物聯網指標體系及業務模型設計規范

曾 偉，劉 哲，肖 瑞，魯 皎

（北京聯通，北京 100038）

0 引 言

物聯網（Internet of Things, IoT）在新一代信息技術的發展中起到重要的作用。IoT的主要技術特點是將物品通過通信技術與網絡連接，從而構建人機互連、物物互連的智能化網絡。根據數據傳輸特點，蜂窩物聯網技術可分為3個層次，如圖1所示。

圖1 蜂窩物聯網分層結構

其中低速率連接數在IoT業務中占比最大，3GPP針對此類業務的特點，設計制定了NB-IoT（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）協議標準。NB-IoT單載波系統帶寬為180 kHz，主要面向大連接、低速率、低功耗和低成本的IoT應用場景。

1 NB-IoT系統架構

對于采用NB-IoT接入技術的物聯網而言，其端到端架構是由NB-IoT終端/模塊、NB-IoT基站、NB-IoT核心網、NB-IoT平臺及第三方應用服務器組成[1-3]，如圖2所示。

圖2 系統架構

NB-IoT終端/模塊：NB-IoT終端具有信息采集、通信和控制功能，常見形態為水表、車載、表計等。

NB-IoT基站：RAN需要支持NB-IoT終端的接入。

NB-IoT核心網：集成MME、S-GW、P-GW、HSS功能，為物聯網業務提供移動性管理、網關功能、用戶簽約信息管理和用戶位置管理等服務。

NB-IoT平臺及第三方應用服務器：對于不同的物聯網業務應用，統一采用NB-IoT平臺支撐。NB-IoT平臺無法感知具體的業務形態，由第三方服務器在平臺注冊，對指定的NB-IoT終端進行查詢或控制[4-5]。

2 NB-IoT指標評估體系

NB-IoT網絡指標評估體系依據物聯網自身的業務特性，結合網絡實踐，從6個維度進行體系評估，如圖3所示。

圖3 NB-IoT網絡指標評估體系

在六維評估方法的基礎上，細化每個維度的評判指標，準確評估網絡性能和質量，綜合評估網關數據與測試數據，關聯各項指標的重要程度及相關性，將各類指標按照對NBIoT業務的重要程度分為3個等級，形成物聯網六維三級指標評估體系[6]，見表1所列。

表1 六維三級指標

指標評級標準：

（1）一級指標：篩選出能夠直觀反應網絡性能和質量的指標，作為網絡優化的基礎指標，優化權重占比較高。

（2）二級指標：作為NB-IoT網絡評估的細分指標，能從其他角度間接反應網絡的性能和質量，是一級指標的重要補充。

（3）三級指標：對一、二級指標作進一步細分，能夠體現出網絡性能和質量的細微差異，使評估方法更加細致客觀。

依據六維三級指標評估體系，綜合分析評估現網實際指標情況，確定各類指標的高、中、低門限，見表2所列。

表2 指標門限

3 業務模型設計規范

NB-IoT涉及垂直應用行業眾多，不同的垂直行業具有不同的業務特征和模型，結合實際應用中的經驗，物聯網模型設計應該遵循以下幾個方面的設計規范。

3.1 覆蓋

覆蓋可以通過信號強度RSRP和信號質量SINR兩個參數來評估，信號強度或信號質量越好，則業務性能越好。3GPP將NB-IoT的覆蓋劃分為3個等級，即覆蓋等級分別為0，1，2，且主要由信號強度RSRP劃分。覆蓋等級為0，則覆蓋程度最好。在發射功率為20 W的情況下，推薦的覆蓋等級門限見表3所列。

表3 覆蓋等級門限

NB-IoT終端盡量安裝在覆蓋等級為0和1的區域，即安裝點的網絡參考信號RSRP≥-115 dBm，信噪比SINR≥-3 dB。在覆蓋等級為2的區域，NB-IoT終端可以接入NBIoT網絡，但時延、耗電均會增加。

3.2 功耗

由于物聯網設備應用場景的特殊性，NB-IoT終端設備經常會安裝在地下等不易接近的地方，對電池壽命要求較高，往往要求終端在電池供電場景下能持續工作5年甚至10年以上。因此，對終端設備功耗要求如下：

（1）NB-IoT模組ST模式下發送數據時的功耗電流應小于250 mA；

（2）NB-IoT模組ST模式下接收數據時的功耗電流應小于80 mA；

（3）NB-IoT模組休眠態（PSM模式）的功耗電流應小于 5 μA。

為降低終端功耗，業務設計推薦原則如下：

（1）減少消息交互的數量，例如將多條消息合并為1條消息；

（2）減少數據凈荷大小，例如增加數據壓縮的流程；

（3）在滿足應用需求時，盡量減少每日消息交互次數；

（4）適當增加TAU（T3412）定時器時長，減少TAU次數，例如，消息上報周期為24 h，則可將TAU定時器設置為25 h；

（5）適當減少ActiveTimer（T3324）定時器時長，使終端釋放連接后，盡快進入Sleep狀態，例如抄表類業務可以配置為0；

（6）盡量使用PSM模式降低終端空閑態的耗電，而不是直接將終端斷電（使用斷電方式后重新供電，模組需重新接入無線網絡，注冊到核心網和IoT平臺需要多個信令流程，而PSM模式則無需這些流程，相比斷電方式較為省電）。

3.3 容量

NB-IoT信道帶寬為200 kHz，最多支持12個終端用戶并發。根據3GPP協議，單個調度周期內，NPDCCH可調度的最大用戶數為2，NPDSCH數傳用戶數為1，NPUSCH數傳用戶為12。若同一區域內大量終端同時傳輸數據，則相互之間會產生碰撞，導致接入時間較長，甚至接入失敗。因此，需通過終端和網絡設計避免海量終端同時接入。

錯峰接入：模組上電后自動向網絡發起注冊，因此需要對模組上電時間做隨機離散化處理。針對批量終端統一集中供電場景，可以通過終端軟件控制MCU將模組上電時間隨機延遲0～99 s，延遲值可以采用設備ID最后兩位。

離散上報：對周期上報業務時，終端宜將上報時間點按照上報周期做隨機離散。通過終端本地配置文件，實現終端上報數據的隨機離散化。例如智能水表每天上報1次，可以設置水表在每天的00:00—08:00之間上報數據，每個終端上報的時間點T在00:00—08:00之間隨機離散，T=（SN mod 960）*30 s。其中，T為從0點開始的秒數，SN為水表的序列號，（SN mod 960）是SN除以960的余數。針對心跳業務，避免同時接入導致的網絡擁塞，心跳時間不能用絕對時間，而應以第一次上報成功的時間作為開始，周期性上報。

終端分批分區域控制：需要對大量終端進行遠程控制操作時，為保證網絡順暢，宜對同一小區內終端進行分批分區域控制。例如將終端按照約每0.8平方千米（小區半徑500 m）分為1個區域，不同區域的終端可以同時控制，但同一區域的終端延遲1 s以上進行控制[7-8]。

4 結 語

從NB-IoT端到端業務流程出發，建立逐層支撐、映射的指標體系。結合物聯網特征和現網指標建立六維三級指標評估體系，為后續網絡的建設與優化評估提供參考。結合物聯網垂直領域業務的特征和已有經驗，給出解決方案的一般性思路和方法。對NB-IoT實際業務部署和運維中的網絡評估優化具有重要的指導借鑒意義[9-10]。