蜂窩物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃演進(jìn)策略及能效評估研究

摘 要：蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)是新型基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，文中基于國內(nèi)蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，開展蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢、各制式蜂窩物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃演進(jìn)策略和基于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的設(shè)備能效評估方法研究，為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)提供規(guī)劃指引，推動物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能效監(jiān)測及評估方法應(yīng)用，助力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)持續(xù)朝著端網(wǎng)協(xié)同、綠色低碳方向演進(jìn)。該研究主要應(yīng)用于運(yùn)營商蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能效監(jiān)測與評估。

關(guān)鍵詞：蜂窩模組；NB-IoT；生命周期；演進(jìn)策略；有效輸出；網(wǎng)絡(luò)能效監(jiān)測

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

0 引 言

蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)作為“新基建”和數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，從中央到部委陸續(xù)出臺政策加大扶持，對物聯(lián)網(wǎng)的政策指引也由網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動不斷向產(chǎn)業(yè)驅(qū)動縱深推進(jìn)。借助自上而下的技術(shù)驅(qū)動和自下而上的需求驅(qū)動，蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)作為底層支撐技術(shù)逐步重塑著智能、高效、節(jié)約型社會。隨著R17 RedCap標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，物聯(lián)網(wǎng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)連接在快速發(fā)展的同時，在價(jià)值、回報(bào)、演進(jìn)、推廣、綠色發(fā)展等方面還面臨著諸多挑戰(zhàn)，文中基于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)及業(yè)務(wù)特點(diǎn)，開展物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及演進(jìn)策略研究、物聯(lián)網(wǎng)能效評估體系及方法研究，提出區(qū)別于“人聯(lián)網(wǎng)”的蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃方法與要點(diǎn)、能效評估體系及方法，有效指導(dǎo)運(yùn)營商蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對特定業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)能效進(jìn)行科學(xué)評估，推動物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)朝著綠色低碳的方向發(fā)展。

1 國內(nèi)蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

移動物聯(lián)網(wǎng)作為新型基礎(chǔ)設(shè)施堅(jiān)實(shí)底座持續(xù)保持快速發(fā)展，2022年8月中國首次實(shí)現(xiàn)了蜂窩移動通信系統(tǒng)用戶數(shù)量上的“物超人”。截至2023年4月，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)終端用戶達(dá)20.1億戶，移動電話用戶總數(shù)17.1億戶，當(dāng)前“人”連接的結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，“物”的連接將成為運(yùn)營商業(yè)務(wù)增長的重要引擎。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)終端與移動電話用戶數(shù)發(fā)展趨勢如圖1所示。

運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展在政策、技術(shù)、應(yīng)用、資源、產(chǎn)業(yè)龍頭的多方面因素推動下，其物聯(lián)網(wǎng)連接組成不盡相同，各有特色。中國移動以4G/2G物聯(lián)網(wǎng)連接為主（其中4G占比45%），中國電信以NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)連接為主（占比50%），中國聯(lián)通以4G Cat.1/Cat.4物聯(lián)網(wǎng)為主（占比86%）。2022年運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀見表1所列。

從模組出貨量統(tǒng)計(jì)來看，2022年中國蜂窩模組保持平穩(wěn)增長，出貨規(guī)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(jì)占到國內(nèi)市場出貨結(jié)構(gòu)的近8成。Cat.1和5G模組成為拉動國內(nèi)市場出貨量增長的最主要動力，二者對國內(nèi)蜂窩模組市場出貨量的增長貢獻(xiàn)率達(dá)到375%。

在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展廣泛融入生活和行業(yè)應(yīng)用的同時，還面臨著以下挑戰(zhàn)。

（1）連接產(chǎn)生的價(jià)值仍需充分挖掘。運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)連接ARPU值（圖2）與移動用戶ARPU值相比整體偏低，物聯(lián)網(wǎng)連接占比已超過50%，但其營收占總營收的比例卻不超2%，規(guī)模與收入不成正比。隨著2G/3G物聯(lián)網(wǎng)存量業(yè)務(wù)持續(xù)向4G網(wǎng)絡(luò)遷移，得益于連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，更高的資費(fèi)拉升了整體均價(jià)，但仍與移動用戶ARPU值差距巨大，未來海量物聯(lián)連接對運(yùn)營商的商業(yè)價(jià)值有待進(jìn)一步發(fā)掘。

（2）物聯(lián)網(wǎng)終端長生命周期、業(yè)務(wù)培育與網(wǎng)絡(luò)不同步等特點(diǎn)影響網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。以4G物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展為例，2014年4G網(wǎng)絡(luò)商用，2018年運(yùn)營商開啟2G/3G網(wǎng)絡(luò)精簡，4G模組價(jià)格降至百元左右，具有一定成本優(yōu)勢。在4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋完善、模組成本優(yōu)勢明顯和網(wǎng)絡(luò)升級替換等多重因素影響下，2019年

NB-IoT、Cat.1啟動規(guī)模化增長，晚于網(wǎng)絡(luò)部署約4～6年。而到2020年，4G移網(wǎng)用戶占比已達(dá)到峰值并開始下降（圖3），物聯(lián)網(wǎng)終端和移動電話用戶無法做到協(xié)同發(fā)展。另外，物聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)應(yīng)用場景復(fù)雜，業(yè)務(wù)模型多樣，物聯(lián)網(wǎng)終端具有低成本、低功耗、小型化特點(diǎn)，部分具有較長的生命周期，例如NB-IoT終端、車聯(lián)網(wǎng)終端。物聯(lián)網(wǎng)的長尾效應(yīng)對蜂窩網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和頻率重耕帶來巨大挑戰(zhàn)。

（3）5G模組規(guī)?；瘧?yīng)用仍需加強(qiáng)。由于市場需求碎片化、差異化嚴(yán)重，通用模組不能滿足全部行業(yè)需求，行業(yè)終端數(shù)量少，且不同行業(yè)、不同應(yīng)用場景需要不同模組，開發(fā)存在一定難度；同時存在行業(yè)需求不明確，與行業(yè)結(jié)合度較低等問題，未能發(fā)揮5G全部作用。另一方面，因定制模組出貨量小和芯片費(fèi)用居高不下，導(dǎo)致模組成本較高。這些因素均影響了5G物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模應(yīng)用[2]。

（4）物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)總量和業(yè)務(wù)模型暫不能與人聯(lián)網(wǎng)相比，但隨著物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)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(yè)和信息化部等七部委在《信息通信行業(yè)綠色發(fā)展行動計(jì)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(shè)備能效評估體系，探索制定主設(shè)備、供電設(shè)備等不同層級基站設(shè)備能效評估方法”。體現(xiàn)了建立5G基站能效評估體系的迫切性和必要性，物聯(lián)網(wǎng)作為5G的重要業(yè)務(wù)類型有必要專門進(jìn)行探索和研究。

2 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與演進(jìn)策略

2.1 依托連接優(yōu)勢向價(jià)值鏈頂端延伸

物聯(lián)網(wǎng)融合互聯(lián)網(wǎng)、蜂窩通信網(wǎng)、終端及平臺等上下游產(chǎn)業(yè)鏈。從價(jià)值貢獻(xiàn)度來看，未來物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中設(shè)備層、連接層、平臺層和應(yīng)用層的價(jià)值占比分別為21∶10∶34∶35，

連接是物聯(lián)網(wǎng)解決方案的基本能力，網(wǎng)絡(luò)連接層在物聯(lián)網(wǎng)總體收入中占比最低。運(yùn)營商應(yīng)在做好連接產(chǎn)品的同時，積極在終端、平臺、應(yīng)用等方面規(guī)劃產(chǎn)品與服務(wù)。

在設(shè)備感知層聚焦重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，定制行業(yè)屬性的芯片/模組，自研解決方案，進(jìn)一步降低成本，滿足行業(yè)需求，打造核心競爭力。在網(wǎng)絡(luò)連接層融合泛在網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建泛在連接管理平臺，面向行業(yè)打造場景化、差異化的泛在連接產(chǎn)品，為物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)?；l(fā)展提供關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)連接接入管理能力。加快物聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新，完善IoT平臺泛協(xié)議接入、跨域融合物網(wǎng)協(xié)同、終端安全運(yùn)營等基礎(chǔ)能力。借助物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)實(shí)踐“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”和“價(jià)值經(jīng)營”，作為業(yè)務(wù)增長的第二曲線[3]。

2.2 推動新技術(shù)應(yīng)用保障端網(wǎng)業(yè)協(xié)同

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要充分考慮未來移動通信網(wǎng)絡(luò)代際升級帶來的影響。應(yīng)基于模組終端、技術(shù)及應(yīng)用演進(jìn)趨勢，積極推動和引導(dǎo)新技術(shù)應(yīng)用和推廣，努力做到網(wǎng)絡(luò)、終端、業(yè)務(wù)全生命周期相匹配。

從國內(nèi)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和演進(jìn)的角度來看，原2G物聯(lián)網(wǎng)終端預(yù)計(jì)有60%將遷移到NB-IoT，剩余40%將遷移到LTE Cat.1 bis；3G物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)終端將遷移到LTE Cat.1 bis。隨著R17完成RedCap定義，在5年內(nèi)將形成4G和5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展的移動物聯(lián)網(wǎng)綜合生態(tài)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(yè)務(wù)；5G方面，由RedCap和5G分別承載中高速率和超高速率業(yè)務(wù)。未來，R18 RedCap將持續(xù)演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)用“5G一張網(wǎng)”滿足萬物互聯(lián)高中低速場景。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)終端演進(jìn)趨勢如圖4所示。

未來4G/5G將共存一定時期，4G物聯(lián)網(wǎng)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(yīng)對和謀劃向5G（含RedCap）技術(shù)遷轉(zhuǎn)，為其生命周期服務(wù)提供保障。優(yōu)先關(guān)注有廣域需求、需要超長周期、持續(xù)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用，如車聯(lián)網(wǎng)（包括前裝、后裝）、電動車、部分可穿戴設(shè)備等應(yīng)用。通過建議監(jiān)管機(jī)構(gòu)及時更新物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)指引，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)生態(tài)建立示范應(yīng)用推動技術(shù)升級與更新，針對特定行業(yè)規(guī)模定制終端引導(dǎo)設(shè)備升級等，將技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為商業(yè)優(yōu)勢，提前向新網(wǎng)絡(luò)制式牽引，確保端網(wǎng)業(yè)全生命周期協(xié)同發(fā)展。

2.3 聚焦物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)形成分類規(guī)劃指引

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和演進(jìn)策略在聚焦各類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，緊跟技術(shù)發(fā)展路徑，積極引入網(wǎng)絡(luò)新能力，持續(xù)優(yōu)化連接業(yè)務(wù)布局，協(xié)同滿足多樣化場景需求，加快構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施[4]。

5G為物聯(lián)網(wǎng)打開了新的價(jià)值空間，讓物聯(lián)網(wǎng)有了更多的應(yīng)用場景。5G物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要包括5G公網(wǎng)物聯(lián)和5G 2B專網(wǎng)。5G公網(wǎng)物聯(lián)面向2C領(lǐng)域物聯(lián)，包括智能穿戴、智能家居等；5G 2B專網(wǎng)以5G和邊緣計(jì)算結(jié)合，以降低時延、卸載帶寬和保證敏感數(shù)據(jù)的安全性，其應(yīng)用場景包括港口、礦山、工廠等[5]。近幾年來，5G 2B應(yīng)用正加速融入千行百業(yè)，從頭部企業(yè)向大中型企業(yè)拓展實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，從輔助業(yè)務(wù)向核心環(huán)節(jié)應(yīng)用拓展構(gòu)筑高價(jià)值應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)能力需求也逐步多樣化，為制定符合行業(yè)需求、可量化和可復(fù)制的建設(shè)方案，需進(jìn)一步規(guī)范2B物聯(lián)規(guī)劃方法論[6-7]。如圖5所示，包括業(yè)務(wù)需求及終端布局、網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析及初步評估、網(wǎng)絡(luò)部署策略、無線網(wǎng)建設(shè)方案、方案效果驗(yàn)證五大模塊。

RedCap作為輕量化5G技術(shù)，在保證功能性能滿足行業(yè)需求的同時可以顯著降低行業(yè)用5G的端側(cè)成本，工業(yè)、電力、園區(qū)視頻監(jiān)控等行業(yè)應(yīng)用將成為RedCap首波應(yīng)用市場；隨著模組成本降低，車聯(lián)網(wǎng)、智能穿載等廣域應(yīng)用也將逐步采用RedCap替代原有的4G物聯(lián)技術(shù)。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(lián)網(wǎng)（不含NB-IoT）完全與公眾網(wǎng)絡(luò)兼容，網(wǎng)絡(luò)配置無需改變，與運(yùn)營商4G網(wǎng)絡(luò)同步規(guī)劃和建設(shè)。重點(diǎn)關(guān)注4G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)需求、端網(wǎng)頻段支持匹配度、覆蓋與質(zhì)量等。

NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有低功耗、大連接、低成本等性能優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于表計(jì)領(lǐng)域，并逐步擴(kuò)展至智慧城市、資產(chǎn)定位、智慧停車等領(lǐng)域。3GPP在R16階段引入了面向5G mMTC的增強(qiáng)功能5G-CIoT，通過增強(qiáng)5GC功能，支持R16 NB-IoT終端接入5GC。但現(xiàn)網(wǎng)多為R13/R14版本模組，且承載業(yè)務(wù)類型相對固定，能夠滿足窄帶物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，現(xiàn)階段NB-IoT接入5GC的緊迫性不強(qiáng)。未來NB-IoT將跟隨運(yùn)營商低頻重耕向5G演進(jìn)[8-9]。

3 5G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能效評估方法

我國蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)終端已超過20億，未來移動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將向更廣范圍、更深程度、更高水平發(fā)展，邁入百億物聯(lián)發(fā)展征途，助力數(shù)字社會高質(zhì)量發(fā)展。在雙碳背景下，大量連接勢必給無線接入網(wǎng)帶來新增能量消耗，同時由于5G業(yè)務(wù)多樣性特點(diǎn)，僅用“能耗”指標(biāo)進(jìn)行評估不夠客觀，綜合衡量和評估物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)性能和能耗關(guān)聯(lián)的“能效”指標(biāo)將對移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗、提質(zhì)增效尤為重要。

（1）

5G能效評估的關(guān)鍵是要選擇合理的指標(biāo)來刻畫網(wǎng)絡(luò)的單位能耗效果，能效的傳統(tǒng)定義為單位能耗所提供的有效輸出，針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，結(jié)合5G不同的業(yè)務(wù)類型和對網(wǎng)絡(luò)需求分別刻畫[10]。5G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型及有效輸出見表2所列。

5G基站的BBU、AAU/RRU能耗由設(shè)備上報(bào)至網(wǎng)關(guān)，無法直接區(qū)分業(yè)務(wù)能耗。

5G網(wǎng)絡(luò)引入了切片技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)切片提供差異化定制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)多用，物聯(lián)網(wǎng)也以切片形式部署。無線網(wǎng)切片主要通過5QI QoS優(yōu)先級配置、RB資源預(yù)留和載波隔離3種方式實(shí)現(xiàn)。

（1）5QI QoS優(yōu)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(jìn)行差異化調(diào)度；

（2）RB資源預(yù)留實(shí)現(xiàn)資源的部分隔離，給切片組預(yù)留的靜態(tài)RB不可被其它切片組搶占，同時，切片組內(nèi)部按QoS優(yōu)先級調(diào)度；

（3）載波隔離實(shí)現(xiàn)資源完全隔離，通過獨(dú)立頻譜或獨(dú)立基站實(shí)現(xiàn)最好的隔離效果。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)有效輸出（流量、時延、可靠性、連接數(shù)）可以由5G網(wǎng)關(guān)按切片、5QI二維粒度統(tǒng)計(jì)分類匯總。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能耗可結(jié)合不同切片方式計(jì)算等效能耗，如EC（Energy Consumption）為基站設(shè)備上報(bào)的能耗，基于5QI的切片能耗=切片5QI流量占比×設(shè)備能耗（θ5QI×EC），基于RB資源預(yù)留的切片能耗=預(yù)留RB占總RB比例×設(shè)備能耗（θRB×EC），基于載波隔離切片能耗=帶寬比例×設(shè)備能耗（θBWP×EC）。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類和連接特點(diǎn)，評估不同類別、不同區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)能效，評估方法見表3所列。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的能效評估方法可以量化實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)單位能耗的有效輸出，衡量不同節(jié)能技術(shù)對能效提升的效果，并通過不同區(qū)域、場景下的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)能效對比，找到根因和提升思路。

4 結(jié) 語

綜上，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)展需始終堅(jiān)持應(yīng)用引導(dǎo)，緊跟技術(shù)演進(jìn)，聚焦5G（含RedCap）物聯(lián)專網(wǎng)應(yīng)用突破、深耕4G物聯(lián)承載，特殊應(yīng)用如：超長周期終端及早向5G遷轉(zhuǎn)、NB-IoT遵循價(jià)值導(dǎo)向、不斷優(yōu)化連接業(yè)務(wù)布局。在連接規(guī)模持續(xù)增加的同時，堅(jiān)持綠色低碳發(fā)展，完善物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能效評估體系及方法，以實(shí)現(xiàn)對特定業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)能效進(jìn)行科學(xué)評估，并匹配以合適的節(jié)能技術(shù)，達(dá)到助力5G網(wǎng)絡(luò)綠色可持續(xù)發(fā)展的目的。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：曹 恒（1980—），男，工學(xué)學(xué)士，高級工程師，研究方向?yàn)橐苿油ㄐ抛稍兣c設(shè)計(jì)。

尚海波（1978—），男，工學(xué)學(xué)士，高級工程師，研究方向?yàn)橐苿油ㄐ抛稍兣c設(shè)計(jì)。

張 鵬（1984—），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)橐苿泳W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、移動通信新技術(shù)。

張 濤（1981—），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)橐苿油ㄐ抛稍兣c設(shè)計(jì)。