物联网指标体系及业务模型设计规范

曾 伟，刘 哲，肖 瑞，鲁 皎

（北京联通，北京 100038）

0 引 言

物联网（Internet of Things, IoT）在新一代信息技术的发展中起到重要的作用。IoT的主要技术特点是将物品通过通信技术与网络连接，从而构建人机互连、物物互连的智能化网络。根据数据传输特点，蜂窝物联网技术可分为3个层次，如图1所示。

图1 蜂窝物联网分层结构

其中低速率连接数在IoT业务中占比最大，3GPP针对此类业务的特点，设计制定了NB-IoT（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）协议标准。NB-IoT单载波系统带宽为180 kHz，主要面向大连接、低速率、低功耗和低成本的IoT应用场景。

1 NB-IoT系统架构

对于采用NB-IoT接入技术的物联网而言，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[1-3]，如图2所示。

图2 系统架构

NB-IoT终端/模块：NB-IoT终端具有信息采集、通信和控制功能，常见形态为水表、车载、表计等。

NB-IoT基站：RAN需要支持NB-IoT终端的接入。

NB-IoT核心网：集成MME、S-GW、P-GW、HSS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等服务。

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平台支撑。NB-IoT平台无法感知具体的业务形态，由第三方服务器在平台注册，对指定的NB-IoT终端进行查询或控制[4-5]。

2 NB-IoT指标评估体系

NB-IoT网络指标评估体系依据物联网自身的业务特性，结合网络实践，从6个维度进行体系评估，如图3所示。

图3 NB-IoT网络指标评估体系

在六维评估方法的基础上，细化每个维度的评判指标，准确评估网络性能和质量，综合评估网关数据与测试数据，关联各项指标的重要程度及相关性，将各类指标按照对NBIoT业务的重要程度分为3个等级，形成物联网六维三级指标评估体系[6]，见表1所列。

表1 六维三级指标

指标评级标准：

（1）一级指标：筛选出能够直观反应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。

（2）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应网络的性能和质量，是一级指标的重要补充。

（3）三级指标：对一、二级指标作进一步细分，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，综合分析评估现网实际指标情况，确定各类指标的高、中、低门限，见表2所列。

表2 指标门限

3 业务模型设计规范

NB-IoT涉及垂直应用行业众多，不同的垂直行业具有不同的业务特征和模型，结合实际应用中的经验，物联网模型设计应该遵循以下几个方面的设计规范。

3.1 覆盖

覆盖可以通过信号强度RSRP和信号质量SINR两个参数来评估，信号强度或信号质量越好，则业务性能越好。3GPP将NB-IoT的覆盖划分为3个等级，即覆盖等级分别为0，1，2，且主要由信号强度RSRP划分。覆盖等级为0，则覆盖程度最好。在发射功率为20 W的情况下，推荐的覆盖等级门限见表3所列。

表3 覆盖等级门限

NB-IoT终端尽量安装在覆盖等级为0和1的区域，即安装点的网络参考信号RSRP≥-115 dBm，信噪比SINR≥-3 dB。在覆盖等级为2的区域，NB-IoT终端可以接入NBIoT网络，但时延、耗电均会增加。

3.2 功耗

由于物联网设备应用场景的特殊性，NB-IoT终端设备经常会安装在地下等不易接近的地方，对电池寿命要求较高，往往要求终端在电池供电场景下能持续工作5年甚至10年以上。因此，对终端设备功耗要求如下：

（1）NB-IoT模组ST模式下发送数据时的功耗电流应小于250 mA；

（2）NB-IoT模组ST模式下接收数据时的功耗电流应小于80 mA；

（3）NB-IoT模组休眠态（PSM模式）的功耗电流应小于 5 μA。

为降低终端功耗，业务设计推荐原则如下：

（1）减少消息交互的数量，例如将多条消息合并为1条消息；

（2）减少数据净荷大小，例如增加数据压缩的流程；

（3）在满足应用需求时，尽量减少每日消息交互次数；

（4）适当增加TAU（T3412）定时器时长，减少TAU次数，例如，消息上报周期为24 h，则可将TAU定时器设置为25 h；

（5）适当减少ActiveTimer（T3324）定时器时长，使终端释放连接后，尽快进入Sleep状态，例如抄表类业务可以配置为0；

（6）尽量使用PSM模式降低终端空闲态的耗电，而不是直接将终端断电（使用断电方式后重新供电，模组需重新接入无线网络，注册到核心网和IoT平台需要多个信令流程，而PSM模式则无需这些流程，相比断电方式较为省电）。

3.3 容量

NB-IoT信道带宽为200 kHz，最多支持12个终端用户并发。根据3GPP协议，单个调度周期内，NPDCCH可调度的最大用户数为2，NPDSCH数传用户数为1，NPUSCH数传用户为12。若同一区域内大量终端同时传输数据，则相互之间会产生碰撞，导致接入时间较长，甚至接入失败。因此，需通过终端和网络设计避免海量终端同时接入。

错峰接入：模组上电后自动向网络发起注册，因此需要对模组上电时间做随机离散化处理。针对批量终端统一集中供电场景，可以通过终端软件控制MCU将模组上电时间随机延迟0～99 s，延迟值可以采用设备ID最后两位。

离散上报：对周期上报业务时，终端宜将上报时间点按照上报周期做随机离散。通过终端本地配置文件，实现终端上报数据的随机离散化。例如智能水表每天上报1次，可以设置水表在每天的00:00—08:00之间上报数据，每个终端上报的时间点T在00:00—08:00之间随机离散，T=（SN mod 960）*30 s。其中，T为从0点开始的秒数，SN为水表的序列号，（SN mod 960）是SN除以960的余数。针对心跳业务，避免同时接入导致的网络拥塞，心跳时间不能用绝对时间，而应以第一次上报成功的时间作为开始，周期性上报。

终端分批分区域控制：需要对大量终端进行远程控制操作时，为保证网络顺畅，宜对同一小区内终端进行分批分区域控制。例如将终端按照约每0.8平方千米（小区半径500 m）分为1个区域，不同区域的终端可以同时控制，但同一区域的终端延迟1 s以上进行控制[7-8]。

4 结 语

从NB-IoT端到端业务流程出发，建立逐层支撑、映射的指标体系。结合物联网特征和现网指标建立六维三级指标评估体系，为后续网络的建设与优化评估提供参考。结合物联网垂直领域业务的特征和已有经验，给出解决方案的一般性思路和方法。对NB-IoT实际业务部署和运维中的网络评估优化具有重要的指导借鉴意义[9-10]。