电信运营商蜂窝物联网组网关键技术的研究

索昂代吉

（青海省无线电管理办公室玉树管理处，玉树 815000）

电信运营商蜂窝物联网组网关键技术的研究

索昂代吉

（青海省无线电管理办公室玉树管理处，玉树 815000）

本文从经典的物联网3层系统架构出发探讨了蜂窝物联网的总体架构。在此背景下，本文对蜂窝物联网组网关键技术及运营商蜂窝物联网的组网关键技术进行了深入浅出的探讨。

蜂窝物联网；NB-IoT；网络切片

物联网在各个行业的应用不断深化，这颠覆性地改变着当今社会生产和生活的方式，为产业带来突破式创新、跨越式发展的战略机遇。目前物联网已上升为我国国家新兴战略产业。

巨量的物联网连接需求，对物联网的网络接入能力提出了更高的要求。目前的物联网业务以短距接入为主，占到市场一半以上的份额。随着低功耗广域（LPWA）技术的落地，将在部分场景中代替传统的短距接入技术。GSMA报告显示，2020年蜂窝物联网连接数将达到30亿，以NB-IoT和eMTC等为代表的广域蜂窝物联网接入技术由于采用授权频谱，具有干扰小、可靠性高等优势，成为了主流的技术标准。

随着工信部第27号公告发布，中国移动正式获得在900MHz频段上部署蜂窝窄带物联网（NB-IoT）技术的许可。中国移动将以先进的移动物联网络和优质的服务，助力各行业数字信息化发展，携手打造低成本、高品质、融合创新的物联网全新生态体系。蜂窝物联网是中国移动的重点发展方向和蓝海市场，物联网服务将成为运营商市场业绩新增长点。在此背景下，本文对蜂窝物联网组网关键技术进行了深入浅出的探讨。

1 物联网接入技术演进及频谱要求

LTE物联网终端类型主要包括Cat4、Cat1、Cat0、CatM1和NB-IoT。各种LTE物联网技术对比情况如表1所示。

物联网无线接入技术种类众多，包括ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、Z-wave等短距和长距无线通信技术，如图1所示。长距无线技术分为2类，包括工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术和工作于授权频谱下传统的2G/3G/4G蜂窝技术及其3GPP支持的LTE演进技术，如LTE eMTC、NB-IoT等。受业界青睐的LPWA既包括广域非授权频谱技术LoRa和Sigfox，也包括授权频谱的eMTC和NB-IoT等。目前NB-IoT、eMTC等蜂窝物联网技术最受全球运营商的青睐，已经成为运营商开展物联网业务的最佳切入点。

表1 各种LTE物联网技术对比

图1 物联网接入技术演进方向

传统的2G/3G/4G物联网频率与当前网络一致。由于新的物联网技术NB-IoT与eMTC等产业链发展还不成熟，当前运营商的物联网业务均基于传统的2G/3G/4G蜂窝网络；并且在未来一段时间内，仍会有部分物联网业务承载在传统蜂窝网络，因此基于传统蜂窝网络的物联网，其使用频率需要与当前网络保持一致。

未来NB-IoT/eMTC等基于LTE演进的物联网技术的频率部署总体跟随LTE频谱。NB-IoT与eMTC主要为了满足低功率广覆盖的业务。由于低频段在无线覆盖质量的优势，因此，这两种网络优先考虑部署在低频段。基于电信运营商的频谱资源现状，在考虑部署NB-IoT和eMTC等基于LTE演进的物联网技术时需跟进LTE的频谱使用情况。目前中国移动考虑用于部署NB-IoT的频段为2G的900 MHz、1.8 GHz和4G的高于2 GHz频段。

2 运营商蜂窝物联网总体技术架构

物联网系统架构模型是3层结构：从下往上依次是感知层、传输层和应用层。其中感知层以传感器设备，控制器设备为主；传输层包含负责数据通信的通信网络，物联网网关，路由和接入服务器等；应用层则包含了应用和云服。

蜂窝网络是物联网系统的重要选择。蜂窝网络的网络覆盖率高，连接简单，服务质量好，这些优点推动了移动互联网的大发展。以移动互联网为原型，物通过两种方式连接到网络：物直接作为蜂窝移动终端连接到应用层，典型的如移动POS机；或者把蜂窝终端作为一个接入点连接到互联网，典型的如蓝牙设备通过手机连接互联网，或者传感器网络设备通过一个2G/3G的物联网网关连接到互联网。

3 运营商蜂窝物联网组网关键技术

3.1 NB-IoT无线频谱及无线基站部署策略

3.1.1 无线频谱部署策略

3GPP定义了3种NB-IoT场景部署：Stand-alone、Guard-band和In-band。

Stand-alone：频谱独占，不存在与现有系统共存问题；适合运营商快速部署试商用NB-IoT网络。部署时宜分阶段实施：先采用Stand-alone方式来满足覆盖；等NB-IoT业务上量后，新增Stand-alone载波，多载波方案提升容量。

Guard-band：适合运营商利用现网LTE网络频段的带宽，最大化频谱资源利用率；但需解决与LTE系统干扰规避、射频指标等共存问题。

In-band：若运营商优先考虑利用现网LTE网络频段中的RB（Resource Block，资源块）则可考虑Inband方式部署NB-IoT，但同样面临与现有LTE系统共存问题。

3.1.2 无线基站部署策略宜将NB-IoT基站部署纳入现有电信运营商的基站部署规划中，通过对现网无线站点资源和设备的复用、融合、升级，以达到快速部署NB-IoT、节省建网成本的目的。

3.2 核心网组网技术

3.2.1 APN分立架构

蜂窝物联网核心网架构应面向未来，满足集中运营支撑和2G/4G/NB-IoT/eMTC多种技术手段统筹发展需要，在满足商用进度的前提下，新设备应紧盯核心网云化目标，力争采用虚拟化方式，加快核心网云化进程。多种业务接入网络，通过APN分离的方式，将人的通信与物联网通信进行分割。不同类型的业务数据通过基站进入核心网网元，在经过MME和SGW后，PGW根据APN进行不同业务的分离。通过APN分离的方式，可以在初期满足快速业务开通，应对多种业务应用需求；此外，APN分离的方式建设周期短，便于快速部署。

为适应各类物联网接入业务需求，特别是大连接接入、低成本等需要，核心网从数据传输优化、低功耗低成本终端适应、拥塞控制等方面提出了技术要求。核心网向基于云化的NFV虚拟化架构演进已经成为业界发展趋势。采用共平台的云化架构，集中部署VNF网元，可以实现网络资源动态伸缩，统一调度，业务的自动发放，实现网络平滑升级与扩容，最大利用硬件资源，降低投资成本。另外在后续的网络切片模式中，需要能够根据不同的业务需求进行不同的业务进行快速部署和灵活调度，甚至是跨运营商的集成，都需要核心网具备云化的架构。

3.2.2 网络切片要求

图2 网络切片部署场景

在物联网时代，移动网络需要服务各种类型和需求的设备。不同的应用场景需要不同类型的网络。在移动性、计费、安全、策略控制、延时、可靠性等方面有各不相同的要求。网络切片能够很好地适应物联网业务的多样化需求。网络切片是针对业务差异化、多租户需求提供的一类解决方案技术的统称，旨在通过功能、性能、隔离、运维等多方面的灵活设计，使得运营商能够基于垂直行业的需求创建定制化的专用网络。网络切片实例是端到端的逻辑网络，由一组网络功能、资源及连接关系构成的集合，包括接入网、核心网、承载传输网等多个技术领域，如图2所示。

满足物联网应用要求的网络切片需具备以下关键技术能力。

（1） 面向业务需求的网络切片配置：物联网业务的多样化特征落实到网络要求时会产生分化。因此，需提供灵活、多样的网络切片配置模型，以适应不同业务需求。

（2） 网络切片的灵活可扩展和精细化配置：面向物联网应用的网络切片需根据业务需求弹性可扩展，同时应提供端到端的QoS和可靠性配置要求。使用NFV技术实现网络切片，使得网络功能摆脱了对底层基础物理资源的依赖，网络的灵活性得到了极大提升，是实现网络切片灵活扩展和配置的有效手段。

（3） 网络切片的运营和管理：在切片管理层面，需要实现网络切片的生命周期管理，切片的自动化运维和切片的多租户管理。同时，在不同切片之间需要实现安全隔离机制。

3.3 物联网平台

物联网平台是物联网产业链中承上启下的枢纽，向下接入分散的物联网传感层，汇集传感数据，向上面向应用服务提供商提供应用开发的基础性平台和统一的数据接口。物联网平台打破了传统的物联网行业应用和终端设备的紧耦合关系，以松耦合的方式连通了底层设备、应用开发者、第三方业务能力、企业IT系统能力(CRM、ERP等)，是物联网端到端解决方案的核心。

为响应物联网业务的灵活管理、快速开发、通用能力支撑等要求，物联网平台需要具备相应的功能模块，相互之间的关系如图3所示。

连接管理平台（CMP）：对于移动运营商来说，物联网应用的管理呈现了新的需求。一方面，物联网多样化的业务场景使得话务模型呈现较大的差异，为了更好地适配业务的需求，运营商需提供更加灵活的资费套餐；另一方面，随着大量诸如智能抄表等超低ARPU值的物联网业务的引入，运营商对于管理成本的控制更为严格。为此，连接管理平台的重要作用就逐渐凸显出来。CMP应用于运营商的网络之上，为运营商提供连接配置、计费出账、故障管理、资源配置及管理等功能，使得运营商能够更好地做好物联网连接管理。

设备管理平台（DMP）：DMP平台构建与业务应用和终端设备之间，通过API接口为上层的应用提供终端设备的统一接入和管理功能，包括远程监控、参数设置、在线升级、故障排查、生命周期管理等，加速业务功能开发和系统集成。

应用支撑平台（AEP)：AEP平台是一类面向开发者提供应用开发和统一数据存储的PaaS平台，包括中间件、业务逻辑引擎、第三方接口等，降低开发成本，缩短开发时间。

业务分析平台（BAP）：随着大量的设备连接入网以及设备状态信息的感知，基于物联网海量数据的智能分析以及相关的行业应用将体现出巨大的价值。业务分析平台则是挖掘数据潜在价值、提升数据的经济效益的工具。BAP汇集各类相关数据，通过数据分类、数据建模等方式提供基础的数据分析和行为预测能力，并以图标、仪表盘、数据报告等视觉化的方式予以展现。

3.4 某电信运营商物联网组网策略

图3 物联网业务管理平台架构

图4 某电信运营商物联网组网架构

某电信运营商现有物联网主要采用2G/4G技术，分为物联卡和大众卡，物联卡由专网提供服务，大众卡由省网负责提供。专网是指通过集中设置专用核心网、运营支撑平台、业务支撑平台，为物联网用户提供物联专卡相关业务，并实用专用号段。省网是指全部使用省内网络、业务支撑等资源提供大众卡业务，并使用公网号段。专网和省网共用2G/4G无线网、无线接入相关的核心网设备（SGSN/MME、S-GW），核心网HSS、PGW、PCRF/SPR、SMSC等、运营平台、支撑网等部分需要分别设置。目前某电信运营商物联网的组网架构如图4所示，该运营商在重庆建设了物联网全网运营管理平台和业务网关，HLR、MSC、GGSN在南北基地集中部署，无线网与接入相关的核心网设备共用大网。

4 总结和展望

业务需求和技术发展驱动着蜂窝物联网技术不断向前演进。一方面，蜂窝物联网技术继续向低功耗广覆盖技术演进；另一方面，向低时延高可靠业务特征的技术演进，如未来的LTE-V及5G物联网技术等。多条技术路线的演进促进物联网业务蓬勃发展，为未来人类提供更加便捷、高效的生活方式和服务。电信运营商需要秉承开放的姿态，与各产业链伙伴积极合作，共同开拓物联网产业新空间，在创新中发展，共享万物互联的新时代。

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