NB—IoT運營商面臨的機遇與挑戰

魯娜+朱雪田+張成良

認為窄帶物聯網（NB-IoT）能夠有效解決傳統移動蜂窩網絡承載物聯網業務缺乏市場競爭優勢的問題。可通過新建獨立網絡，或者升級LTE無線、核心網絡實現NB-IoT網絡部署。運營商可基于已有的長期演進（LTE）網絡快速搭建一張連續深度覆蓋、低成本、低功耗、可漫游、質量有保障的窄帶專用物聯網，拓展新興業務。當前運營商發展NB-IoT面臨商業模式、產業鏈、技術等多方面的挑戰。

IoT；低功耗廣覆蓋（LPWA）；NB-IoT；LTE；LoRa

Narrowband Internet of things （NB-IoT） effectively improves the competition capacity when using the traditional cellular network to carry the service of IoT. NB-IoT network can be deployed independently， or upgraded through the existing long term evolution （LTE） network. Operators can quickly build up a continuous depth coverage， low cost， low power consumption， roaming， quality guaranteed narrowband dedicated networking to develop new services. Currently， NB-IoT are facing many challenges， such as new business model， the maturity of industrial chain， the competition from other technologies and so on.

IoT； low power wide area （LPWA）； NB-IoT； LTE； LoRa

1 NB-IoT技術概述

1.1 NB-IoT技術特點

窄帶物聯網（NB-IoT）是第3代合作伙伴計劃（3GPP） R13定義的無線接入技術，射頻帶寬為180 kHz，上下行峰值速率不超過250 kbit/s。NB-IoT主要面向低成本、低功耗、低速率、廣覆蓋的物聯網業務，如傳感器類、抄表類、物流監控、跟蹤類等。與傳統蜂窩網絡相比，NB-IoT覆蓋比通用分組無線服務技術（GPRS）增強20 dB，單小區可支持5萬個連接，終端功耗和成本大幅降低。同時為了利用長期演進（LTE）已有成熟的產業鏈和全球規模部署優勢，NB-IoT物理層和高層設計盡量與LTE兼容，并支持LTE帶內、LTE保護帶、獨立3種工作模式。

1.2 NB-IoT標準化與產業鏈進展

3GPP Release 13 NB-IoT于2015年9月通過立項，2016年6月完成核心部分標準化，預計2016年12月完成性能部分和終端一致性測試規范（Phase1）標準化[1-2]。3GPP Release 14繼續對NB-IoT技術進行增強[3-4]，標準化工作從2016年6月RAN#72通過立項開始，預計到2017年RAN#75全會完成核心功能標準，RAN#77全會完成性能標準。

目前中興通訊、愛立信、諾基亞等主流網絡設備廠商NB-IoT商用版本路標多發布在2017第1季度。英特爾、高通、中興微電子、展訊等芯片公司均發布NB-IoT路標。其中，英特爾于2016年內推出NB-IoT商用芯片，其他公司預計于2017年上半年推出NB-IoT商用芯片。整個產業鏈預計2017年上半年初步成熟。

國際上，沃達豐、德國電信等運營商將于2016年底部署NB-IoT試驗網絡。在中國，電信、移動、聯通3家運營商都已在部分城市進行了NB-IoT試商用及業務應用示范。

1.3 NB-IoT網絡部署

為了支持低成本廣覆蓋，NB-IoT應部署在低頻。目前全球NB-IoT主流均部署在1 GHz以下，多在800～900 MHz。NB-IoT支持3種工作模式（如圖1所示）：包括LTE帶內模式，占用LTE 1個物理資源塊（PRB）；LTE保護帶模式，占用了180 kHz帶寬；獨立模式，占用了200 kHz帶寬（180 kHz射頻帶寬+左右各10 kHz保護帶）。運營商可根據自身的頻譜資源和現有網絡情況，選擇合適的工作模式，通過新建或者網絡升級的方式部署NB-IoT無線網絡。

NB-IoT目標承載低價值、數目龐大的物聯網終端，主流核心網建設方案為蜂窩物聯網（CIoT）核心網獨立組網，與傳統高價值用戶的LTE演進分組核心網（EPC）獨立組網區分管理，采用不同的運營模式，如圖2所示。CIoT核心網的處理機制與傳統EPC有較大差異，獨立部署的核心網設備的軟硬件要求可基于CIoT業務特點進行優化和裁減，更好滿足業務需求。此外，NB-IoT標準一直在增強演進，網絡升級較頻繁，獨立部署可與LTE EPC互不影響。NB-IoT業務帶寬小，時延不敏感，當前網絡功能虛擬化（NFV）技術存在的用戶面性能問題，在NB-IoT不是瓶頸，因此可根據部署時間點和產業成熟度優先考慮基于NFV技術。

考慮到網絡建設初期NB-IoT業務量小，完全新建一張專用核心網絡成本較高，工作量較大，也可采用現有LTE EPC升級的方式快速支持NB-IoT。當NB-IoT業務量大時再通過獨立建網的方式支持。

中國電信NB-IoT網絡優先考慮采用獨立工作模式部署在800 MHz上端，通過對800 MHz碼分多址（CDMA）部分載波進行重耕部署LTE 800 MHz，再通過軟件升級的方式支持NB-IoT。NB-IoT與800 MHz LTE無線網絡共站址、共天饋、共設備、共傳輸，具有廣覆蓋的優勢。同時，為了快速支持NB-IoT網絡開通和業務運營，核心網初期采用EPC升級的方式，后續NB-IoT業務量大時，再獨立建網。裝有NB-IoT模塊的終端通過NB-IoT蜂窩網絡連接至全國統一的物聯網連接管理和業務應用使能平臺，通過平臺層接口對應用層各種業務進行開放[5]。NB-IoT端到端整體網絡架構如圖3所示。

2 運營商面臨的機遇與挑戰

2.1 應用場景和市場機遇

近年來，美國、歐盟、中國、日本等主要經濟體高度重視物聯網，均從國家戰略角度積極出臺相關政策推動物聯網產業發展。中國陸續出臺了互聯網+、中國制造2025等行動綱領，將物聯網、移動互聯網、云計算、大數據技術相結合，促進物聯網在傳統產業的應用，市場前景廣闊。

在此產業背景下，LoRa、NB-IoT等LPWA技術出現，填補了技術空白，擴展了新的業務領域。各種新的業務應用陸續出現，如以智能抄表為代表的公共事業應用；以智能停車、智能燈桿為代表的智慧城市應用；以報警系統、采暖通風控制系統為代表的智慧建筑應用，以農林牧漁家畜監測控制、環境監測控制為代表的智慧農業與環境應用；以可穿戴設備、VIP追蹤為代表的消費醫療應用；以設備監測控制等為代表的工業控制應用；以貨柜追蹤為代表的物流管理應用。

NB-IoT與LoRa相比，具有一系列優勢，使得NB-IoT更受運營商青睞。首先，NB-IoT的系統設計，盡可能與LTE保持兼容一致，便于利用LTE已有成熟的產業鏈和全球廣覆蓋的網絡，快速升級支持NB-IoT發展。其次，從頻率資源來看，NB-IoT帶寬窄，可利用LTE帶內和保護帶帶寬資源，無需單獨申請或拍賣頻率；從網絡建設來看，NB-IoT可與LTE共設備，基于已有LTE網絡快速升級，無需單獨建網；從技術特征來看，NB-IoT具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大容量等一系列技術優勢，有效解決了傳統移動蜂窩網絡承載物聯網業務缺乏市場競爭優勢的問題。因此NB-IoT自提出就備受市場關注，成為當下最熱的LPWA技術之一。運營商可基于已有網絡快速搭建一張連續深度覆蓋、低成本、低功耗、可漫游、質量有保障的窄帶專用物聯網，拓展新興業務領域。

2.2 運營商面臨的挑戰

當前，運營商發展NB-IoT也面臨很多方面的挑戰，包括商業模式、產業鏈、技術等。

商業模式挑戰指NB-IoT終端產生的數據流量極少，且對成本的敏感性高，可以預測通過增加連接數直接帶來的收入并不高。因此在物聯網時代，尤其蜂窩低功耗廣域網絡，如果僅作為數據管道，會使運營商更快地陷入增量不增收的困境。運營商除了提供基礎網絡連接服務之外，還應積極開拓并主導連接管理平臺和業務平臺的建設與運營工作，為行業客戶提供端到端的綜合智能信息服務。通過將電信網絡能力、平臺能力、業務開發能力進行整合匯聚，營造出一個開放的物聯網運營環境，在一些應用領域通過自營或與產業鏈其他公司合作，共同提供解決方案，探索新的業務運營模式。

產業鏈挑戰指NB-IoT產業鏈和市場成熟度與LoRa相比，存在一定滯后。NB-IoT產業鏈預計2017年初步成熟，大規模商用在2018年之后。相比之下，LoRa聯盟成立于2015年3月，目前擁有超過290多家成員，包括運營商、系統、軟件、芯片、模組、云服務、應用廠商，已構建完整的生態系統，并在多個國家和地區部署商用。NB-IoT的強勢出現一方面側面刺激了用戶對低功耗廣域網的熱情，激發了更多業務需求；一方面NB-IoT產業鏈短期無法成熟，給了LoRa快速發展的機會。如何深耕行業應用，找準NB-IoT的切入點，是運營商發展NB-IoT面臨的挑戰。

技術挑戰指如何基于現有的頻率和網絡資源，快速、低成本部署NB-IoT網絡，并避免或盡可能降低對現有網絡的影響。同時LPWA技術除了NB-IoT之外，還有基于LTE的eMTC技術、LoRa、Sigfox等。目前eMTC與NB-IoT有部分應用重疊競爭關系，導致產業界有不同的聲音。如何在技術上保持NB-IoT標準的持續演進，滿足運營商網絡長期演進需求，同時挖掘更多的基于NB-IoT的應用，快速實現NB-IoT的規模應用，需要產業鏈各方共同努力。

3 結束語

物聯網迎來歷史性發展機遇，物聯網接入技術眾多，NB-IoT是低功耗廣域物聯網代表技術之一。文章中，我們重點介紹了NB-IoT技術特點、標準化和產業鏈進展、網絡部署方案，并分析探討了NB-IoT可能的應用場景和運營商面臨的機遇與挑戰。一方面物聯網終端生命周期長，離網率低，可以預見NB-IoT網絡運營周期較長；一方面NB-IoT多部署在低頻，且技術特征已基本可滿足未來5G海量物聯網業務需求，因此需要NB-IoT在技術標準上保持繼續演進，以承載未來5G海量物聯網業務，降低運營商網絡建設運營成本。

參考文獻

[1] Qualcomm Incorporated， New Work Item： NarrowBand IOT （NB-IOT）， TSG RAN#69： 3GPP RP-151621[S]. 3GPP， 2015

[2] Huawei， HiSilicon， Revised Work Item： Narrowband IoT （NB-IoT）， TSG RAN#71： 3GPP RP-160656[S]. 3GPP， 2016

[3] Vodafone， Huawei， HiSilicon， Ericsson， Qualcomm， New work Item Proposal： Enhancements of NB-IoT， TSG RAN#72： 3GPP RP-161324[S]. 3GPP， 2016

[4] Huawei， HiSilicon， Revised work item proposal： Enhancements of NB-IoT， TSG RAN#73： 3GPP RP-161901[S]. 3GPP， 2016

[5] GSMA. Low Power Wide Area Solutions Assessment Version 1.0 [S]. 2015