运营商窄带物联网部署实现探讨

杨晓鸣，孙晓亮

（湖南省邮电规划设计院有限公司，长沙 410001）

随着物联网技术的不断演进发展，全球信息科技发展正经历着从互联网、移动互联网到物联网的延伸。世界各国家都在加紧制定物联网发展战略，我国早在2010年《政府工作报告》中就将物联网提升到了战略高度。2017年1月，工信部发布《物联网发展规划（2016-2020年）》，预计到2020年，物联网总体产业规模将突破1.5万亿元，公众网络M2M连接数将突破17亿。在国家政策引领与市场空间的驱动下，运营商、软件开发商、设备厂商、系统集成商纷纷开始物联网生态布局，物联网产业呈现出百舸争流的繁荣景象。

与此同时，在大众消费市场日趋饱和、市场竞争不断加剧的影响下，运营商盈利增长趋缓，亟待寻求新的盈利增长点。运营商需借助自身优势，抓住万物互联发展的新机遇，更好的发挥利用连接驱动增长的发展模式。由于窄带物联网技术可以让运营商容易在现有网络基础上平滑升级支持物联网，因此受到运营商的青睐，成为运营商抢占物联网市场的重要技术手段。

1 窄带物联网技术

NB-IoT（NarrowBand-IoT，窄带物联网），是3GPP为运营商定制的物联网解决方案。NB-IoT主要聚焦于低速率、深度覆盖、低功耗、广覆盖、大连接的物联网业务，属于LPWAN技术（Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域网）中的一种。

NB-IoT具有如下技术特点：

（1）覆盖广且深，低时延敏感：NB-IoT具有更高的功率谱密度，更多重传次数， 比GPRS提升20 dB增益，有效提升覆盖广度和深度，同时可允许时延约10 ms。

（2）低功耗，NB-IoT借助PSM（Power Saving Mode节电模式）和eDRX（Enhanced Discontinuous Reception延长的非连续接受）模式，延长睡眠周期，减少终端监听网络频度，实现更长待机。

（3）成本较低，采用简化的协议栈，降低基带处理复杂度，功率放大器尺寸小，可降低芯片模组成本。

（4）海量连接，采用窄带技术，提高信道容量；减少空口信令开销，提高频谱效率，提供50～100倍于移动蜂窝技术的接入数。

（5）安全稳定，继承4G网络安全能力，提供电信级的可靠接入。

2 运营商NB-IoT网络部署实现

NB-IoT网络由终端、无线基站、核心网、物联网通用平台和垂直行业应用平台几个部分组成如图1所示。

图1 NB-IoT网络整体架构

2.1 无线网络部署

2.1.1 NB-IoT部署模式分析

NB-IoT技术支持部署3种部署模式：独立部署（Stand-alone）、保护带部署（Guard-band）、带内部署（In-band）如图2所示。

图2 NB-IoT的部署模式

（1）独立部署（Stand-alone）：利用现网空闲频谱或新的频谱部署NB-IoT，频宽200 kHz。适合GSM/CDMA频段重耕，腾出频谱资源用于NB-IoT网络。

（2）保护带部署（Guard-band）：NB-IoT工作于LTE系统中边缘的保护带。

（3）带内部署（In-band）：NB-IoT占用LTE载波的任意一个资源块，但逻辑上仍是独立系统。

以中国电信为例，中国电信已完成800 MHz重耕，建设全覆盖的LTE 800 MHz网络，并在网络上部署NB-IoT。其NB-IoT频谱部署方式分析如下：

（1）独立部署（Stand-alone）：从中国电信的频谱资源来看，在879.105～880 MHz之间有895 kHz的空闲频谱资源，可用于NB-IoT独立部署。NB-IoT载波位于879.4～879.6 MHz，预留295 kHz作为与CDMA的邻频保护带，以避免与LTE的同频干扰。

（2）保护带部署（Guard-band）：对2G/3G频段进行重耕的初期，考虑部署5 MHz带宽的LTE，Guard-band两边只有250 kHz，不支持保护带部署NB-IoT。

（3）带内部署（In-band）：可占用LTE带内一个RB的带宽部署NB-IoT。但此种方式下，2个系统的频带相邻，存在频率干扰。为避免干扰，NB-IoT发射功率应不超过LTE功率谱密度的6 dB，其覆盖将受限。

2.1.2 NB-IoT组网方式分析

NB-IoT通过Filter OFDM、更多重传次数等技术手段有效提升了无线覆盖能力，较GSM增强20 dB。一方面可用于减少NB-IoT基站数量，采用1：N的组网方式部署NB-IoT和LTE基站；另一方面可采用1：1的组网方式，利用其增益提升覆盖的深度。

采用1：N组网将牺牲物联网业务的可用性、容量和功耗，适用于浅层覆盖的业务，如智能路灯、智能停车类业务。对于要求深度覆盖的业务，如抄表类，则需要采用1：1组网。因此运营商需要根据业务特点及发展阶段，灵活选择组网部署方式。

目前中国电信采用独立部署方式在283频点之上部署NB-IoT，与800 MHz LTE基站共享基带、射频、天馈资源，采用1：1组网方式。

图3 物联网核心网部署演进示意图

2.2 核心网部署

由于物联网用户与普通LTE用户差异较大，物联网应用具有海量连接、数据分组小、功耗敏感等特点，因此建议部署专用的物联网核心网，同时积极引入NFV。运营商核心网的部署可分步骤演进。

2.2.1 初期阶段：现网升级

物联网接入数量尚处于起步阶段，业务类型较为单一。建议采用大区制建设物联网专用的HSS、 PGW网元。同时，各省网现有EPC核心网元MME、SGW进行软件升级并按需扩容，在容量、功能等方面保障物联网业务的发展。

2.2.2 中期阶段：虚拟专网

本阶段物联网业务大规模发展，核心网以满足海量连接的物联网接入为目标。逐步引入NFV技术构建虚拟物联网vEPC专网，推进“人网”、“物网”接入分离。

此阶段为过渡阶段，现网传统EPC与vEPC共存，大部分物联网应用采用vEPC进行承载。

2.2.3 远期阶段：业务快速部署

本阶段将推进网络功能重构，基于统一NFVI构建专用接入，实现业务的按需编排，实现设备资源统一调配和动态扩容。通过虚拟化物联网专网对不同类别的业务和应用进行切片，提供对应的服务，实现业务快速部署和灵活调度。

图3为物联网核心网部署演进示意图。

2.3 物联网通用服务平台

物联网通用服务平台是物联网应用层的重要组成部分，为物联网应用的各个环节提供服务，向终端提供开放的终端OS和开发套件；向网络提供多种速率的连接，实现连接可感知、可控制、可诊断；向应用开发者提供标准化、易用的开发环境，实现应用的快速开发和部署；向最终用户提供便捷的业务入口，实现智能互联。

物联网通用服务平台一般包括连接管理平台和应用使能平台，如图4所示。

2.3.1 连接管理平台

CMP平台应用于运营商网络上，实现对物联网连接配置和故障管理、保证终端联网通道稳定、网络资源用量管理、连接资费管理、账单管理、套餐变更、号码/IP地址/Mac资源管理，更好的帮助运营商做好物联网SIM的管理。CMP平台通过与运营商IT支撑系统、核心网专用网元的交互，实现相关功能。

2.3.2 应用使能平台

AEP平台是提供应用开发和统一数据存储功能的PaaS平台，架构在连接管理平台CMP平台之上。AEP平台提供：成套应用开发工具、中间件、数据存储功能、业务逻辑引擎、对接第三方系统API等。

图4 物联网通用服务平台架构

建议运营商根据物联网应用及NB-IoT关键业务特点开展物联网平台建设。平台架构采用集约、开放的模式，着眼于满足集团级物联网业务的支撑，保障业务需求的快速响应部署。

3 NB-IoT典型应用部署方案

NB-IoT是专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的物联网技术。在智慧城市应用、公共事业、工农业生产、大众消费等领域有着广阔的应用前景。目前典型的NB-IoT应用场景列举如下。

3.1 智能停车

图5 智能停车NB-IoT部署示意图

智能停车是应用最广泛的城市物联网之一，示意图如图5所示。目前常用的方案是在停车位处安装车检器，车检器采用非授权频段技术（如ZigBee）将车位信息上报给汇聚网关，汇聚网关通过运营商网络上报到管理平台。由于非授权频段通信存在信号干扰，网络稳定性安全性较差；且汇聚网关覆盖范围有限，通常一个汇聚网关只能管理10～15个车位，部署工作量较大。

采用NB-IoT部署智能停车，只需在车检器上安装NB-IoT芯片，通过芯片与运营商基站的通信即可实现，无需根据车位数量部署相应的汇聚网关，可降低部署工作量。部署成本方面，只需考虑芯片及运营商网络租用成本，维护成本也大大降低。同时，后续车位扩容简单，无需考虑网络兼容性问题，并可提供运营商级别网络保障，优势明显。

3.2 智能抄表

传统智能抄表常采用电力线载波（PLC）、ZigBee等技术，通过区域通信接入设备（集中区、采集器）连接管理平台。

应用NB-IoT技术的智能抄表业务，不再需要部署区域通信设备及有线接入线路，仅需租用运营商无线网络，大大降低建设难度，缩短建设周期，减少建设投资和维护成本。且NB-IoT网络具有覆盖广且深，容量大，可靠性高，信息安全有保障等特点，适用于抄表类业务，易于推广。

3.3 智能路灯

目前城市路灯主要采用组控方式，一个路段设置一个配电箱，采用组控方式负责数十盏路灯的开关。随着路灯站址资源的逐步挖掘，路灯将成为智慧城市建设的新锚点，智慧路灯运营商除提供照明外，还可在灯杆上集成充电桩、停车管理、视频监控、环境监测、紧急呼叫等功能。

采用NB-IoT技术进行智慧路灯运营可提供端到端网络方案，不仅能实现照明的单灯控制与调光，节约能源，还可更好的集成多种应用，避免组建复杂的网络，简化设计、部署和维护工作。

4 结束语

随着信息技术的飞速发展，物联网已经深入到人们生产生活的方方面面。物联网市场将是一个巨大的蓝海等待人们去挖掘，越来越多的业务需求驱动着物联网技术不断演进发展，也为电信运营商带来新的机遇与挑战。

NB-IoT作为低功耗广域网技术的代表，在低速率物联网业务中扮演着重要的角色，是电信运营商抢占物联网市场的重要切入点。随着芯片厂商、运营商、平台提供商等产业链各环节的积极推动，NB-IoT技术解决方案落地及其商用进程正在紧锣密鼓的向前演进，基于NB-IoT技术的商业模式也将趋于成型。未来，NBIoT技术将被更广泛的应用于不同的垂直行业，引领万物互联的新时代。

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