運營商窄帶物聯網部署實現探討

運營商窄帶物聯網部署實現探討

楊曉鳴;孫曉亮

【摘 要】當今物聯網時代已經到來,窄帶物聯網技術(NB-IoT)以其低功耗、廣覆蓋

等技術優勢,成為當下炙手可熱的物聯網通信技術,受到眾多電信運營商的青睞.研究

首先分析了窄帶物聯網的技術特點,并以運營商的視角,從無線網、核心網、物聯網

平臺3個維度闡述窄帶物聯網技術的部署方案.然后列舉了窄帶物聯網的幾個典型

應用場景.最后對物聯網的發展前景進行了展望.

【期刊名稱】《電信工程技術與標準化》

【年(卷),期】2018(031)001

【總頁數】5頁(P84-88)

【關鍵詞】窄帶物聯網;網絡部署;物聯網應用

【作 者】楊曉鳴;孫曉亮

【作者單位】湖南省郵電規劃設計院有限公司,長沙 410001;湖南省郵電規劃設計

院有限公司,長沙 410001

【正文語種】中 文

【中圖分類】TN915

隨著物聯網技術的不斷演進發展，全球信息科技發展正經歷著從互聯網、移動互聯

網到物聯網的延伸。世界各國家都在加緊制定物聯網發展戰略，我國早在2010年

《政府工作報告》中就將物聯網提升到了戰略高度。2017年1月，工信部發布

《物聯網發展規劃（2016-2020年）》，預計到2020年，物聯網總體產業規模

將突破1.5萬億元，公眾網絡M2M連接數將突破17億。在國家政策引領與市場

空間的驅動下，運營商、軟件開發商、設備廠商、系統集成商紛紛開始物聯網生態

布局，物聯網產業呈現出百舸爭流的繁榮景象。

與此同時，在大眾消費市場日趨飽和、市場競爭不斷加劇的影響下，運營商盈利增

長趨緩，亟待尋求新的盈利增長點。運營商需借助自身優勢，抓住萬物互聯發展的

新機遇，更好的發揮利用連接驅動增長的發展模式。由于窄帶物聯網技術可以讓運

營商容易在現有網絡基礎上平滑升級支持物聯網，因此受到運營商的青睞，成為運

營商搶占物聯網市場的重要技術手段。

1 窄帶物聯網技術

NB-IoT（NarrowBand-IoT，窄帶物聯網），是3GPP為運營商定制的物聯網解

決方案。NB-IoT主要聚焦于低速率、深度覆蓋、低功耗、廣覆蓋、大連接的物聯

網業務，屬于LPWAN技術（Low-Power Wide-Area Network，低功耗廣域網）

中的一種。

NB-IoT具有如下技術特點：

（1）覆蓋廣且深，低時延敏感：NB-IoT具有更高的功率譜密度，更多重傳次數，

比GPRS提升20 dB增益，有效提升覆蓋廣度和深度，同時可允許時延約10 ms。

（2）低功耗，NB-IoT借助PSM（Power Saving Mode節電模式）和eDRX

（Enhanced Discontinuous Reception延長的非連續接受）模式，延長睡眠周

期，減少終端監聽網絡頻度，實現更長待機。

（3）成本較低，采用簡化的協議棧，降低基帶處理復雜度，功率放大器尺寸小，

可降低芯片模組成本。

（4）海量連接，采用窄帶技術，提高信道容量；減少空口信令開銷，提高頻譜效

率，提供50～100倍于移動蜂窩技術的接入數。

（5）安全穩定，繼承4G網絡安全能力，提供電信級的可靠接入。

2 運營商NB-IoT網絡部署實現

NB-IoT網絡由終端、無線基站、核心網、物聯網通用平臺和垂直行業應用平臺幾

個部分組成如圖1所示。

圖1 NB-IoT網絡整體架構

2.1 無線網絡部署

2.1.1 NB-IoT部署模式分析

NB-IoT技術支持部署3種部署模式：獨立部署（Stand-alone）、保護帶部署

（Guard-band）、帶內部署（In-band）如圖2所示。

圖2 NB-IoT的部署模式

（1）獨立部署（Stand-alone）：利用現網空閑頻譜或新的頻譜部署NB-IoT，

頻寬200 kHz。適合GSM/CDMA頻段重耕，騰出頻譜資源用于NB-IoT網絡。

（2）保護帶部署（Guard-band）：NB-IoT工作于LTE系統中邊緣的保護帶。

（3）帶內部署（In-band）：NB-IoT占用LTE載波的任意一個資源塊，但邏輯

上仍是獨立系統。

以中國電信為例，中國電信已完成800 MHz重耕，建設全覆蓋的LTE 800 MHz

網絡，并在網絡上部署NB-IoT。其NB-IoT頻譜部署方式分析如下：

（1）獨立部署（Stand-alone）：從中國電信的頻譜資源來看，在879.105～

880 MHz之間有895 kHz的空閑頻譜資源，可用于NB-IoT獨立部署。NB-IoT

載波位于879.4～879.6 MHz，預留295 kHz作為與CDMA的鄰頻保護帶，以避

免與LTE的同頻干擾。

（2）保護帶部署（Guard-band）：對2G/3G頻段進行重耕的初期，考慮部署5

MHz帶寬的LTE，Guard-band兩邊只有250 kHz，不支持保護帶部署NB-IoT。

（3）帶內部署（In-band）：可占用LTE帶內一個RB的帶寬部署NB-IoT。但此

種方式下，2個系統的頻帶相鄰，存在頻率干擾。為避免干擾，NB-IoT發射功率

應不超過LTE功率譜密度的6 dB，其覆蓋將受限。

2.1.2 NB-IoT組網方式分析

NB-IoT通過Filter OFDM、更多重傳次數等技術手段有效提升了無線覆蓋能力，

較GSM增強20 dB。一方面可用于減少NB-IoT基站數量，采用1：N的組網方

式部署NB-IoT和LTE基站；另一方面可采用1：1的組網方式，利用其增益提升

覆蓋的深度。

采用1：N組網將犧牲物聯網業務的可用性、容量和功耗，適用于淺層覆蓋的業務，

如智能路燈、智能停車類業務。對于要求深度覆蓋的業務，如抄表類，則需要采用

1：1組網。因此運營商需要根據業務特點及發展階段，靈活選擇組網部署方式。

目前中國電信采用獨立部署方式在283頻點之上部署NB-IoT，與800 MHz LTE

基站共享基帶、射頻、天饋資源，采用1：1組網方式。

圖3 物聯網核心網部署演進示意圖

2.2 核心網部署

由于物聯網用戶與普通LTE用戶差異較大，物聯網應用具有海量連接、數據分組

小、功耗敏感等特點，因此建議部署專用的物聯網核心網，同時積極引入NFV。

運營商核心網的部署可分步驟演進。

2.2.1 初期階段：現網升級

物聯網接入數量尚處于起步階段，業務類型較為單一。建議采用大區制建設物聯網

專用的HSS、 PGW網元。同時，各省網現有EPC核心網元MME、SGW進行軟

件升級并按需擴容，在容量、功能等方面保障物聯網業務的發展。

2.2.2 中期階段：虛擬專網

本階段物聯網業務大規模發展，核心網以滿足海量連接的物聯網接入為目標。逐步

引入NFV技術構建虛擬物聯網vEPC專網，推進“人網”、“物網”接入分離。

此階段為過渡階段，現網傳統EPC與vEPC共存，大部分物聯網應用采用vEPC

進行承載。

2.2.3 遠期階段：業務快速部署

本階段將推進網絡功能重構，基于統一NFVI構建專用接入，實現業務的按需編排，

實現設備資源統一調配和動態擴容。通過虛擬化物聯網專網對不同類別的業務和應

用進行切片，提供對應的服務，實現業務快速部署和靈活調度。

圖3為物聯網核心網部署演進示意圖。

2.3 物聯網通用服務平臺

物聯網通用服務平臺是物聯網應用層的重要組成部分，為物聯網應用的各個環節提

供服務，向終端提供開放的終端OS和開發套件；向網絡提供多種速率的連接，實

現連接可感知、可控制、可診斷；向應用開發者提供標準化、易用的開發環境，實

現應用的快速開發和部署；向最終用戶提供便捷的業務入口，實現智能互聯。

物聯網通用服務平臺一般包括連接管理平臺和應用使能平臺，如圖4所示。

2.3.1 連接管理平臺

CMP平臺應用于運營商網絡上，實現對物聯網連接配置和故障管理、保證終端聯

網通道穩定、網絡資源用量管理、連接資費管理、賬單管理、套餐變更、號碼/IP

地址/Mac資源管理，更好的幫助運營商做好物聯網SIM的管理。CMP平臺通過

與運營商IT支撐系統、核心網專用網元的交互，實現相關功能。

2.3.2 應用使能平臺

AEP平臺是提供應用開發和統一數據存儲功能的PaaS平臺，架構在連接管理平臺

CMP平臺之上。AEP平臺提供：成套應用開發工具、中間件、數據存儲功能、業

務邏輯引擎、對接第三方系統API等。

圖4 物聯網通用服務平臺架構

建議運營商根據物聯網應用及NB-IoT關鍵業務特點開展物聯網平臺建設。平臺架

構采用集約、開放的模式，著眼于滿足集團級物聯網業務的支撐，保障業務需求的

快速響應部署。

3 NB-IoT典型應用部署方案

NB-IoT是專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網應用而設計的物聯網

技術。在智慧城市應用、公共事業、工農業生產、大眾消費等領域有著廣闊的應用

前景。目前典型的NB-IoT應用場景列舉如下。

3.1 智能停車

圖5 智能停車NB-IoT部署示意圖

智能停車是應用最廣泛的城市物聯網之一，示意圖如圖5所示。目前常用的方案

是在停車位處安裝車檢器，車檢器采用非授權頻段技術（如ZigBee）將車位信息

上報給匯聚網關，匯聚網關通過運營商網絡上報到管理平臺。由于非授權頻段通信

存在信號干擾，網絡穩定性安全性較差；且匯聚網關覆蓋范圍有限，通常一個匯聚

網關只能管理10～15個車位，部署工作量較大。

采用NB-IoT部署智能停車，只需在車檢器上安裝NB-IoT芯片，通過芯片與運營

商基站的通信即可實現，無需根據車位數量部署相應的匯聚網關，可降低部署工作

量。部署成本方面，只需考慮芯片及運營商網絡租用成本，維護成本也大大降低。

同時，后續車位擴容簡單，無需考慮網絡兼容性問題，并可提供運營商級別網絡保

障，優勢明顯。

3.2 智能抄表

傳統智能抄表常采用電力線載波（PLC）、ZigBee等技術，通過區域通信接入設

備（集中區、采集器）連接管理平臺。

應用NB-IoT技術的智能抄表業務，不再需要部署區域通信設備及有線接入線路，

僅需租用運營商無線網絡，大大降低建設難度，縮短建設周期，減少建設投資和維

護成本。且NB-IoT網絡具有覆蓋廣且深，容量大，可靠性高，信息安全有保障等

特點，適用于抄表類業務，易于推廣。

3.3 智能路燈

目前城市路燈主要采用組控方式，一個路段設置一個配電箱，采用組控方式負責數

十盞路燈的開關。隨著路燈站址資源的逐步挖掘，路燈將成為智慧城市建設的新錨

點，智慧路燈運營商除提供照明外，還可在燈桿上集成充電樁、停車管理、視頻監

控、環境監測、緊急呼叫等功能。

采用NB-IoT技術進行智慧路燈運營可提供端到端網絡方案，不僅能實現照明的單

燈控制與調光，節約能源，還可更好的集成多種應用，避免組建復雜的網絡，簡化

設計、部署和維護工作。

4 結束語

隨著信息技術的飛速發展，物聯網已經深入到人們生產生活的方方面面。物聯網市

場將是一個巨大的藍海等待人們去挖掘，越來越多的業務需求驅動著物聯網技術不

斷演進發展，也為電信運營商帶來新的機遇與挑戰。

NB-IoT作為低功耗廣域網技術的代表，在低速率物聯網業務中扮演著重要的角色，

是電信運營商搶占物聯網市場的重要切入點。隨著芯片廠商、運營商、平臺提供商

等產業鏈各環節的積極推動，NB-IoT技術解決方案落地及其商用進程正在緊鑼密

鼓的向前演進，基于NB-IoT技術的商業模式也將趨于成型。未來，NBIoT技術

將被更廣泛的應用于不同的垂直行業，引領萬物互聯的新時代。

參考文獻

[1] 劉毅，孔建坤，牛海濤，等. 窄帶物聯網技術探討[J]. 通信技術，

2016(12):1671-1675.

[2] 戴國華，余駿華. NB-IoT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究[J]. 移動

通信，2016,40(7):31-36.

[3] 陳毅雯，張平，鄢勤. 基于LTE-M蜂窩物聯網技術的應用試點探討[J]. 郵電設

計技術，2016(5):21-24.

[4] 李娟，胡曉玲，李自剛. 窄帶物聯網NB-IOT能耗測試淺析[J].電信網技術，

2016(8):65-67.

[5] 曲井致. NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀及發展趨勢[J].科技創新與應

用，2016(31):115.

[6] 錢小聰，穆明鑫. NB-IoT的標準化、技術特點和產業發展[J].信息化研究，

2016,42(5):23-26.

[7] 彭雄根，李新，陳旭奇. NB-IoT技術的發展及網絡部署策略研究[J]. 郵電設計

技術，2017(3):58-61.

[8] 陳博，甘志輝. NB-IoT網絡商業價值及組網方案研究[J]. 移動通信，

2016(13):44-48.