运营商部署NB-IoT网络关键性技术研究

文｜周腾，林光奇

运营商部署NB-IoT网络关键性技术研究

文｜周腾，林光奇

一、引言

目前大众消费市场日趋饱和，导致运营商盈利增长趋缓，亟待寻求新的盈利增长点。根据市场调研机构IDC、Machina Research、McKinsey等报告测算，未来5～10年物联网（IoT,Internet of Things）连接数和市场规模将发生大规模井喷式发展，到2019年物联网连接将超过传统2G/3G/4G连接数，2020年物联网全球市场规模500亿，中国市场突破100亿。（见图1）因此，全球主流运营商将IoT产业作为营收增长新引擎，不断加大投入进行研究验证。例如，Vodafone自建并运营了全球第三大M2M平台（GDSP），计划2019年实现M2MSIM卡在全球90%以上区域的无缝漫游。AT&T已认证2600多种IoT设备，联网IoT设备约2500万台，过去2年IoT用户数增加2.5倍，并重点布局物联网、物流跟踪管理、智慧电网等业务。SKTelecom于2015年发布基于oneM2M标准的IoT开放平台ThingPlug，2018年计划在全国范围部署基于LoRa协议的LPWA网。国内三大运营商也在不同程度的进行相关研究和试验工作，并联合上下游厂商制定了中国的物联网标准。

物联网世界存在大量的传感类、控制类连接需求，这些连接速率要求很低，但对功耗和成本常敏感，且分布很广、海量，现有3G/4G技术从成本上无法满足需求；目前2G虽然已在承担一部分对功耗要求相对不高的业务需求，但明显还有大量需求无法满足，也不是长期发展的方案。

运营商如何发挥自身的独特优势切入，抓住万物互联发展新机遇，扩大新连接，以便更好发挥善于利用连接驱动增的发展模式成为迫切需要解决的问题。

二、物联网技术概述和分类

现阶段物联网主要有两种主流技术，一种是非蜂窝物联网主要有LoRa、Sigfox、Zigbee等短距通信技术，一种是蜂窝物联网主要采用NB-IoT技术（Narrow Band Internet Of Things）。

非蜂窝物联网主要依靠传感器自身组网通信，网络机构简单一般呈星型结构，并且采用基于非授权频谱，覆盖能弱，一般需采用两级组网方案，配置复杂、维护和使用门槛高，存在干扰问题，导致传输可靠性降低、传输安全性低，并且产业规模小，无法形成规模市场效应。

NB-IoT是3GPP专为运营商定制的物联网解决方案，具备电信网稳定、广覆盖的天然优势，其主要技术特点是采用超窄带、重复传输、精简网络络协议等设计，以牺牲一定速率、时延、移动性性能，获取面向物联网的承载能力。NBIoT基于授权频谱、可以依托运营商丰富的网络运维经验，网络传输可靠性更高、传输安全性更强，并且可帮助物联网业务提供商解决网络部署和维护问题，可实现终端即插即用，大幅降低业务部署门槛。

NB-IoT的200kHz带宽，易于2G网络腾频和升级支持，同时子载波采用15/3.75kHz(与LTE子载波相同或1/4)，可以独立部署，也可以与LTE共载波部署；NB-IoT初步满足大连接要求，未来还可以进一步升级满足5G需求，成为5G的一部分。NB-IoT下行采用OFDMA技术，上行采用SC-FDMA技术，下行子载波带宽15K，每用户可多个子载波；上行有singletone和Multitone两种方式，singletone（单个子载波）:15K或3.75K，Multitone（多个子载波）15K。（见图2）

图2 NB-IoT载波示意图

三、运营商部署NB-IoT方案

由于NB-IoT在覆盖、功耗、成本、连接数等方面性能最优，最符合物联网实际类业务需求，十分适合运营商切入物联网。在部署NB-IoT要充分考虑到业务发展、网络建设、运营手段等多种因素，在无线、核心网、传输、安全等关键节点上能有切实可行的方案。

同时，运营商部署NB-IoT还需要充分考虑以下几个问题：1、NB-IoT法满足对移动性及速率要求较高、数据量大、需要语音业务的应用需求，因此需要综合考虑eMTC、Cat1等候选技术。2、NB-IoT在800-900MHz部署，腾频难度低，但是需要新建或改造网络，有一定复杂度。3、NB-IoT虽然技术标准简化，产业链投入力度大，品研发周期较传统3G/4G有望大幅缩短，但作为全新的系统，成熟需要过程，因此仍需大力推进。

（一）NB-IoT频率规划

NB-IoT网络规划和2G、3G、4G网络规划一样，首先是对网络频率进行规划，根据不同的业务场景，频率部署方式不同，主要有以下三种。

频率部署方式一：standalone部署，即独立部署NBIoT，占用原有网络部分频段，该方案使得功率谱密度增益12.3dB，实现更广覆盖。（见图3）

图3 NB-IoT standalone频率规划图

频率部署方式二：LTE GuardBand部署（LTE10M带宽+支持，5M及以下保护带不足以支持），该方案功使得率谱密度增益7.3dB。（见图4）

图4 NB-IoT GuardBand频率规划图

频率部署方式三：In-Band，即在LTE使用频段内划分部分给NB-IoT使用，该方案功率谱密度增益4dB，所以覆盖效果稍差。（见图5）

图5 NB-IoT In-Band频率规划图

NB-IoT站点方案，基于SingleRAN网络演进，可实现天线和RRU设备的复用，只需要在BBU上加入NB-IoT模块即可。

（二）NB-IoT安全性规划设计

NB-IoT安全性规划设计主要需要考虑以下问题：

1、统一并减少认证流程，降低认证成本网络认证是认证物联网设备能够接入到网络，采用成熟的蜂窝认证体系。因此需要在保证不同运营商网络间的互通性、兼容性以及良好的终端兼容性情况下，研究设备的统一认证机制，将网络认证与业务认证相融合，可有效降低产业链认证成本。

2、端到端安全传输两条技术路线：一是由SP方完成端到端安全传输保护；二是由运营商提供分段安全传输保护。

3、新增平台、网元的安全防护需设计新增网元D-MEC的安全保护机制，以保护缓存数据和通信接入的安全。

4、数据防火墙为解决网关及开放平台与开放网络中的业务系统间的数据访问传输安全，可引入大数据安全管控平台，对数据访问进行认证和授权，检测异常行为，实现敏感数据脱敏，生产数据关联视图。

5、终端安全加固窄带物联网终端需考虑无人值守，能力受限等带来的安全新挑战与新需求，如机卡绑定与软件防篡改、数据的安全存储，固件系统的安全更新和特定场景下的隐私保护。

四、部署NB-IoT现网综合升级改造

NB-IoT商用部署涉及的端到端改造需求，涉及到芯模组、无线网络、核心网络、运营平台的改造。

芯片模组为了支持NB-IoT协议、实现低成本、低功耗、高续航的目标，需要重新进行硬件设计，进行eSIM与芯片的集成，增加终端本地安全防护措施，包括安全存储、安全更新、隐私保护、机卡绑定与软件防篡改。

无线网为了实现协议简化（包括安全协议的简化），支持覆盖增强，需要基于现有站址新增BBU，替换或新增RRU。

核心网为了实现协议简化，提供数据优化传输方式，提供新的计费模式，部署网络边界安全防护，需要新建MME和S-GW，并新建物联网专用P-GW和HSS，或者升级MME和S-GW，并升级物联网现有P-GW和HSS。

运营平台为了提供大量用户接入能力，提供大数据能力，部署平台安全防护措施与数据防火墙需要升级现有OneNET平台，新建D-MEC数据信息交换中心，建设物联网融合认证和业务保障平台，增加平台安全防护措施，增加接入安全防护措施与数据防火墙等工作。

五、总结

随着传统手机终端用户的饱和，运营商规模和利润增长趋缓，亟待寻求新的盈利增长点。而随着“万物互联”的兴起和NB-IoT技术标准的提出，运营商在物联网领域将大有所为。据预测全球物联网产业到2020年前后将拥有接近3000亿美元的市场规模，运营商通过NB-IoT物联网的建设和运营，将占有三分之一的份额，因此运营商在规模和利润增上都会爆发式的增长，发展空间巨大。通过对NB-IoT网络部署关键性技术的研究，可以有针对性的对运营商部署、运营NB-IoT网络提出具体可行的方案，促进NB-IoT网络的快速、高质量建设和运营。

作者单位：周腾，中国铁塔股份有限公司东莞市分公司林光奇， 中睿通信规划设计有限公司