蜂窩物聯網規劃演進策略及能效評估研究

摘 要：蜂窩移動物聯網是新型基礎設施的重要組成部分，文中基于國內蜂窩移動物聯網發展現狀與面臨的挑戰，開展蜂窩物聯網網絡發展趨勢、各制式蜂窩物聯網規劃演進策略和基于物聯網業務的設備能效評估方法研究，為蜂窩物聯網網絡演進提供規劃指引，推動物聯網網絡能效監測及評估方法應用，助力物聯網網絡持續朝著端網協同、綠色低碳方向演進。該研究主要應用于運營商蜂窩物聯網網絡規劃和物聯網業務的網絡能效監測與評估。

關鍵詞：蜂窩模組；NB-IoT；生命周期；演進策略；有效輸出；網絡能效監測

中圖分類號：TP39；TN914 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-00-04

0 引 言

蜂窩移動物聯網作為“新基建”和數字經濟的重要組成部分，從中央到部委陸續出臺政策加大扶持，對物聯網的政策指引也由網絡驅動不斷向產業驅動縱深推進。借助自上而下的技術驅動和自下而上的需求驅動，蜂窩移動物聯網作為底層支撐技術逐步重塑著智能、高效、節約型社會。隨著R17 RedCap標準凍結，物聯網將形成NB-IoT+Cat.1+Cat.4/RedCAP+NR為主的涵蓋不同速率需求的4G/5G技術標準。

蜂窩移動物聯網連接在快速發展的同時，在價值、回報、演進、推廣、綠色發展等方面還面臨著諸多挑戰，文中基于蜂窩物聯網技術演進及業務特點，開展物聯網網絡規劃及演進策略研究、物聯網能效評估體系及方法研究，提出區別于“人聯網”的蜂窩移動物聯網的規劃方法與要點、能效評估體系及方法，有效指導運營商蜂窩移動物聯網網絡規劃和建設，實現對特定業務網絡能效進行科學評估，推動物聯網業務朝著綠色低碳的方向發展。

1 國內蜂窩移動物聯網發展現狀與挑戰

移動物聯網作為新型基礎設施堅實底座持續保持快速發展，2022年8月中國首次實現了蜂窩移動通信系統用戶數量上的“物超人”。截至2023年4月，蜂窩物聯網終端用戶達20.1億戶，移動電話用戶總數17.1億戶，當前“人”連接的結構趨于穩定，“物”的連接將成為運營商業務增長的重要引擎。蜂窩物聯網終端與移動電話用戶數發展趨勢如圖1所示。

運營商物聯網發展在政策、技術、應用、資源、產業龍頭的多方面因素推動下，其物聯網連接組成不盡相同，各有特色。中國移動以4G/2G物聯網連接為主（其中4G占比45%），中國電信以NB-IoT物聯網連接為主（占比50%），中國聯通以4G Cat.1/Cat.4物聯網為主（占比86%）。2022年運營商物聯網發展現狀見表1所列。

從模組出貨量統計來看，2022年中國蜂窩模組保持平穩增長，出貨規模約為2.8億塊，同比2021年增長3.1%。其中，NB-IoT和Cat.1為最主要的出貨模組制式，二者合計占到國內市場出貨結構的近8成。Cat.1和5G模組成為拉動國內市場出貨量增長的最主要動力，二者對國內蜂窩模組市場出貨量的增長貢獻率達到375%。

在物聯網快速發展廣泛融入生活和行業應用的同時，還面臨著以下挑戰。

（1）連接產生的價值仍需充分挖掘。運營商物聯網連接ARPU值（圖2）與移動用戶ARPU值相比整體偏低，物聯網連接占比已超過50%，但其營收占總營收的比例卻不超2%，規模與收入不成正比。隨著2G/3G物聯網存量業務持續向4G網絡遷移，得益于連接結構的優化，更高的資費拉升了整體均價，但仍與移動用戶ARPU值差距巨大，未來海量物聯連接對運營商的商業價值有待進一步發掘。

（2）物聯網終端長生命周期、業務培育與網絡不同步等特點影響網絡演進。以4G物聯網發展為例，2014年4G網絡商用，2018年運營商開啟2G/3G網絡精簡，4G模組價格降至百元左右，具有一定成本優勢。在4G網絡覆蓋完善、模組成本優勢明顯和網絡升級替換等多重因素影響下，2019年

NB-IoT、Cat.1啟動規模化增長，晚于網絡部署約4～6年。而到2020年，4G移網用戶占比已達到峰值并開始下降（圖3），物聯網終端和移動電話用戶無法做到協同發展。另外，物聯網垂直行業應用場景復雜，業務模型多樣，物聯網終端具有低成本、低功耗、小型化特點，部分具有較長的生命周期，例如NB-IoT終端、車聯網終端。物聯網的長尾效應對蜂窩網絡演進和頻率重耕帶來巨大挑戰。

（3）5G模組規模化應用仍需加強。由于市場需求碎片化、差異化嚴重，通用模組不能滿足全部行業需求，行業終端數量少，且不同行業、不同應用場景需要不同模組，開發存在一定難度；同時存在行業需求不明確，與行業結合度較低等問題，未能發揮5G全部作用。另一方面，因定制模組出貨量小和芯片費用居高不下，導致模組成本較高。這些因素均影響了5G物聯網的規模應用[2]。

（4）物聯網業務總量和業務模型暫不能與人聯網相比，但隨著物聯網連接規模的增長，對5G基站能耗和能效帶來的影響不容小覷。2022年8月，工業和信息化部等七部委在《信息通信行業綠色發展行動計劃（2022—2025）》中行動6明確“到2025年，5G基站能效提升20%”“完善基站設備能效評估體系，探索制定主設備、供電設備等不同層級基站設備能效評估方法”。體現了建立5G基站能效評估體系的迫切性和必要性，物聯網作為5G的重要業務類型有必要專門進行探索和研究。

2 蜂窩物聯網網絡規劃與演進策略

2.1 依托連接優勢向價值鏈頂端延伸

物聯網融合互聯網、蜂窩通信網、終端及平臺等上下游產業鏈。從價值貢獻度來看，未來物聯網產業鏈中設備層、連接層、平臺層和應用層的價值占比分別為21∶10∶34∶35，

連接是物聯網解決方案的基本能力，網絡連接層在物聯網總體收入中占比最低。運營商應在做好連接產品的同時，積極在終端、平臺、應用等方面規劃產品與服務。

在設備感知層聚焦重點應用領域，定制行業屬性的芯片/模組，自研解決方案，進一步降低成本，滿足行業需求，打造核心競爭力。在網絡連接層融合泛在網絡，構建泛在連接管理平臺，面向行業打造場景化、差異化的泛在連接產品，為物聯網的規模化發展提供關鍵的網絡連接接入管理能力。加快物聯網平臺技術及應用創新，完善IoT平臺泛協議接入、跨域融合物網協同、終端安全運營等基礎能力。借助物聯網業務實踐“規模經濟”和“價值經營”，作為業務增長的第二曲線[3]。

2.2 推動新技術應用保障端網業協同

物聯網發展需要充分考慮未來移動通信網絡代際升級帶來的影響。應基于模組終端、技術及應用演進趨勢，積極推動和引導新技術應用和推廣，努力做到網絡、終端、業務全生命周期相匹配。

從國內蜂窩物聯網發展和演進的角度來看，原2G物聯網終端預計有60%將遷移到NB-IoT，剩余40%將遷移到LTE Cat.1 bis；3G物聯網終端將完全遷移到LTE Cat.1 bis；出于成本考慮，約有40%的LTE Cat.4物聯網終端將遷移到LTE Cat.1 bis。隨著R17完成RedCap定義，在5年內將形成4G和5G網絡協同發展的移動物聯網綜合生態體系。4G方面，由NB-loT、LTE Cat .1/LTE Cat .1bis和LTE Cat.4分別承載低、中、高速率業務；5G方面，由RedCap和5G分別承載中高速率和超高速率業務。未來，R18 RedCap將持續演進，實現用“5G一張網”滿足萬物互聯高中低速場景。蜂窩物聯網終端演進趨勢如圖4所示。

未來4G/5G將共存一定時期，4G物聯網連接存量巨大且還在不斷增長，針對特定場景及終端提早應對和謀劃向5G（含RedCap）技術遷轉，為其生命周期服務提供保障。優先關注有廣域需求、需要超長周期、持續穩定的網絡服務的應用，如車聯網（包括前裝、后裝）、電動車、部分可穿戴設備等應用。通過建議監管機構及時更新物聯網標準指引，聯合產業生態建立示范應用推動技術升級與更新，針對特定行業規模定制終端引導設備升級等，將技術優勢轉化為商業優勢，提前向新網絡制式牽引，確保端網業全生命周期協同發展。

2.3 聚焦物聯網特點形成分類規劃指引

蜂窩物聯網網絡規劃和演進策略在聚焦各類物聯網業務需求和特點的基礎上，緊跟技術發展路徑，積極引入網絡新能力，持續優化連接業務布局，協同滿足多樣化場景需求，加快構建物聯網新型基礎設施[4]。

5G為物聯網打開了新的價值空間，讓物聯網有了更多的應用場景。5G物聯網應用主要包括5G公網物聯和5G 2B專網。5G公網物聯面向2C領域物聯，包括智能穿戴、智能家居等；5G 2B專網以5G和邊緣計算結合，以降低時延、卸載帶寬和保證敏感數據的安全性，其應用場景包括港口、礦山、工廠等[5]。近幾年來，5G 2B應用正加速融入千行百業，從頭部企業向大中型企業拓展實現規模應用，從輔助業務向核心環節應用拓展構筑高價值應用，對網絡能力需求也逐步多樣化，為制定符合行業需求、可量化和可復制的建設方案，需進一步規范2B物聯規劃方法論[6-7]。如圖5所示，包括業務需求及終端布局、網絡現狀分析及初步評估、網絡部署策略、無線網建設方案、方案效果驗證五大模塊。

RedCap作為輕量化5G技術，在保證功能性能滿足行業需求的同時可以顯著降低行業用5G的端側成本，工業、電力、園區視頻監控等行業應用將成為RedCap首波應用市場；隨著模組成本降低，車聯網、智能穿載等廣域應用也將逐步采用RedCap替代原有的4G物聯技術。目前5G基站硬件無需更換，通過軟件升級即可支持RedCap功能。

4G物聯網（不含NB-IoT）完全與公眾網絡兼容，網絡配置無需改變，與運營商4G網絡同步規劃和建設。重點關注4G網絡的物聯需求、端網頻段支持匹配度、覆蓋與質量等。

NB-IoT窄帶物聯網具有低功耗、大連接、低成本等性能優勢，廣泛應用于表計領域，并逐步擴展至智慧城市、資產定位、智慧停車等領域。3GPP在R16階段引入了面向5G mMTC的增強功能5G-CIoT，通過增強5GC功能，支持R16 NB-IoT終端接入5GC。但現網多為R13/R14版本模組，且承載業務類型相對固定，能夠滿足窄帶物聯網業務需求，現階段NB-IoT接入5GC的緊迫性不強。未來NB-IoT將跟隨運營商低頻重耕向5G演進[8-9]。

3 5G物聯網業務能效評估方法

我國蜂窩移動物聯網終端已超過20億，未來移動蜂窩物聯網的發展將向更廣范圍、更深程度、更高水平發展，邁入百億物聯發展征途，助力數字社會高質量發展。在雙碳背景下，大量連接勢必給無線接入網帶來新增能量消耗，同時由于5G業務多樣性特點，僅用“能耗”指標進行評估不夠客觀，綜合衡量和評估物聯網業務性能和能耗關聯的“能效”指標將對移動網絡節能降耗、提質增效尤為重要。

（1）

5G能效評估的關鍵是要選擇合理的指標來刻畫網絡的單位能耗效果，能效的傳統定義為單位能耗所提供的有效輸出，針對物聯網業務，結合5G不同的業務類型和對網絡需求分別刻畫[10]。5G物聯網業務類型及有效輸出見表2所列。

5G基站的BBU、AAU/RRU能耗由設備上報至網關，無法直接區分業務能耗。

5G網絡引入了切片技術，對存在的不同功能要求、不同性能要求等差異化功能場景，通過5G網絡切片提供差異化定制網絡，實現一網多用，物聯網也以切片形式部署。無線網切片主要通過5QI QoS優先級配置、RB資源預留和載波隔離3種方式實現。

（1）5QI QoS優先級為軟隔離方案，資源完全共享，針對切片用戶的QoS配置進行差異化調度；

（2）RB資源預留實現資源的部分隔離，給切片組預留的靜態RB不可被其它切片組搶占，同時，切片組內部按QoS優先級調度；

（3）載波隔離實現資源完全隔離，通過獨立頻譜或獨立基站實現最好的隔離效果。

物聯網業務有效輸出（流量、時延、可靠性、連接數）可以由5G網關按切片、5QI二維粒度統計分類匯總。物聯網業務能耗可結合不同切片方式計算等效能耗，如EC（Energy Consumption）為基站設備上報的能耗，基于5QI的切片能耗=切片5QI流量占比×設備能耗（θ5QI×EC），基于RB資源預留的切片能耗=預留RB占總RB比例×設備能耗（θRB×EC），基于載波隔離切片能耗=帶寬比例×設備能耗（θBWP×EC）。

結合物聯網業務種類和連接特點，評估不同類別、不同區域的物聯網能效，評估方法見表3所列。

物聯網業務的能效評估方法可以量化實際物聯網業務單位能耗的有效輸出，衡量不同節能技術對能效提升的效果，并通過不同區域、場景下的物聯網業務網絡能效對比，找到根因和提升思路。

4 結 語

綜上，物聯網行業的業務發展需始終堅持應用引導，緊跟技術演進，聚焦5G（含RedCap）物聯專網應用突破、深耕4G物聯承載，特殊應用如：超長周期終端及早向5G遷轉、NB-IoT遵循價值導向、不斷優化連接業務布局。在連接規模持續增加的同時，堅持綠色低碳發展，完善物聯網業務能效評估體系及方法，以實現對特定業務網絡能效進行科學評估，并匹配以合適的節能技術，達到助力5G網絡綠色可持續發展的目的。

參考文獻

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作者簡介：曹 恒（1980—），男，工學學士，高級工程師，研究方向為移動通信咨詢與設計。

尚海波（1978—），男，工學學士，高級工程師，研究方向為移動通信咨詢與設計。

張 鵬（1984—），男，碩士，高級工程師，研究方向為移動網絡規劃、移動通信新技術。

張 濤（1981—），男，碩士，高級工程師，研究方向為移動通信咨詢與設計。