物聯(lián)網(wǎng)指標體系及業(yè)務(wù)模型設(shè)計規(guī)范

曾 偉，劉 哲，肖 瑞，魯 皎

（北京聯(lián)通，北京 100038）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）在新一代信息技術(shù)的發(fā)展中起到重要的作用。IoT的主要技術(shù)特點是將物品通過通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)連接，從而構(gòu)建人機互連、物物互連的智能化網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸特點，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可分為3個層次，如圖1所示。

圖1 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)

其中低速率連接數(shù)在IoT業(yè)務(wù)中占比最大，3GPP針對此類業(yè)務(wù)的特點，設(shè)計制定了NB-IoT（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）協(xié)議標準。NB-IoT單載波系統(tǒng)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(yīng)用場景。

1 NB-IoT系統(tǒng)架構(gòu)

對于采用NB-IoT接入技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)而言，其端到端架構(gòu)是由NB-IoT終端/模塊、NB-IoT基站、NB-IoT核心網(wǎng)、NB-IoT平臺及第三方應(yīng)用服務(wù)器組成[1-3]，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

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(tài)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(wǎng)：集成MME、S-GW、P-GW、HSS功能，為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供移動性管理、網(wǎng)關(guān)功能、用戶簽約信息管理和用戶位置管理等服務(wù)。

NB-IoT平臺及第三方應(yīng)用服務(wù)器：對于不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，統(tǒng)一采用NB-IoT平臺支撐。NB-IoT平臺無法感知具體的業(yè)務(wù)形態(tài)，由第三方服務(wù)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(wǎng)絡(luò)指標評估體系依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)自身的業(yè)務(wù)特性，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實踐，從6個維度進行體系評估，如圖3所示。

圖3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)指標評估體系

在六維評估方法的基礎(chǔ)上，細化每個維度的評判指標，準確評估網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量，綜合評估網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)各項指標的重要程度及相關(guān)性，將各類指標按照對NBIoT業(yè)務(wù)的重要程度分為3個等級，形成物聯(lián)網(wǎng)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量的指標，作為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基礎(chǔ)指標，優(yōu)化權(quán)重占比較高。

（2）二級指標：作為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)評估的細分指標，能從其他角度間接反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的性能和質(zhì)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(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量的細微差異，使評估方法更加細致客觀。

依據(jù)六維三級指標評估體系，綜合分析評估現(xiàn)網(wǎng)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(yè)務(wù)模型設(shè)計規(guī)范

NB-IoT涉及垂直應(yīng)用行業(yè)眾多，不同的垂直行業(yè)具有不同的業(yè)務(wù)特征和模型，結(jié)合實際應(yīng)用中的經(jīng)驗，物聯(lián)網(wǎng)模型設(shè)計應(yīng)該遵循以下幾個方面的設(shè)計規(guī)范。

3.1 覆蓋

覆蓋可以通過信號強度RSRP和信號質(zhì)量SINR兩個參數(shù)來評估，信號強度或信號質(zhì)量越好，則業(yè)務(wù)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(fā)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(qū)域，即安裝點的網(wǎng)絡(luò)參考信號RSRP≥-115 dBm，信噪比SINR≥-3 dB。在覆蓋等級為2的區(qū)域，NB-IoT終端可以接入NBIoT網(wǎng)絡(luò)，但時延、耗電均會增加。

3.2 功耗

由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用場景的特殊性，NB-IoT終端設(shè)備經(jīng)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(xù)工作5年甚至10年以上。因此，對終端設(shè)備功耗要求如下：

（1）NB-IoT模組ST模式下發(fā)送數(shù)據(jù)時的功耗電流應(yīng)小于250 mA；

（2）NB-IoT模組ST模式下接收數(shù)據(jù)時的功耗電流應(yīng)小于80 mA；

（3）NB-IoT模組休眠態(tài)（PSM模式）的功耗電流應(yīng)小于 5 μA。

為降低終端功耗，業(yè)務(wù)設(shè)計推薦原則如下：

（1）減少消息交互的數(shù)量，例如將多條消息合并為1條消息；

（2）減少數(shù)據(jù)凈荷大小，例如增加數(shù)據(jù)壓縮的流程；

（3）在滿足應(yīng)用需求時，盡量減少每日消息交互次數(shù)；

（4）適當增加TAU（T3412）定時器時長，減少TAU次數(shù)，例如，消息上報周期為24 h，則可將TAU定時器設(shè)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(tài)，例如抄表類業(yè)務(wù)可以配置為0；

（6）盡量使用PSM模式降低終端空閑態(tài)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(wǎng)絡(luò)，注冊到核心網(wǎng)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(fā)。根據(jù)3GPP協(xié)議，單個調(diào)度周期內(nèi)，NPDCCH可調(diào)度的最大用戶數(shù)為2，NPDSCH數(shù)傳用戶數(shù)為1，NPUSCH數(shù)傳用戶為12。若同一區(qū)域內(nèi)大量終端同時傳輸數(shù)據(jù)，則相互之間會產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計避免海量終端同時接入。

錯峰接入：模組上電后自動向網(wǎng)絡(luò)發(fā)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(tǒng)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(shè)備ID最后兩位。

離散上報：對周期上報業(yè)務(wù)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(xiàn)終端上報數(shù)據(jù)的隨機離散化。例如智能水表每天上報1次，可以設(shè)置水表在每天的00:00—08:00之間上報數(shù)據(jù)，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(shù)，SN為水表的序列號，（SN mod 960）是SN除以960的余數(shù)。針對心跳業(yè)務(wù)，避免同時接入導致的網(wǎng)絡(luò)擁塞，心跳時間不能用絕對時間，而應(yīng)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(qū)域控制：需要對大量終端進行遠程控制操作時，為保證網(wǎng)絡(luò)順暢，宜對同一小區(qū)內(nèi)終端進行分批分區(qū)域控制。例如將終端按照約每0.8平方千米（小區(qū)半徑500 m）分為1個區(qū)域，不同區(qū)域的終端可以同時控制，但同一區(qū)域的終端延遲1 s以上進行控制[7-8]。

4 結(jié) 語

從NB-IoT端到端業(yè)務(wù)流程出發(fā)，建立逐層支撐、映射的指標體系。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)特征和現(xiàn)網(wǎng)指標建立六維三級指標評估體系，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與優(yōu)化評估提供參考。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)垂直領(lǐng)域業(yè)務(wù)的特征和已有經(jīng)驗，給出解決方案的一般性思路和方法。對NB-IoT實際業(yè)務(wù)部署和運維中的網(wǎng)絡(luò)評估優(yōu)化具有重要的指導借鑒意義[9-10]。