队伍，助推创新驱动工程，最大程度释放分院的创新潜力和组织活力，推动公司迈入可持续健康发展新阶段。

（本刊讯)

Research on Internet of Things solution based on cellular network

SU Lei, CHEN Gang, PENG Li
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Shandong Branch, Ji'nan 250101, China)

The evolution of mobile communication technology to 5G, promotes the industrial revolution to the Internet of things Era."All things connected" era has arrived. The development of the Internet of Things enters tuyere period. Operators are considering the layout in advance, nurturing the market, looking for new revenue growth point. This article will explore the cellular network based on the Internet of Things solutions, and thinking in depth on how to deploy Internet of Things.

Internet of Things; narrowband-internet of things; cellular network

TP393

A

1008-5599（2017）05-0017-05

2016-09-20