NB-IoT技术特点及商用部署研究

谭敏，曾军，董亨琦

（1 烽火技术服务有限公司, 武汉 430073；2 中原电子集团有限公司，武汉 430073）

根据Gartner预测，到2020年M2M连接数将达到210亿个，人均接入终端6.8个，大连接时代正在来临。然而短距接入为主的物联网受到网络规模的制约，价值无法得到最大化的体现。从蜂窝技术衍生出来的窄带物联网（NB-IoT）技术，将带领物联网从局域走向广域。

NB-IoT作为运营商主导的新一代蜂窝物联网的标准，在覆盖范围、功耗、安全性等多方面具备优势，并可以满足目前绝大部分应用场景。伴随着3GPP标准在2016年冻结，在国家政策支持下，三大运营商准备在2017年基本完成NB-IoT网络的覆盖，速度领先全球。NB-IoT的全面部署也将驱动上游芯片、通信模块和下游应用市场，带动整个产业链的升级和革新。

NB-IoT是基于LTE的基本架构，面向大连接、广覆盖、低成本、低功耗的物联网应用而设计物联网系统，其主要特点包括：

（1）覆盖增强（相对GPRS网络提升20 dB）：下行采用15 kHz子载波间隔，上行采用3.75 kHz和15 kHz两种子载波间隔，终端最小发送宽带3.75 kHz。

（2）大规模连接：5万+连接200 kHz/CELL。

（3）超低功耗：10年电池寿命，采用了PSM和eDRX技术，寻呼优化技术，系统信息有效时间延长到24 h。

（4）超低成本：简化终端功能，仅支持半双工方式，支持带宽180 kHz，减少处理进程数。

（5）最小信令开销：支持CP和UP两种数据传输方式，无下行反馈信道。

（6）时延放宽到10 s以上。

1 NB-IoT商用部署改造需求

NB-IoT的商用部署涉及芯片模组、网络传输和平台应用等诸多问题。如图1所示。

1.1 芯片模组

芯片模组的需求包括支持NB-IoT协议；实现低成本；实现低功耗、长续航；安全协议和算法的优化。

芯片模组的改造工作包括基于新的物理层技术及低成本、低功耗的要求，需要对应用场景进行分析，重新进行硬件设计；基于新的简化后的协议栈设计及通信套件，需要进行新的软件开发；NB-IoT物联网卡和芯片的集成设计；增加终端本地的安全防护措施，包括安全存储、安全更新、隐私保护、机卡绑定和软件防篡改。

图1 NB-IOT商用部署系统架构图

1.2 网络传输

无线网的需求包括实现协议的简化（包括安全协议的简化处理）和支持无线信号覆盖的增强。

无线网的改造工作包括基于多载波GSM基站升级，增加复用基站数量；基于现有的基站，新增室内基带处理单元；集中式室内基带处理单元的部署。基于现有基站，增加远端射频模块和天馈线的数量。

核心网的需求包括网络协议的简化；数据传输方式的优化；提供新的计费机制；部署网络边界安全防护（例如防火墙等）。

核心网的改造工作包括LTE网元的新建和升级（主要包括移动管理网元，连接Internet的网元和用户接入网络侧的网元）。

1.3 平台应用

平台应用的需求包括提供海量用户的接入能力；提供海量数据的处理能力；部署平台安全防护措施；部署数据防火墙。提供终端产品的运营服务。

平台应用的改造工作包括基于现有的物联网终端设备管理平台进行优化和升级；新建大数据中心应对海量数据的处理和分析；新建物联网融合认证和业务保障平台；增加平台的安全防护措施和数据防火墙；增加终端产品的运营管理，提供增值服务。

2 NB-IoT商用部署策略

目前，行业龙头企业纷纷进行NB-IoT市场的布局。2016年4月，伦敦 M2M 大会上华为宣布与沃达丰成立NB-IoT开放实验室；2016年12月，中兴通讯在积极与国内三大运营商合作，进行NB-IoT的规范制订、技术试验和试点建设的同时，与移动合作完成了业界首家基于3GPP NB-IoT标准协议的技术验证演示；2017年3月，华为与深圳水务、中国电信联合发布全球首个商用智慧水务窄带物联网项目。

2.1 频率部署

3GPP定义了NB-IoT的3种部署场景，独立部署Standalone：利用目前现网空闲的频谱或者新的频谱进行部署，保护带部署Guard-Band：利用目前LTE载波保护带上没有使用的资源块进行部署，带内部署In-Band：利用现网LTE网络频段中的资源块进行部署。NB-IoT的频率部署方式如图2所示。

目前国内运营商可用的频率如表1所示。

频率部署建议遵循以下原则。

（1）优选已有的最低频段，因为频率越低，覆盖越好，建网的成本也就越低。

（2）尽可能的规避干扰。

（3）考虑未来该频段向FDD的演进需求。

运营商B频率部署实例分析：对于3种部署场景，独立部署、保护带部署以及带内部署。其中保护带部署在系统容量上表现不佳，带内部署在覆盖上受到一定限制，独立部署是相对较好的部署方式。根据优选低频段的原则，建议使用GSM 900 MHz频点，结合实际频率的使用情况，初步选取了3种部署方案，如图3所示。

3种方案分析如下：方案1与GSM-R频率紧邻，易与运营商B产生信号干扰；方案2旁边没有紧邻其它频点，干扰较少；方案3的频点相对于前两个方案的频点较高，随着天馈线的老化，互调问题将逐渐凸显。另外考虑FDD在演进过程中，方案2所受的影响也最小。综合以上分析，建议运营商B采用方案2进行NB-IoT的频率选择和部署。

图2 NB-IOT的频率部署方式

表1 运营商可用频率现状

2.2 成本控制

工信部下发了《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》。通知要求，到2017年末，我国NB-IoT基站规模要达到40万个，到2020年，我国NB-IoT基站规模要达到150万个，实现对于全国覆盖。

海量的基站建设，对建站成本的要求更加严苛，本文对低成本部署的方向进行分析，主要通过以下3个方面进行建站成本的控制。

（1）减少非必要区域站点的建设。由于NB-IoT的技术非常有特点，适用于地理位置偏僻、穿透力需求强以及市电引入不方便的场景，因此在NB-IoT前期的实际部署中可以考虑业务的需求特点，在业务需求区域进行建设，减少非业务需求区域站点的部署。

（2）降低站址的数量。对于运营商B，参照频率部署的实例分析，建议仅在GSM覆盖站的基础上进行升级建设，实际NB-IoT的深度覆盖；建议利用NB-IoT的20 dB覆盖增益的特点，在广域覆盖的场景下采用更加稀疏的站点进行升级建设，达到全覆盖的效果； 建议针对特定的场景、特定的业务，采用“物联网小站”增强覆盖，提升信号质量。

（3）降低设备成本。建议充分考虑室内和室外部署的特点，室内采用基带处理单元集中化部署的方式，室外的远端射频模块可以选择升级或者新建，从而减少设备的投入，进一步降低成本。

图3 运营商B频率部署实例

2.3 安全认证

在NB-IoT的商用部署中，安全与认证需要重点考虑以下内容。

（1）统一并减少认证流程，降低认证成本。目前在具体业务中通常采用两套认证流程。一套是网络认证，即认证物联设备能够接入到网络，一般采用成熟的蜂窝认证体系；另一套是业务认证，即认证物联网设备能否接入到业务平台。这两套认证流程相对比较独立，且认证技术也较为复杂，导致安全认证的成本较高。因此需要在保证不同运营商网络间的互通性、兼容性以及设备间良好兼容性的情况下，研究设备的统一认证机制，实现网络认证和业务认证相融合，从而有效的降低产业链中的认证成本。

（2）端到端的安全传输。目前有两条技术路线，一是SP自行完成端到端的安全传输保护，二是由供应商完成分段的安全传输保护。

（3）新增平台、网元的安全防护。建议设计新增网元的安全防护机制，以保护缓存数据和通信接口的安全。

（4）建设数据防火墙。为解决网关及开放平台与公网业务系统之间的数据访问传输安全，建议建设大数据安全管控平台，对数据访问进行认证和授权，检测异常行为，实现敏感数据脱敏，数据关联视图生成等功能。

（5）终端安全防护。窄带物联网终端需要考虑无人值守，能力受限等带来的安全新挑战与新需求，如机卡绑定与软件防篡改、数据的安全存储、固件系统的安全更新和特定场景下的隐私保护。

3 结束语

中国三大运营商在2017年基本完成NB-IoT的广域覆盖，速度领先全球。华为作为先行者在全球范围内引领NB-IoT标准的制定，中兴、大唐等企业正在逐步形成包括芯片、模组、终端、网络和平台在内的各个环节的设备生产和网络建设能力。三大运营商均提出各自的NB-IoT的商用计划，围绕NB-IoT的商用部署正在如火如荼的开展中。对于在部署过程中可能出现的一些重要问题，本文开展了有针对性的分析和研究，阐述了NB-IoT在商用部署中涉及的改造需求和部署策略，并重点对频点的选择提出了具体应用方案，并提出了基于现网的NB-IoT网络部署方案和建议。