關于中國電信物聯網的部署策略的探討

皮和平

【摘 要】為了支撐高速增長的物聯網業務，運營商需快速部署網絡。通過對NB-IoT在覆蓋、功耗、連接數、成本等方面的優勢進行比較，分析了NB-IoT的關鍵技術，并以中國電信NB-IoT網絡部署為例，研究了NB-IoT總體架構、部署場景和部署頻段，提出了NB-IoT的覆蓋、容量、基站側及核心網設計方案。

【關鍵詞】物聯網 LPWA NB-IoT

1 引言

2016年9月，國內移動電話用戶數達到13.16億戶，滲透率為96%。未來移動業務發展空間有限，運營商紛紛瞄準廣闊的物聯網業務空間。目前全球物聯網市場增長迅速，預計2020年連接數為160億，年復合增長率為18%，物聯網成為運營商確定的高增長業務。我國三大運營商近期均制定了物聯網的發展策略，其中中國電信把物聯網確定為電信五個重點業務發展方向之一，計劃2017年商用。

在物聯網應用中，LPWA（Low Power Wide Area，低功耗廣域技術）占據物聯網的半壁江山，業務份額超過60%，典型業務包括抄表、智能停車、農林漁牧、資產跟蹤等。基于此，本文分析了NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）的關鍵技術，并從NB-IoT總體架構、部署場景、部署頻段、覆蓋、容量、基站側及核心網等方面對中國電信的物聯網部署策略進行了探討。

2 LPWA技術選擇

非蜂窩的LPWA發展較早，如LoRa、SigFox。這些技術基于非授權頻譜，存在干擾問題，且傳輸安全性低。支持廠家大多為非主流通信廠商，無法形成規劃市場效應。此外，運營商對低功耗、低成本、低速率、廣/深覆蓋方面需求強烈，LoRA、SigFox存在不足，因此不能充分滿足要求。

NB-IoT基于授權頻譜，與現有蜂窩網融合演進，在覆蓋、功耗、連接數、成本等方面性能優異，符合LPWA類業務需求，所以得到了全球主流運營商的支持，我國三大運營商也選擇部署NB-IoT。

3 NB-IoT關鍵技術

3.1 NB-IoT標準進展

NB-IoT國際標準核心協議已經完成。3GPP已在2016年6月完成NB-IoT核心協議標準，相關性能指標和終端一致性測試標準在2016年12月完成，具體進展如圖1所示：

3.2 NB-IoT關鍵技術

（1）廣覆蓋：比GPRS增加20 dB

◆窄帶功率譜密度提升7 dB；

◆2～16次重傳，增益3～12 dB；

◆編碼增益3～4 dB。

（2）低功耗：壽命超10年

◆芯片復雜度降低，工作電流小；

◆空口信令簡化，減少單次數傳功耗；

◆基于覆蓋等級的控制和接入，減少單次數傳時間；

◆PSM節能模式，終端功耗僅15 μW；

◆eDRX（擴展周期不連續接收），減少終端監聽網絡的頻度；

◆長周期TAR/RAU，減少終端發送位置更新的次數；

◆只支持小區選擇和重選的移動性管理，減少測量開銷。

（3）大連接：100 k連接數每小區

◆頻譜效率高；

◆小包數據發送特征；

◆終端極低激活比。

（4）低成本：模組成本小于5美元

◆180 kHz窄帶系統，基帶復雜度低；

◆低采樣率，緩存要求小；

◆單天線，半雙工，RF成本低；

◆峰均比低，功放效率高，23 dBm發射功率可支持單片SoC內置功放；

◆協議棧簡化，減少片內FLASH/RAM。

4 中國電信NB-IoT網絡設計

4.1 NB-IoT總體架構

NB-IoT網絡包括NB-IoT終端、NB-IoT基站、NB-IoT分組核心網、IoT連接管理平臺和行業應用服務器。需要新建或升級現網基站支持NB-IoT業務，部署NB-IoT業務專用的EPC，同時需要新部署IoT連接管理平臺。

IoT連接管理平臺的功能是：提供對各種傳感器、SIM卡的數據采集和管理功能，同時可以把數據開放給第三方應用系統，讓各種應用能夠快速構建自己的物聯網業務。

NB-IoT網絡總體架構如圖2所示。

4.2 頻段設計

中國電信1800 MHz LTE網絡已覆蓋全國城區、鄉鎮及部分發達行政村，計劃2017年上半年建成覆蓋農村及城區的800 MHz LTE網絡。

在覆蓋方面，低頻具有非常明顯的優勢。根據仿真，在滿足相同覆蓋的情況下，NB-IoT 800 MHz覆蓋距離大約是1800 MHz的2倍。在深度、廣度覆蓋方面，800 MHz較1800 MHz深度覆蓋能力提升7～15 dB。因此，采用低頻建網可以有效地降低站點數量，并提升深度覆蓋。中國電信優先選擇800 MHz頻段部署NB-IoT。

4.3 部署場景設計

3GPP定義了NB-IoT的部署場景分別是獨立部署（Stand-alone）、保護帶部署（Guard-band）和帶內部署（In-band），具體如下：

（1）獨立部署主要是利用現網的空閑頻譜或者新的頻譜部署NB-IoT；

（2）保護帶部署是利用現網的LTE網絡頻段的帶寬，最大化頻譜資源利用率；

（3）帶內部署是利用現網LTE網絡頻段中的RB（Resource Block，資源塊）以部署NB-IoT。

在帶內部署方面，NB-IoT頻譜緊臨LTE的RB。為了避免干擾，3GPP定義NB-IoT頻譜和相鄰LTE RB的PSD不應該超過6 dB。由于PSD的限制，在帶內場景中NB-IoT的覆蓋相比其他場景更受限。

如圖3所示，中國電信NB-IoT采用獨立部署模式，在已經授權CDMA頻率（870—880 MHz）內的上邊緣保護帶部署。

4.4 覆蓋設計

（1）覆蓋指標

NB-IoT網絡規劃覆蓋指標如下：

◆MR覆蓋率（大于-125 dBm）不低于99%；

◆小區上行邊緣速率大于210 bps，下行邊緣速率大于670 bps。

（2）覆蓋分析

NB-IoT上行覆蓋受限，上行相對于LTE增強約20 dB。

在物聯網應用中（如抄表），需穿透一層屏蔽，并預留10～12 dB的覆蓋余量；覆蓋概率需提升至99%，并預留8 dB余量。因此，NB-IoT與LTE最大路徑損耗相當，覆蓋基本一致，建議與LTE基站1：1部署。

4.5 容量設計

根據3GPP TR 45.820定義的NB-IoT話務模型如表1所示，NB-IoT用戶分布模型如表2所示。

NB-IoT用戶容量規劃：180 k小區可以支持5萬至10萬用戶。

4.6 基站部署設計

基站側可以充分利用現網的LTE站點資源和設備資源，共站點、共天饋、共射頻，從而達到快速部署NB-IoT、節省建網成本的目的。

NB-IoT部署和800 MHz LTE建設同步考慮，采用設備平滑升級方式。RRU（Radio Remote Unit，射頻拉遠單元）硬件和接口不變，遠程軟件升級，BBU（Building Base band Unit，基帶處理單元）在現有槽位插入控制板卡或升級支撐NB-IoT。

4.7 核心網設計

NB-IoT核心網有兩種方案：一種是通過現網移動核心網網元（MME、SGW/PGW、HSS）升級支持；另一種是新建NB-IoT核心網絡。這兩種方案對比具體如下：

（1）現網影響

現網升級：不改變現有網絡架構，通過軟件升級實現；涉及所有MME（Mobility Management Entity，網絡節點）、SGW（Serving GateWay，服務網關）/PGW（PDN GateWay，PDN網關）、HSS（Home Subscriber Server，歸屬簽約用戶服務器）升級改造，對現網業務影響大。

新建網絡：與現網完全隔離，對現網業務無影響。

（2）業務上線

現網升級：需要通過各種手段將業務與現網隔離，業務上線速度可能會受影響。

新建網絡：業務上線速度快。

（3）業務發展

現網升級：NB-IoT的業務模型、網絡需求與現有網絡均不同，采用同一張核心網絡會對相互業務發展造成影響；未來物聯網連接數擴大，現網設備需不斷擴容。

新建網絡：NB-IoT單獨配置話務模型，專網發展業務；新建網絡基于虛擬化架構可實現快速縮容/擴容、故障隔離、恢復和容災機制。

（4）商務分析

現網升級：現網設備集采價格較物聯網專網設備價格高。

新建網絡：價格低；新建網絡不受限于現有廠家分布，靈活度大。

綜上所述，若采用新建網絡方案，核心網與現網完全隔離，對現網業務無影響；業務上線速度快；有利于以后業務發展；商務價格具有優勢，新建網絡不受限于現有廠家分布，靈活度大。因此，中國電信NB-IoT核心網采用新建集約化平臺方案。

5 結束語

本文首先比較了NB-IoT在覆蓋、功耗、連接數、成本等方面的優勢，分析了NB-IoT廣覆蓋、低功耗、大連接、低成本的關鍵技術；然后以中國電信NB-IoT網絡部署為例，研究了NB-IoT總體架構、部署場景和部署頻段；最后提出了NB-IoT的覆蓋、容量、基站側及核心網設計方案。考慮NB-IoT與LTE最大路徑損耗相當，覆蓋基本一致，建議與LTE基站1：1部署。在800 MHz LTE建設中同步考慮NB-IoT部署，采用設備平滑升級方式，RRU硬件和接口不變，遠程軟件升級，BBU在現有槽位插入控制板卡或升級支撐NB-IoT，核心網采用新建集約化平臺方案。隨著中國電信NB-IoT網絡的商用，將帶動智能抄表、智能停車、智能追蹤、智能家居、智能城市、智能制造等領域的應用，從而創造良好的社會與經濟效益。

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