NB-IoT网络指标体系研究与应用

刘 哲，曾 伟，蔡 凯（中国联通北京分公司，北京 100038）

0 引言

在信息化大时代背景下，移动通信趋向于万物互联方向发展，物联网作为万物互联体系中重要组成部分，在众多垂直行业中得到广泛应用。工信部持续推进物联网发展，提出“到2020 年，NB-IoT 网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150 万个”，国内三大运营商积极把握窄带物联网（NB-IoT）发展机遇，随着业务快速发展，未来连接数将会迎来爆发式增长。物联网业务的发展既是机遇也是挑战，如何构建客观有效的评估体系成了值得探讨的话题，进一步地，各种典型NB-IoT 物联网业务类型需要满足什么样的覆盖水平也是网络发展中必须明确的问题。

物联网业务和传统移动网络业务有着巨大差别，具有定制性、不可移动性、点位数量多等特点。同时，NB-IoT 主要面向低速率、低功耗、低成本、广覆盖、大连接的物联网业务场景，涉及垂直行业众多，包括远程抄表、智慧城市、智慧农业、资产追踪、智能停车、气象环保监测等。面对物联网新业务、新终端、新协议、新网络，本文将结合北京联通NB-IoT网络建设优化经验，建立合理的指标评估优化体系，并对典型物联网业务需求的覆盖水平进行研究。

1 NB-IoT系统简介

物联网是在互联网基础上延伸和扩展的一种网络，通过信息传感器，按照事先约定的协议将万物连接起来，实现定位、跟踪、识别和监控等功能。基于蜂窝的NB-IoT 只消耗大约180 kHz 的带宽，可直接部署于GSM 网络、UMTS网络或LTE 网络，大大降低了部署成本。NB-IoT基本特点如下。

a）广覆盖。NB-IoT 基于运营商的蜂窝网络，在同样频段下，NB-IoT 相比现有GSM 网络有20 dB 的增益，覆盖面积扩大10倍，期望能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方。

b）大连接。在物联网应用中，直接利用现有的蜂窝网络容易造成网络负荷过高，NB-IoT 在现有的蜂窝网络上进行优化，使200 kHz 的频率可以提供10 万个连接，具有海量设备连接能力。

c）低功耗。NB-IoT 引入了eDRX 省电技术和PSM 省电模式，进一步降低了功耗，延长了电池使用时间，借助这2种技术，在典型应用场景下，使用AA电池（5号电池）便可以工作10年，无需充电。

d）低成本。企业预期的单个连接模块不超过5美元，芯片价格为1～2 美元，随着网络部署成本的降低，每个模组的批量成本价格预计可以降到2 美元左右，为海量终端设备接入提供了可能。

2 NB-IoT网络架构

对于采用NB-IoT接入技术的物联网来说，其端到端架构是由NB-IoT 终端/模块、NB-IoT 基站、NB-IoT核心网、NB-IoT平台及第三方应用服务器组成，如图1所示。

NB-IoT 终端/模块：承担信息采集、通信和控制的功能，常见形态为：水表、车载、表计等。

NB-IoT基站：支持NB-IoT终端的接入。

NB-IoT 核心网：集成MME、S-GW、P-GW、HSS 的功能为物联网业务提供移动性管理、网关功能、用户签约信息管理和用户位置管理。

NB-IoT 平台及第三方应用服务器：对于不同的物联网业务应用，统一采用NB-IoT 平台来支撑。NBIoT平台不感知具体的业务形态，由第三方服务器向平台注册对指定的NB-IoT 终端的查询或控制，比如水厂/电厂注册对水表/电表的查询或控制。平台只负责将NB-IoT 终端与第三方服务器关联起来进行数据转发或功能控制，而不关注终端与服务器之间交换的具体数据内容。

3 NB-IoT指标评估体系

NB-IoT 网络指标评估体系是NB-IoT 网络建设优化的重要基础，想要优质高效地完成NB-IoT网络的部署，需要客观合理的网络评估体系的支撑。与4G/3G/2G 相比，NB-IoT 网络的网络结构、调度算法和业务需求都有了变化，这些变化决定了其指标评估体系也与以往的不同，尤其是指标侧重方面。

优质的网络应做到覆盖合理、干扰抑制、容量优化和业务感知优良。针对NB-IoT网络业务特性，结合目前掌握的指标对网络性能影响的理论分析和北京联通的网络实践，得出涵盖覆盖、干扰、接入、业务量、容量和保持等6 个维度的物联网指标评估体系（见图2）。

在六维评估方法的基础上，细化每个维度具体评判指标，更加准确地评估NB 网络性能和质量，综合评估网管数据与测试数据，关联各项指标的重要程度及相关性，将各类指标按照对NB-IoT业务的重要程度分为3个等级，形成了物联网六维三级指标评估体系，如图3所示。

指标评级标准如下。

图1 NB-IoT网络架构

图2 物联网指标评估体系

图3 物联网六维三级指标评估体系

一级指标：筛选出能够直观反映出网络性能和质量的指标，作为网络优化的基础指标，优化权重占比较高。

二级指标：作为NB-IoT 网络评估的细分指标，能从其他角度间接反映出网络的性能和质量，为一级指标的重要补充手段。

三级指标：对一、二级指标进一步细分，能够体现出网络性能和质量的细微差异，使评估方法更加细致客观。

依据六维三级指标评估体系，综合分析评估北京联通实际指标情况，确定了各类指标的高中低3 档门限，如表1所示。

4 典型业务覆盖标准研究

4.1 典型业务的关键指标

NB-IoT 物联网技术具有广阔的市场应用，在智慧城市、公共事业、工农业生产、大众消费领域都有着广阔的发展空间。从移动状态上分为移动类应用和固定类应用；从数据交互方式上分为定周期数据交互（监测）和实时数据交互（控制）。所以从这2个维度出发可以把所有的物联网业务分为4个大类：固定监测、固定控制、移动监测和移动控制，如图4所示。

4 类典型业务各有独特的应用场景，对各个维度的指标的敏感程度各不相同，需要对它们逐类分析以确定其关键指标。

表1 各类指标的高中低3档门限

图4 物联网业务分类

a）固定监测类。此类业务主要包含抄表、井盖、水文监测等业务，NB-IoT 模组及相应传感器的位置不会改变，且主要的功能是将传感器的信息周期上传至业务监控平台，实现对所有终端的统一管理。对网络覆盖、业务连接性以及功耗指标较敏感，关键指标包括Attach成功率、RRC连接成功率以及上行速率。

b）固定控制类。此类业务主要包括智能灯杆、智能安防、智能家居等业务，NB-IoT 模组及相应传感器的位置通常不会改变，业务功能的实现需要实时的数据交互，物联网业务控制中心对终端模组下发指令完成数据采集和上报。对网络覆盖及数据相关指标较敏感，关键指标包括Attach 成功率、RRC 连接建立时长、上行速率以及下行速率。

c）移动监测类。此类业务主要包含人员、物品定位追踪等业务，NB-IoT 模组及相应传感器的位置会随时改变，但是业务功能的实现不需要实时数据交互。对网络连接性、功耗及移动性指标较敏感，关键指标包括Attach成功率、RRC连接成功率、上行速率以及下行速率。

d）移动控制类。此类业务主要包含共享单车、智能穿戴、移动支付等业务，NB-IoT 模组及相应传感器的位置会随时改变，同时业务功能的实现需要实时数据交互。对网络连接性、业务连接、功耗及移动性指标较敏感，关键指标包括Attach成功率、RRC连接成功率、RRC连接建立时长以及上行速率和下行速率。

表2 给出了典型NB-IoT 业务的关键指标，在此进一步分析典型业务对不同关键指标的敏感程度，进行各业务的关键指标权重设定。关键指标权重设定标准如图5所示。

4.2 典型业务覆盖水平分析

表2 典型NB-IoT业务的关键指标

图5 关键指标权重设定标准

运营商网络建设的目标是以最优性价比提供满足业务需求的网络，所以研究满足业务正常使用、网络需要达到什么样的覆盖水平十分重要。本文从NBIoT指标评估体系中提取出指标基准值，指标基准值是NB-IoT网络满足业务需求必须达到的指标门限值。

通过大量测试数据统计得出了NB-IoT 网络关键业务指标的基准值，同时得到了对应的表征覆盖水平的指标RSRP标准值与SINR标准值，如表3所示。

表3 表征覆盖水平的指标RSRP标准值与SINR标准值

4.3 典型业务覆盖评测标准

在北京联通NB-IoT 建设优化实践的基础上，结合典型物联网业务特点及LTE 网络经验，本文确定了典型业务覆盖标准。此标准确定了满足典型业务需求的最低覆盖标准，为NB-IoT网络建设优化工作提供支撑依据。业务覆盖标准可由式（1）确定：

以固定监测类业务为例说明典型业务覆盖标准的计算方法。

第1 步，确定关键指标，查询表2 得到该类业务的关键指标为RRC 连接成功率、Attach 成功率和上行速率。

第2 步，确定指标权重，从图5 可知该类业务关键指标对应的指标权重标准分别是0.3、0.3和0.4。

第3 步，确定测试值，查询表3 可知，RRC 连接成功率、Attach 成功率、上行速率基准值对应的RSRP 测试值分别为-115 dBm、-120 dBm 和-106 dBm，最高测试值为-106 dBm。

第4 步，计算业务覆盖RSRP 标准值，将数据带入式（1）得到：固定监测类业务RSRP 覆盖标准为-106-［-106+（0.3×115+0.3×120+0.4×106）］/2=-109.5 dBm。

同样地，通过上述方法可以计算出固定监测类业务的SINR标准值为-1.2 dB。

综上可以得到如果需要满足固定监测类业务需求，NB-IoT网络RSRP值最低应大于-109.5 dBm，SINR值大于-1.2 dB。

通过本文构建的典型业务覆盖评测标准，可以计算出4种典型NB-IoT 业务需要满足的最低覆盖水平，如表4所示。

表4 4种典型NB-IoT业务需要满足的最低覆盖水平

5 结束语

万物互联的时代已经到来，物联网将会获得更多的垂直应用，走进千家万户。物联网是一个潜力巨大的蓝海，各大运营商、设备商、服务商都摩拳擦掌，越来越多的业务带来更多利润的同时也对网络带来了诸多挑战。

本文首先构建了六维三级指标评估体系，随后从业务的角度出发，研究不同特点的典型业务需要网络满足什么样的覆盖水平，提供了分析思路与评测标准，为NB-IoT 网络的规划建设与优化评估提供指导，为万物互联的愿景提供推力。