NB-IoT 900M无线网络的未来光明之路

　　在互联+的时代背景下，以NB-IoT为代表的物联网一直在这条道路上追逐。近期中国移动宣布大规模的NB-IoT建网计划，在2017年物联网的发展更是掀起了各家运营商的构建狂潮。我们足以看到物联网未来的道路会是一片光明。随之而来的， 如何高效建设面向未来的NB-IoT网络就成为了当下最热门的话题。

　　根据我们的预计，未来中国移动的无线网络将成为一个涵盖900MHz、1800MHz以及A、F、E、D和C 共7个频段，以及GSM、IoT/FDD、TD-SCDMA、TD-LTE和NR（5G）共5个系统的多层次无线网络，建设及运营挑战较大。无线网络在演进过程中只有立足各频段核心角色，高效建设、统筹部署，才能从容应对未来网络发展的挑战。而在今年的900M NB-IoT网络建设中，就面临着如何实现面向未来的高效建设的问题。

　　NB-IoT 900M网络建设有独立新建和与GSM共模建设两种典型方案可选择，它们的对比如下图所示。

　　独立新建方案：在现有网络基础上新增整套无线基站设备及天面（抱杆、天线），无法新增天线抱杆时，也会通过替换原有天线为多端口天线的方式实现与原有系统共用抱杆。但整体看，依然是新增了一套基站，天面资源占用也同时增加。

　　GSM共模建设方案：所谓共模是指同一射频单元同时发射不同模式的网络信号，实现多个模式的系统共用同一射频单元RRU以及天线、馈线等资源，不增加天面资源的占用。形象地说，共建方案可实现“1+N=1”，即1个频段+多个系统=1个硬件。

　　方案对比 1：建网难度与时长

　

　　共模建设时，可充分复用现有GSM天线，极大降低部署难度。特别是对于现有GSM RRU已经具备支持NB-IoT/FDD能力的情况，仅需增加一块基带板、一根光纤（用于连接基带和射频单元），即可完成共模升级，工程用时小于1个小时。而如果采取独立新建方案，在需要新增基带板、射频硬件、天线、光纤或者馈线/跳线等，工程用时需要1-2天。

　　方案对比2：铁塔租金和电费

　　①铁塔租金计费：每新增一套系统（3副天线+3个RRU）加收单站租金30%。如果使用多端口天线利旧抱杆，只新增3个RRU的情况加收租金20%

　　以中国移动现网平均单站年租金~3万元测算。相比共模建设方案，纯新建方案要多交租金6000~9000元/年/站

　　共模建设方式由于不需要付额外的铁塔租金，相比独立新建方式，每个基站可以节省3万~4.5万元（5年）的运维费用。

　　②电费差异：每个基站3个RRU的功耗是基站能耗最大的部分，就净功耗（无业务发射时的功耗）对比分析，由于在共模方式下可实现多个系统共享，因此可比独立新建方式节省大量基站能耗和电费。

　　根据现网基站功耗情况及NB-IoT设备功耗计算，采用共模方案每年可节省电费约8000~12000元/站 （电费按1元/度计算），5年可节省电费4万~6万元。

　　因此，采用共模建设方式，单站的铁塔租金和电费的节省可达7万~10.5万元（5年）

　　方案对比3：基站设备及天线投资

　　共模方式建设，一方面可以利旧GSM现网已经具备多模能力的RRU，节省设备投资成本，另一方面，可实现与GSM复用天线端口，大幅节省天线投资，具体分析如下面表格所示。

　　总结

　　NB-IoT 900M网络采用与GSM共模建设的方式，可为中国移动节省巨大投资及运维成本，有利于网络运营的可持续发展，并为未来网络演进打好基础。

　　900MHz GSM/FDD/IoT共模方式下，网络建设的CAPEX和后期运营维护的OPEX双双得到大幅节省：在OPEX方面，硬件已经具备，可通过利旧RRU和复用天线端口，大量节省主设备投资；在CAPEX方面，因不用新增天面而节省了站点天面租金，1套硬件多个系统的方式大幅提升了NB-IoT能耗效率，新增添的能耗更节省的硬件更是提升了节能收益。

　　900MHz GSM/FDD/NB-IoT共模方式将助力中国移动高效建设面向未来的网络：第一，快速投资，共模建设充分利用现有站址资源，部署速度比新建快3倍以上，轻松应对市场竞争；第二，投资高效， 共模方案的总体拥有成本比新建低一半以上，5年的运维费用节省可以买一个新站；第三，绿色节能，共模方案比新建方式节能40%~65%可实现GSM/FDD/NB-IoT多网节能。

　　此外，G/N/F共模方案还可更好地支持网络技术平滑演进，实现资产保值增值。

　

　　由于以上突出的特点和优势，在频谱重耕的网络演进中，共模方案被全球运营商所广泛采用，以实现高效的网络建设运营。其中，爱立信凭借成熟的方案和卓越的能力，为全球几十家客户提供GSM共模方案。

　　随着3G时代的到来，未来两年内移动终端身份识别SIM卡会向三个方面发展：其一：高安全的身份识别平台；其二：非接触移动支付平台；其三：大容量多应用平台。在移动互联网进入内容为王的时代，移动支付成为一个必然的趋势，SIM卡必然随着这两个趋势的要求，向NFC非接触移动支付及大容量方向发展，最终会融合到一起，成为真正的多应用平台。

　　随着3G时代的到来，未来两年内移动终端身份识别SIM卡会向三个方面发展：其一：高安全的身份识别平台；其二：非接触移动支付平台；其三：大容量多应用平台。在移动互联网进入内容为王的时代，移动支付成为一个必然的趋势，SIM卡必然随着这两个趋势的要求，向NFC非接触移动支付及大容量方向发展，最终会融合到一起，成为真正的多应用平台。

　　据深度了解，中国移动早在2006年就曾展示其“手机门票”服务，直到此次上海世博会，中国移动借此实现了该业务的大规模商业推广，从而也成为目前国内三大电信运营商中首家展开该业务的先行者。这无疑将为中国移动未来在该领域的竞争抢得先机，而以“手机门票”为代表的电子销售渠道，恰恰是未来电信运营商争夺的一个巨大市场。另外的两家电信运营商中国联通和中国电信也在积极规划并展开非接移动支付的试点工作。

　　国际NFC 组织于2004年成立，目前国际手机、电信、智能卡大厂几乎都是会员，上海华虹于2007年底正式加入该组织，同年上海华虹积极展开NFC-SIM的市场调研及概念性产品的预研工作。在非接触移动支付产业化过程中，上海华虹积极推动并参与如下标准制定以及NFC-SIM芯片实际应用测试联调：08年下半年，上海华虹参与世博会手机票标准规范起草制度；09年2月，上海华虹牵头制定手机票测试规范及测试脚本；09年4月～5月，上海华虹非接触移动支付产品参与中国移动外系统联调测试及端到端业务功能测试。

　　目前上海华虹已具备了高端SIM卡芯片的设计技术， 以及相关产品的研发能力，2008年中完成以ARM SC100 32位CPU为核心内嵌384KB高可靠性Flash 3G高端SIM卡产品的量产投片，同年12月产品开始批量供货，在此高端产品的设计及量产基础上，上海华虹进行了大量非接移动支付市场和技术的调研及产品定义，并于2008年底完成国内第一颗高端NFC-SIM芯片的量产投片。图1为上海华虹设计高端NFC-SIM的系统结构框图。

　　图1 NFC-SIM芯片系统架构

　　该芯片具有以下特点：

　　1） 全新的单线协议（SWP）IP设计实现，以支持最新的NFC移动支付架构，芯片实际测试SWP的传输速率为1.33Mbps；

　　2） 丰富的内部定时器，支持更高的SWP LDPU的传输速率；

　　3） 高安全设计；

　　4） 芯片在NFC系统馈电模式下应用的支持（低功耗设计和芯片架构设计支持）；

　　5） 低功耗设计；

　　6） 采用高性能、高可靠性嵌入式Flash（384KB Flash）及大量RAM同时满足JAVA运行的资源和速度要求。

　　7） 为加快系统的处理响应速度，有如下设计创新：将ARM中断改为向量中断，确保中断响应时间最短；硬件支持多级中断优先级嵌套；

　　8） 丰富的IO接口设计：SPI、GPIO、 7816， SWP；

　　9） 双芯片叠片封装；

　　10） 复杂的软件系统支持。

　　实现手机移动支付，手机SIM卡需采用专门NFC-SIM卡，在SIM卡中分出金融区域，用于银行金融应用。同时手机需要做相应的改造以支持NFC。持卡人获得支持NFC支付的手机和NFC-SIM卡后，通过手机远程激活金融区域，下载应用程序。完成激活后，SIM卡中的金融区域即具有芯片信用卡的功能。手机NFC方式支付时，与芯片信用卡非接触式支付相同。手机远程支付时，采用银行提供的WAP手机银行、短信手机银行模式。

　　图2 近场通信芯片-UICC物理连接

　　支持近场通信的用户卡（NFC-SIM）通过C6管脚与近场通信芯片相连，以保证近场通信芯片与用户卡之间的通信，参见图2。非接触移动支付终端（支持NFC-SIM手机）的硬件结构如图3所示，由近场通信模块、无线通信模块、主控制器、SIM卡模块、输出、输入、存储、外部接口组成，移动台中的近场通信模块通过单线通信协议与SIM卡之间进行通信。

　　SIM卡存放用户密钥，存放用户的各种近场通信应用。其中：

　　1、 近场通信模块：实现近场通信三种工作模式，传输应用数据至SIM卡或主控制器；

　　2、 无线通信模块：完成移动台的通信功能，提供数据传输信道；

　　3、 主控制器：控制移动台中的各种应用，控制近场通信模块工作模式的转换；

　　4、 SIM卡模块：对SIM卡进行管理；

　　5、 输出：对文字和视频进行显示，播放声音；

　　6、 输入：外部信息的输入；

　　7、 存储：存储移动台运行过程中的信息，存放用户文件；

　　8、 外部接口：终端与外设的交互通道；

　　9、 电源模块：提供电源；

　　10、 单线通信协议：连接移动台中的近场通信芯片与SIM卡，通过此协议可以实现SIM卡中的非接触式应用； SIM卡需要提供一个管脚支持。

　　SWP接口与手机终端兼容性的联合调试

　　1） 技术风险：由于SWP通信协议同样正处于协议的修改和完善阶段，国际NFC标准化组织目前所发布的适合非接移动支付芯片通信接口SWP7.6版本刚刚发布，因此在SIM卡与手机终端联合调试过程中存在一定的设计风险，由于目前提供CLF主控芯片的厂商只有Inside一家，存在SIM卡与手机之间通信上的兼容性问题以及更多的设计上不确定因素。

　　2） 规避风险对策：目前上海华虹研究并熟悉SWP通信协议，同时在FPGA DEMO2.0上进行协议功能以及兼容性方面的验证已经通过，上海华虹已经同中兴手机事业部联合验证开展NFC手机与非接移动支付芯片之间通信的功能及兼容性测试合作。同时已经在SWP的协议分析仪TC3上测试SWP模块设计的兼容性。

　　系统中断的快速响应与处理

　　1） 技术风险：芯片内中断系统设计直接影响系统的性能，对于非接移动支付芯片来说中断的优先级排队、中断的响应时间、及中断的处理速度，直接影响RTOS的运行速度及多任务的处理性能。从目前的非接移动支付产品定义来看至少包含两个通信接口，ISO7816/SWP两个接口同时并行工作，并且CPU对两个接口协议栈的处理采取中断优先级加时间片的管理方式，如果系统中断设计得不合理，直接的风险便是系统无法满足非接移动支付芯片的应用需求。

　　2） 规避风险对策：上海华虹设计32位设计平台采用高性能中断控制器，同时在系统设计之处，采用了高性能体系结构设计方案，并经过详细的系统性能方面的静态计算与分析研究。确保中断优先级定义满足非接移动支付芯片的实际应用需求。