NB-IoT 900M無線網(wǎng)絡(luò)的未來光明之路

　　在互聯(lián)+的時代背景下，以NB-IoT為代表的物聯(lián)網(wǎng)一直在這條道路上追逐。近期中國移動宣布大規(guī)模的NB-IoT建網(wǎng)計劃，在2017年物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更是掀起了各家運營商的構(gòu)建狂潮。我們足以看到物聯(lián)網(wǎng)未來的道路會是一片光明。隨之而來的， 如何高效建設(shè)面向未來的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)就成為了當下最熱門的話題。

　　根據(jù)我們的預(yù)計，未來中國移動的無線網(wǎng)絡(luò)將成為一個涵蓋900MHz、1800MHz以及A、F、E、D和C 共7個頻段，以及GSM、IoT/FDD、TD-SCDMA、TD-LTE和NR（5G）共5個系統(tǒng)的多層次無線網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)及運營挑戰(zhàn)較大。無線網(wǎng)絡(luò)在演進過程中只有立足各頻段核心角色，高效建設(shè)、統(tǒng)籌部署，才能從容應(yīng)對未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的挑戰(zhàn)。而在今年的900M NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，就面臨著如何實現(xiàn)面向未來的高效建設(shè)的問題。

　　NB-IoT 900M網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有獨立新建和與GSM共模建設(shè)兩種典型方案可選擇，它們的對比如下圖所示。

　　獨立新建方案：在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上新增整套無線基站設(shè)備及天面（抱桿、天線），無法新增天線抱桿時，也會通過替換原有天線為多端口天線的方式實現(xiàn)與原有系統(tǒng)共用抱桿。但整體看，依然是新增了一套基站，天面資源占用也同時增加。

　　GSM共模建設(shè)方案：所謂共模是指同一射頻單元同時發(fā)射不同模式的網(wǎng)絡(luò)信號，實現(xiàn)多個模式的系統(tǒng)共用同一射頻單元RRU以及天線、饋線等資源，不增加天面資源的占用。形象地說，共建方案可實現(xiàn)“1+N=1”，即1個頻段+多個系統(tǒng)=1個硬件。

　　方案對比 1：建網(wǎng)難度與時長

　　共模建設(shè)時，可充分復(fù)用現(xiàn)有GSM天線，極大降低部署難度。特別是對于現(xiàn)有GSM RRU已經(jīng)具備支持NB-IoT/FDD能力的情況，僅需增加一塊基帶板、一根光纖（用于連接基帶和射頻單元），即可完成共模升級，工程用時小于1個小時。而如果采取獨立新建方案，在需要新增基帶板、射頻硬件、天線、光纖或者饋線/跳線等，工程用時需要1-2天。

　　方案對比2：鐵塔租金和電費

　?、勹F塔租金計費：每新增一套系統(tǒng)（3副天線+3個RRU）加收單站租金30%。如果使用多端口天線利舊抱桿，只新增3個RRU的情況加收租金20%

　　以中國移動現(xiàn)網(wǎng)平均單站年租金~3萬元測算。相比共模建設(shè)方案，純新建方案要多交租金6000~9000元/年/站

　　共模建設(shè)方式由于不需要付額外的鐵塔租金，相比獨立新建方式，每個基站可以節(jié)省3萬~4.5萬元（5年）的運維費用。

　?、陔娰M差異：每個基站3個RRU的功耗是基站能耗最大的部分，就凈功耗（無業(yè)務(wù)發(fā)射時的功耗）對比分析，由于在共模方式下可實現(xiàn)多個系統(tǒng)共享，因此可比獨立新建方式節(jié)省大量基站能耗和電費。

　　根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)基站功耗情況及NB-IoT設(shè)備功耗計算，采用共模方案每年可節(jié)省電費約8000~12000元/站 （電費按1元/度計算），5年可節(jié)省電費4萬~6萬元。

　　因此，采用共模建設(shè)方式，單站的鐵塔租金和電費的節(jié)省可達7萬~10.5萬元（5年）

　　方案對比3：基站設(shè)備及天線投資

　　共模方式建設(shè)，一方面可以利舊GSM現(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)具備多模能力的RRU，節(jié)省設(shè)備投資成本，另一方面，可實現(xiàn)與GSM復(fù)用天線端口，大幅節(jié)省天線投資，具體分析如下面表格所示。

　　總結(jié)

　　NB-IoT 900M網(wǎng)絡(luò)采用與GSM共模建設(shè)的方式，可為中國移動節(jié)省巨大投資及運維成本，有利于網(wǎng)絡(luò)運營的可持續(xù)發(fā)展，并為未來網(wǎng)絡(luò)演進打好基礎(chǔ)。

　　900MHz GSM/FDD/IoT共模方式下，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的CAPEX和后期運營維護的OPEX雙雙得到大幅節(jié)省：在OPEX方面，硬件已經(jīng)具備，可通過利舊RRU和復(fù)用天線端口，大量節(jié)省主設(shè)備投資；在CAPEX方面，因不用新增天面而節(jié)省了站點天面租金，1套硬件多個系統(tǒng)的方式大幅提升了NB-IoT能耗效率，新增添的能耗更節(jié)省的硬件更是提升了節(jié)能收益。

　　900MHz GSM/FDD/NB-IoT共模方式將助力中國移動高效建設(shè)面向未來的網(wǎng)絡(luò)：第一，快速投資，共模建設(shè)充分利用現(xiàn)有站址資源，部署速度比新建快3倍以上，輕松應(yīng)對市場競爭；第二，投資高效， 共模方案的總體擁有成本比新建低一半以上，5年的運維費用節(jié)省可以買一個新站；第三，綠色節(jié)能，共模方案比新建方式節(jié)能40%~65%可實現(xiàn)GSM/FDD/NB-IoT多網(wǎng)節(jié)能。

　　此外，G/N/F共模方案還可更好地支持網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平滑演進，實現(xiàn)資產(chǎn)保值增值。

　　由于以上突出的特點和優(yōu)勢，在頻譜重耕的網(wǎng)絡(luò)演進中，共模方案被全球運營商所廣泛采用，以實現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運營。其中，愛立信憑借成熟的方案和卓越的能力，為全球幾十家客戶提供GSM共模方案。

　　隨著3G時代的到來，未來兩年內(nèi)移動終端身份識別SIM卡會向三個方面發(fā)展：其一：高安全的身份識別平臺；其二：非接觸移動支付平臺；其三：大容量多應(yīng)用平臺。在移動互聯(lián)網(wǎng)進入內(nèi)容為王的時代，移動支付成為一個必然的趨勢，SIM卡必然隨著這兩個趨勢的要求，向NFC非接觸移動支付及大容量方向發(fā)展，最終會融合到一起，成為真正的多應(yīng)用平臺。

　　隨著3G時代的到來，未來兩年內(nèi)移動終端身份識別SIM卡會向三個方面發(fā)展：其一：高安全的身份識別平臺；其二：非接觸移動支付平臺；其三：大容量多應(yīng)用平臺。在移動互聯(lián)網(wǎng)進入內(nèi)容為王的時代，移動支付成為一個必然的趨勢，SIM卡必然隨著這兩個趨勢的要求，向NFC非接觸移動支付及大容量方向發(fā)展，最終會融合到一起，成為真正的多應(yīng)用平臺。

　　據(jù)深度了解，中國移動早在2006年就曾展示其“手機門票”服務(wù)，直到此次上海世博會，中國移動借此實現(xiàn)了該業(yè)務(wù)的大規(guī)模商業(yè)推廣，從而也成為目前國內(nèi)三大電信運營商中首家展開該業(yè)務(wù)的先行者。這無疑將為中國移動未來在該領(lǐng)域的競爭搶得先機，而以“手機門票”為代表的電子銷售渠道，恰恰是未來電信運營商爭奪的一個巨大市場。另外的兩家電信運營商中國聯(lián)通和中國電信也在積極規(guī)劃并展開非接移動支付的試點工作。

　　國際NFC 組織于2004年成立，目前國際手機、電信、智能卡大廠幾乎都是會員，上海華虹于2007年底正式加入該組織，同年上海華虹積極展開NFC-SIM的市場調(diào)研及概念性產(chǎn)品的預(yù)研工作。在非接觸移動支付產(chǎn)業(yè)化過程中，上海華虹積極推動并參與如下標準制定以及NFC-SIM芯片實際應(yīng)用測試聯(lián)調(diào)：08年下半年，上海華虹參與世博會手機票標準規(guī)范起草制度；09年2月，上海華虹牽頭制定手機票測試規(guī)范及測試腳本；09年4月～5月，上海華虹非接觸移動支付產(chǎn)品參與中國移動外系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試及端到端業(yè)務(wù)功能測試。

　　目前上海華虹已具備了高端SIM卡芯片的設(shè)計技術(shù)， 以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)能力，2008年中完成以ARM SC100 32位CPU為核心內(nèi)嵌384KB高可靠性Flash 3G高端SIM卡產(chǎn)品的量產(chǎn)投片，同年12月產(chǎn)品開始批量供貨，在此高端產(chǎn)品的設(shè)計及量產(chǎn)基礎(chǔ)上，上海華虹進行了大量非接移動支付市場和技術(shù)的調(diào)研及產(chǎn)品定義，并于2008年底完成國內(nèi)第一顆高端NFC-SIM芯片的量產(chǎn)投片。圖1為上海華虹設(shè)計高端NFC-SIM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

　　圖1 NFC-SIM芯片系統(tǒng)架構(gòu)

　　該芯片具有以下特點：

　　1） 全新的單線協(xié)議（SWP）IP設(shè)計實現(xiàn)，以支持最新的NFC移動支付架構(gòu)，芯片實際測試SWP的傳輸速率為1.33Mbps；

　　2） 豐富的內(nèi)部定時器，支持更高的SWP LDPU的傳輸速率；

　　3） 高安全設(shè)計；

　　4） 芯片在NFC系統(tǒng)饋電模式下應(yīng)用的支持（低功耗設(shè)計和芯片架構(gòu)設(shè)計支持）；

　　5） 低功耗設(shè)計；

　　6） 采用高性能、高可靠性嵌入式Flash（384KB Flash）及大量RAM同時滿足JAVA運行的資源和速度要求。

　　7） 為加快系統(tǒng)的處理響應(yīng)速度，有如下設(shè)計創(chuàng)新：將ARM中斷改為向量中斷，確保中斷響應(yīng)時間最短；硬件支持多級中斷優(yōu)先級嵌套；

　　8） 豐富的IO接口設(shè)計：SPI、GPIO、 7816， SWP；

　　9） 雙芯片疊片封裝；

　　10） 復(fù)雜的軟件系統(tǒng)支持。

　　實現(xiàn)手機移動支付，手機SIM卡需采用專門NFC-SIM卡，在SIM卡中分出金融區(qū)域，用于銀行金融應(yīng)用。同時手機需要做相應(yīng)的改造以支持NFC。持卡人獲得支持NFC支付的手機和NFC-SIM卡后，通過手機遠程激活金融區(qū)域，下載應(yīng)用程序。完成激活后，SIM卡中的金融區(qū)域即具有芯片信用卡的功能。手機NFC方式支付時，與芯片信用卡非接觸式支付相同。手機遠程支付時，采用銀行提供的WAP手機銀行、短信手機銀行模式。

　　圖2 近場通信芯片-UICC物理連接

　　支持近場通信的用戶卡（NFC-SIM）通過C6管腳與近場通信芯片相連，以保證近場通信芯片與用戶卡之間的通信，參見圖2。非接觸移動支付終端（支持NFC-SIM手機）的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，由近場通信模塊、無線通信模塊、主控制器、SIM卡模塊、輸出、輸入、存儲、外部接口組成，移動臺中的近場通信模塊通過單線通信協(xié)議與SIM卡之間進行通信。

　　SIM卡存放用戶密鑰，存放用戶的各種近場通信應(yīng)用。其中：

　　1、 近場通信模塊：實現(xiàn)近場通信三種工作模式，傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)至SIM卡或主控制器；

　　2、 無線通信模塊：完成移動臺的通信功能，提供數(shù)據(jù)傳輸信道；

　　3、 主控制器：控制移動臺中的各種應(yīng)用，控制近場通信模塊工作模式的轉(zhuǎn)換；

　　4、 SIM卡模塊：對SIM卡進行管理；

　　5、 輸出：對文字和視頻進行顯示，播放聲音；

　　6、 輸入：外部信息的輸入；

　　7、 存儲：存儲移動臺運行過程中的信息，存放用戶文件；

　　8、 外部接口：終端與外設(shè)的交互通道；

　　9、 電源模塊：提供電源；

　　10、 單線通信協(xié)議：連接移動臺中的近場通信芯片與SIM卡，通過此協(xié)議可以實現(xiàn)SIM卡中的非接觸式應(yīng)用； SIM卡需要提供一個管腳支持。

　　SWP接口與手機終端兼容性的聯(lián)合調(diào)試

　　1） 技術(shù)風險：由于SWP通信協(xié)議同樣正處于協(xié)議的修改和完善階段，國際NFC標準化組織目前所發(fā)布的適合非接移動支付芯片通信接口SWP7.6版本剛剛發(fā)布，因此在SIM卡與手機終端聯(lián)合調(diào)試過程中存在一定的設(shè)計風險，由于目前提供CLF主控芯片的廠商只有Inside一家，存在SIM卡與手機之間通信上的兼容性問題以及更多的設(shè)計上不確定因素。

　　2） 規(guī)避風險對策：目前上海華虹研究并熟悉SWP通信協(xié)議，同時在FPGA DEMO2.0上進行協(xié)議功能以及兼容性方面的驗證已經(jīng)通過，上海華虹已經(jīng)同中興手機事業(yè)部聯(lián)合驗證開展NFC手機與非接移動支付芯片之間通信的功能及兼容性測試合作。同時已經(jīng)在SWP的協(xié)議分析儀TC3上測試SWP模塊設(shè)計的兼容性。

　　系統(tǒng)中斷的快速響應(yīng)與處理

　　1） 技術(shù)風險：芯片內(nèi)中斷系統(tǒng)設(shè)計直接影響系統(tǒng)的性能，對于非接移動支付芯片來說中斷的優(yōu)先級排隊、中斷的響應(yīng)時間、及中斷的處理速度，直接影響RTOS的運行速度及多任務(wù)的處理性能。從目前的非接移動支付產(chǎn)品定義來看至少包含兩個通信接口，ISO7816/SWP兩個接口同時并行工作，并且CPU對兩個接口協(xié)議棧的處理采取中斷優(yōu)先級加時間片的管理方式，如果系統(tǒng)中斷設(shè)計得不合理，直接的風險便是系統(tǒng)無法滿足非接移動支付芯片的應(yīng)用需求。

　　2） 規(guī)避風險對策：上海華虹設(shè)計32位設(shè)計平臺采用高性能中斷控制器，同時在系統(tǒng)設(shè)計之處，采用了高性能體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并經(jīng)過詳細的系統(tǒng)性能方面的靜態(tài)計算與分析研究。確保中斷優(yōu)先級定義滿足非接移動支付芯片的實際應(yīng)用需求。