運營商部署NB-IoT網(wǎng)絡關鍵性技術研究

文｜周騰，林光奇

運營商部署NB-IoT網(wǎng)絡關鍵性技術研究

文｜周騰，林光奇

一、引言

目前大眾消費市場日趨飽和，導致運營商盈利增長趨緩，亟待尋求新的盈利增長點。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)IDC、Machina Research、McKinsey等報告測算，未來5～10年物聯(lián)網(wǎng)（IoT,Internet of Things）連接數(shù)和市場規(guī)模將發(fā)生大規(guī)模井噴式發(fā)展，到2019年物聯(lián)網(wǎng)連接將超過傳統(tǒng)2G/3G/4G連接數(shù)，2020年物聯(lián)網(wǎng)全球市場規(guī)模500億，中國市場突破100億。（見圖1）因此，全球主流運營商將IoT產(chǎn)業(yè)作為營收增長新引擎，不斷加大投入進行研究驗證。例如，Vodafone自建并運營了全球第三大M2M平臺（GDSP），計劃2019年實現(xiàn)M2MSIM卡在全球90%以上區(qū)域的無縫漫游。AT&T已認證2600多種IoT設備，聯(lián)網(wǎng)IoT設備約2500萬臺，過去2年IoT用戶數(shù)增加2.5倍，并重點布局物聯(lián)網(wǎng)、物流跟蹤管理、智慧電網(wǎng)等業(yè)務。SKTelecom于2015年發(fā)布基于oneM2M標準的IoT開放平臺ThingPlug，2018年計劃在全國范圍部署基于LoRa協(xié)議的LPWA網(wǎng)。國內(nèi)三大運營商也在不同程度的進行相關研究和試驗工作，并聯(lián)合上下游廠商制定了中國的物聯(lián)網(wǎng)標準。

物聯(lián)網(wǎng)世界存在大量的傳感類、控制類連接需求，這些連接速率要求很低，但對功耗和成本常敏感，且分布很廣、海量，現(xiàn)有3G/4G技術從成本上無法滿足需求；目前2G雖然已在承擔一部分對功耗要求相對不高的業(yè)務需求，但明顯還有大量需求無法滿足，也不是長期發(fā)展的方案。

運營商如何發(fā)揮自身的獨特優(yōu)勢切入，抓住萬物互聯(lián)發(fā)展新機遇，擴大新連接，以便更好發(fā)揮善于利用連接驅(qū)動增的發(fā)展模式成為迫切需要解決的問題。

二、物聯(lián)網(wǎng)技術概述和分類

現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)主要有兩種主流技術，一種是非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主要有LoRa、Sigfox、Zigbee等短距通信技術，一種是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主要采用NB-IoT技術（Narrow Band Internet Of Things）。

非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主要依靠傳感器自身組網(wǎng)通信，網(wǎng)絡機構(gòu)簡單一般呈星型結(jié)構(gòu)，并且采用基于非授權(quán)頻譜，覆蓋能弱，一般需采用兩級組網(wǎng)方案，配置復雜、維護和使用門檻高，存在干擾問題，導致傳輸可靠性降低、傳輸安全性低，并且產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，無法形成規(guī)模市場效應。

NB-IoT是3GPP專為運營商定制的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，具備電信網(wǎng)穩(wěn)定、廣覆蓋的天然優(yōu)勢，其主要技術特點是采用超窄帶、重復傳輸、精簡網(wǎng)絡絡協(xié)議等設計，以犧牲一定速率、時延、移動性性能，獲取面向物聯(lián)網(wǎng)的承載能力。NBIoT基于授權(quán)頻譜、可以依托運營商豐富的網(wǎng)絡運維經(jīng)驗，網(wǎng)絡傳輸可靠性更高、傳輸安全性更強，并且可幫助物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供商解決網(wǎng)絡部署和維護問題，可實現(xiàn)終端即插即用，大幅降低業(yè)務部署門檻。

NB-IoT的200kHz帶寬，易于2G網(wǎng)絡騰頻和升級支持，同時子載波采用15/3.75kHz(與LTE子載波相同或1/4)，可以獨立部署，也可以與LTE共載波部署；NB-IoT初步滿足大連接要求，未來還可以進一步升級滿足5G需求，成為5G的一部分。NB-IoT下行采用OFDMA技術，上行采用SC-FDMA技術，下行子載波帶寬15K，每用戶可多個子載波；上行有singletone和Multitone兩種方式，singletone（單個子載波）:15K或3.75K，Multitone（多個子載波）15K。（見圖2）

圖2 NB-IoT載波示意圖

三、運營商部署NB-IoT方案

由于NB-IoT在覆蓋、功耗、成本、連接數(shù)等方面性能最優(yōu)，最符合物聯(lián)網(wǎng)實際類業(yè)務需求，十分適合運營商切入物聯(lián)網(wǎng)。在部署NB-IoT要充分考慮到業(yè)務發(fā)展、網(wǎng)絡建設、運營手段等多種因素，在無線、核心網(wǎng)、傳輸、安全等關鍵節(jié)點上能有切實可行的方案。

同時，運營商部署NB-IoT還需要充分考慮以下幾個問題：1、NB-IoT法滿足對移動性及速率要求較高、數(shù)據(jù)量大、需要語音業(yè)務的應用需求，因此需要綜合考慮eMTC、Cat1等候選技術。2、NB-IoT在800-900MHz部署，騰頻難度低，但是需要新建或改造網(wǎng)絡，有一定復雜度。3、NB-IoT雖然技術標準簡化，產(chǎn)業(yè)鏈投入力度大，品研發(fā)周期較傳統(tǒng)3G/4G有望大幅縮短，但作為全新的系統(tǒng)，成熟需要過程，因此仍需大力推進。

（一）NB-IoT頻率規(guī)劃

NB-IoT網(wǎng)絡規(guī)劃和2G、3G、4G網(wǎng)絡規(guī)劃一樣，首先是對網(wǎng)絡頻率進行規(guī)劃，根據(jù)不同的業(yè)務場景，頻率部署方式不同，主要有以下三種。

頻率部署方式一：standalone部署，即獨立部署NBIoT，占用原有網(wǎng)絡部分頻段，該方案使得功率譜密度增益12.3dB，實現(xiàn)更廣覆蓋。（見圖3）

圖3 NB-IoT standalone頻率規(guī)劃圖

頻率部署方式二：LTE GuardBand部署（LTE10M帶寬+支持，5M及以下保護帶不足以支持），該方案功使得率譜密度增益7.3dB。（見圖4）

圖4 NB-IoT GuardBand頻率規(guī)劃圖

頻率部署方式三：In-Band，即在LTE使用頻段內(nèi)劃分部分給NB-IoT使用，該方案功率譜密度增益4dB，所以覆蓋效果稍差。（見圖5）

圖5 NB-IoT In-Band頻率規(guī)劃圖

NB-IoT站點方案，基于SingleRAN網(wǎng)絡演進，可實現(xiàn)天線和RRU設備的復用，只需要在BBU上加入NB-IoT模塊即可。

（二）NB-IoT安全性規(guī)劃設計

NB-IoT安全性規(guī)劃設計主要需要考慮以下問題：

1、統(tǒng)一并減少認證流程，降低認證成本網(wǎng)絡認證是認證物聯(lián)網(wǎng)設備能夠接入到網(wǎng)絡，采用成熟的蜂窩認證體系。因此需要在保證不同運營商網(wǎng)絡間的互通性、兼容性以及良好的終端兼容性情況下，研究設備的統(tǒng)一認證機制，將網(wǎng)絡認證與業(yè)務認證相融合，可有效降低產(chǎn)業(yè)鏈認證成本。

2、端到端安全傳輸兩條技術路線：一是由SP方完成端到端安全傳輸保護；二是由運營商提供分段安全傳輸保護。

3、新增平臺、網(wǎng)元的安全防護需設計新增網(wǎng)元D-MEC的安全保護機制，以保護緩存數(shù)據(jù)和通信接入的安全。

4、數(shù)據(jù)防火墻為解決網(wǎng)關及開放平臺與開放網(wǎng)絡中的業(yè)務系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)訪問傳輸安全，可引入大數(shù)據(jù)安全管控平臺，對數(shù)據(jù)訪問進行認證和授權(quán)，檢測異常行為，實現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)脫敏，生產(chǎn)數(shù)據(jù)關聯(lián)視圖。

5、終端安全加固窄帶物聯(lián)網(wǎng)終端需考慮無人值守，能力受限等帶來的安全新挑戰(zhàn)與新需求，如機卡綁定與軟件防篡改、數(shù)據(jù)的安全存儲，固件系統(tǒng)的安全更新和特定場景下的隱私保護。

四、部署NB-IoT現(xiàn)網(wǎng)綜合升級改造

NB-IoT商用部署涉及的端到端改造需求，涉及到芯模組、無線網(wǎng)絡、核心網(wǎng)絡、運營平臺的改造。

芯片模組為了支持NB-IoT協(xié)議、實現(xiàn)低成本、低功耗、高續(xù)航的目標，需要重新進行硬件設計，進行eSIM與芯片的集成，增加終端本地安全防護措施，包括安全存儲、安全更新、隱私保護、機卡綁定與軟件防篡改。

無線網(wǎng)為了實現(xiàn)協(xié)議簡化（包括安全協(xié)議的簡化），支持覆蓋增強，需要基于現(xiàn)有站址新增BBU，替換或新增RRU。

核心網(wǎng)為了實現(xiàn)協(xié)議簡化，提供數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸方式，提供新的計費模式，部署網(wǎng)絡邊界安全防護，需要新建MME和S-GW，并新建物聯(lián)網(wǎng)專用P-GW和HSS，或者升級MME和S-GW，并升級物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有P-GW和HSS。

運營平臺為了提供大量用戶接入能力，提供大數(shù)據(jù)能力，部署平臺安全防護措施與數(shù)據(jù)防火墻需要升級現(xiàn)有OneNET平臺，新建D-MEC數(shù)據(jù)信息交換中心，建設物聯(lián)網(wǎng)融合認證和業(yè)務保障平臺，增加平臺安全防護措施，增加接入安全防護措施與數(shù)據(jù)防火墻等工作。

五、總結(jié)

隨著傳統(tǒng)手機終端用戶的飽和，運營商規(guī)模和利潤增長趨緩，亟待尋求新的盈利增長點。而隨著“萬物互聯(lián)”的興起和NB-IoT技術標準的提出，運營商在物聯(lián)網(wǎng)領域?qū)⒋笥兴鶠椤?jù)預測全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)到2020年前后將擁有接近3000億美元的市場規(guī)模，運營商通過NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的建設和運營，將占有三分之一的份額，因此運營商在規(guī)模和利潤增上都會爆發(fā)式的增長，發(fā)展空間巨大。通過對NB-IoT網(wǎng)絡部署關鍵性技術的研究，可以有針對性的對運營商部署、運營NB-IoT網(wǎng)絡提出具體可行的方案，促進NB-IoT網(wǎng)絡的快速、高質(zhì)量建設和運營。

作者單位：周騰，中國鐵塔股份有限公司東莞市分公司林光奇， 中睿通信規(guī)劃設計有限公司