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5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 目录 序言 1 一、燃气行业发展现状&趋势 2 1.1 智慧燃气发展现状 2 1.1.1 智慧燃气发展情况 2 1.1.2 相关政策 3 1.2 智慧燃气发展趋势 4 1.2.1 行业趋势 4 1.2.2 技术发展趋势 5 二、智慧燃气行业痛点 8 2.1 供销差管理形势严峻 8 2.2 传统智能抄表技术成功率低 8 2.3 设备管理、故障定位难 8 2.4 供气和用气安全管理难度大 8 2.5 数据安全保障亟需加强 9 三、5G通信技术特点 10 3.1 5G的关键能力 10 3.2 5G技术给智慧燃气感知层建设提供的新能力 11 3.2.1 5G QoS流技术 11 3.2.2 5G切片技术 13 3.2.3 5G MEC技术 14 3.3 5G与 NB-IoT的技术协同 16 四、5G智慧燃气解决方案 17 4.1 解决方案概述 17 D irectory 目录5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 目录 4.1.1 感知层 17 4.1.2 网络层 17 4.1.3 物联网开放平台 18 4.1.4 智慧燃气创新应用 20 4.1.5 安全方案 22 4.2 解决方案优势与价值 24 4.2.1 可靠、稳定的智能抄表方案为企业降本增效 24 4.2.2 为燃气管网安全运行保驾护航 24 4.2.3 物联网与大数据结合帮助企业实现精细化运营 25 4.2.4 互联网+提升客户服务水平 25 4.3 5G智慧燃气解决方案实践 25 4.3.1 案例 1：天津津燃华润项目 25 4.3.2 案例 2：昆仑燃气智能抄表项目 26 五、NB-IoT 智慧燃气表技术建议 28 5.1 NB-IoT智慧燃气表行业标准规范 28 5.2 产品开发建议 29 5.2.1 燃气表灵敏度和干扰设计 29 5.2.2 功耗设计：RAI 机制 30 5.2.3 功耗设计：PSM 模式 31 5.2.4 离散与重传机制 32 5.2.5 安全模式配置 33 5.3 NB-IoT R14 新技术特性 34 5.3.1 增强速率、丰富业务模型 34 5.3.2 多载波增强、接入容量增倍 35 5.3.3 移动性增强、提高移动业务成功率 36 5.3.4 功率等级优化、匹配终端和小区资源 36 5.3.5 定位增强、满足终端定位需求 36 六、智慧燃气创新服务展望 37 6.1 从智慧燃气向智慧家庭、智慧社区及智慧城市延伸 37 6.2 AIoT使能智慧燃气运营 375G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 序言 1 随着 5G正式商用，5G技术凭借其高速率、大带宽、低时延、大连接的技术特性，为新 型智慧城市的发展带来了更优的技术解决方案以及更加丰富的应用场景， 5G 必将成为智慧 城市建设的基础与重要保障。NB-IoT技术标准持续演进，将在未来成为 5G mMTC的关键技 术，并与 5G的新能力协同进一步推动智慧城市物联网应用的规模发展。 在网络部署方面，2017年中国电信基于 800MHz 频段率先建成了全球最大的 NB-IoT商 用网络，目前有超过 40万基站上线运行。同时，中国电信、华为公司联合行业客户、合作伙 伴率先在智慧城市公共服务领域的物联网应用方面展开实践合作，为客户提供基于 NB-IoT 技术的智慧燃气物联网端到端解决方案，在全国打造了新奥燃气、昆仑燃气、广州燃气、北 京燃气、天津燃气等多个 NB-IoT 智能燃气表标杆项目并推动行业规模发展，用户规模已突 破千万。 基于中国电信在全国开展的多个 NB-IoT 智慧燃气落地项目的实践积累以及中国电信物 联网开放实验室的验证测试成果，中国电信、华为公司、天翼物联产业联盟智慧燃气产业推 进组联合新奥燃气、昆仑燃气、港华燃气、中国燃气、津燃华润燃气、广州燃气、北京燃气、 金卡智能、先锋电子、威星智能、新天科技、深圳欧圣达等单位共同编写了5G智慧燃气白 皮书（2019版） ，全面分析了智慧燃气建设现状和发展趋势、智慧燃气建设过程中燃气企业 普遍存在的痛点，同时分析了 5G可以为智慧燃气带来的新能力，提出 5G智慧燃气解决方案 的主要内容， 并对智慧燃气的创新服务进行了展望。 最后在 NB-IoT智慧燃气表白皮书 （2018 版） 提出的 NB-IoT智能燃气表开发建议基础上，结合天翼物联产业联盟智慧燃气产业推进 组参与的燃气行业标准规范以及最新的项目积累，从端、管、云协同的角度进一步细化了 NB-IoT智能燃气表开发的技术建议。 随着物联网技术的持续演进，万物互联时代已经到来，物联网技术与燃气业务紧密结合， 通过将燃气管网、抄表等数据与其他业务数据整合分析，提升燃气运营企业的运营管理效率 与客户服务水平，燃气管网运行的全面智能化已成为发展趋势。 p reface 序言5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 燃气行业发展现状&趋势 2 一、燃气行业发展现状&趋势 1.1 智慧燃气发展现状 1.1.1 智慧燃气发展情况 随着我国城镇化进程的加快，城市人口突增带来的交通拥堵、环境污染、城市安全等城 市问题与人民日益增加的对便捷安全、 生态宜居的智慧城市生活需求之间的矛盾越来越突出。 通过新型智慧城市的建设解决城市发展难题、提高居民幸福指数，实现城市可持续发展，已 成为当今世界城市发展不可逆转的历史潮流，新型智慧城市建设已经成为国家战略，从国家 层面出台了一系列智慧城市建设相关规划、 评价标准体系等政策来指导新型智慧城市的建设。 在我国新型智慧城市加速建设的大背景下，智慧燃气作为智慧城市的重要组成部分，是 体现城市管理水平的重要标志之一，是促进燃气行业技术进步和数字化转型，实现运营与服 务精细化、智慧化的重要支撑和保障。随着物联网、云计算、大数据等新技术的不断涌现， 燃气企业纷纷借力新技术推动企业持续发展，通过信息化来提升企业工作效率并优化业务运 作模式，为客户提供更高质量的服务。中大型燃气公司基本建立了主要的业务系统，包括管 网 SCADA、燃气管网 GIS、生产设备管理、呼叫中心、移动安检、移动维修、人力资源、工 程项目管理、营收系统、客户服务等信息化子系统。但各信息化系统在不同时期建设，相对 独立，数据不能共享，更无法实现数据分析、综合管理、应急调度，因此国内很多燃气公司 也在考虑如何建立统一的管理平台，解决燃气企业信息化建设中普遍存在的信息孤岛、数据 “沉睡”的问题，使异构系统在统一平台基础上实现数据共享与挖掘，帮助企业实现统一的 调度管理与业务创新。中小型燃气公司在信息化的投入相对薄弱，在构建核心业务系统的同 时，也正在探索采用 SaaS服务模式快速构建业务应用系统。 智能燃气抄表业务作为智慧燃气应用的基础业务，近两年在国家政策以及 NB-IoT 等物 联网新技术的推动下，正成为智慧燃气建设领域应用规模增速最快的业务。NB-IoT技术很好 地契合了抄表业务低频次、低功耗、深覆盖的场景要求， 2017 年中国电信基于 800MHz 频 段率先建成了全球最大的 NB-IoT商用网络，目前有超过 40 万基站上线运行。同时，中国电 信、华为公司联合行业客户、合作伙伴率先在智慧城市公共服务领域的物联网应用方面展开 实践合作，为客户提供基于 NB-IoT 技术的智慧燃气物联网端到端解决方案，用户规模已突 破千万。同时，在行业生态方面，中国电信成立的天翼物联产业联盟智慧燃气行业推进组， 通过组织多种研讨会，对项目运营过程中存在的共性问题开展技术研讨、案例分享，与燃气 行业产业链的参与方共同发布了基于窄带物联网（NB-IoT）技术的燃气智能抄表系统行 业标准，规范 NB-IoT 抄表系统的架构、智能燃气表的关键功能以及性能指标，指导 NB-IoT 智慧燃气抄表的开发、部署；产业链成员自发组织相关垂直应用方向的会议，探索抄表技术5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 燃气行业发展现状&趋势 3 结合云计算、边缘计算、人工智能等信息技术所孵化的创新应用和商业模式。随着 5G 技术 的成熟、5G基站的全面覆盖，未来智能抄表规模将迈入亿级大关，智慧燃气项目将酝酿出更 多大规模的应用。 1.1.2 相关政策 1.1.2.1 节能环保推动能源结构转型 2018年 8月,中国天然气发展报告(2018)发布，指出天然气在一次能源消费结构中占 比 7.3，同比提高 0.9个百分点，预计 2020年、2030年、2050 年天然气在一次能源消费结 构中的占比将分别提升到近 10、14和 15左右，预计 2020 年天然气占中国一次能源消 费比重需达到 10%以上，2030年达到 15%左右，这将给燃气行业带来巨大的增长空间。 2017年 12月，10部委共同发布北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021 年） ，统筹规 划了清洁能源的供需策略和市场机制，规划中还专门配套了详细的实施办法北方地区冬季 清洁取暖“煤改气”气源保障总体方案 。方案表明，截止 2016 年底，北方天然气取暖面积 占总取暖面积的 11%，天然气取暖率普遍较低。方案提出以“2+26”重点城市为抓手，统筹 多种供气方式，完善管道基础设施，保障气源，力争 5 年内有条件地区基本实现天然气取暖 替代散烧煤。 2014 年 4 月， 关于建立保障天然气稳定供应长效机制的若干意见制定了多种保障措 施， 形成了天然气稳定长效供应的机制， 争取 2020年天然气供应量达到 4200亿立方米。 2016 年 12 月， 天然气发展十三五规划从供应目标、基础设施、监管体系、市场利用等多角度 推动天然气健康发展，计划到 2020 年，天然气的产量年均增长 8.9%，管道建设年均增长 10.2%。 2013年 9月， 为协调工业化城镇化社会需求和环境保护之间的统筹发展， 国务院发布 大 气污染防治行动计划 ，计划提出调整能源结构，降低煤炭的消费比重，增加天然气供应量。 1.1.2.2 精确计量推动表计智能化 2019 年 12 月 1 日开始实施的国家标准 GB/T 6968-2019膜式燃气表规定，新版膜式 燃气表国家标准参考欧盟标准 EN1359 的版本，并以 OIML R31 及 R137:2012 为蓝本，充分 考虑了数字化、智能化燃气表技术的发展趋势，保证标准的技术指标和试验方法与国际同步， 将在促进我国燃气表产业的转型升级、质量提升等方面发挥积极作用，有利于减少国际贸易 壁垒和贸易摩擦。同时，新版膜式燃气表国家标准体现了燃气阶梯计费、互联网+、循环经济 及绿色发展等国家政策，更加贴合我国燃气表产业的实际发展水平。 2017年 6月，国家发改委公布关于理顺居民用气门站价格的通知，居民、非居民用气价5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 燃气行业发展现状&趋势 4 格机制和基准价格水平将统一，由此完善天然气价格机制，这将使得天然气价格不断变动， 促使表计后台计费与结算，提高了 IoT（Internet of things，物联网）平台的重要性。 2017 年，国家发改委在关于加强配气价格监管的指导意见中规定：供销差率（含损 耗）原则上不超过 5%，三年内降低至不超过 4%。供销差直接影响燃气企业的经济效益，智 能表计的应用使得数据公开化透明化，更利于区域供销差管理和气源调配。 2014年 3 月，为解决天然气供不应求、居民用气低价的问题，国家发改委发布关于建 立健全居民生活用气阶梯价格制度的指导意见 ，意见中明确了 3档计价方式，这将促使传统 燃气表的计量方式进行智能变革。 1.1.2.3 政策指引、行业标准引领智能燃气表技术发展路线 2019年 5月 8日，工信部、国资委联合发文关于开展深入推进宽带网络提速降费，支 撑经济高质量发展 2019 专项行动的通知中指出：推动移动物联网应用蓬勃发展。面向物流 等移动物联网应用需求，进一步升级 NB-IoT（窄带物联网）网络能力，持续完善 NB-IoT 网 络覆盖； 建立移动物联网发展监测体系， 促进各地 NB-IoT技术应用和产业发展， 组织 NB-IoT 优秀应用案例征集活动，推广典型应用。 2019年 4月 1日，由深圳燃气、中国电信、华为、金卡四方作为主要起草单位编制的基 于窄带物联网（NB-IoT）技术的智能燃气抄表系统获得中国城市燃气协会的批准发布，该 标准将于 2019年 5月 1日起实施。 2018 年 5 月 17 日，工信部、国资委联合发文关于深入推进网络提速降费加快培育经 济发展新动能 2018专项行动的实施意见中指出：要求加快完善 NB-IoT等物联网基础设施 建设，实现全国普遍覆盖。进一步推动模组标准化、接口标准化、公众服务平台等共性关键 技术研究。 2017 年 12 月工信部无线管理局公布微功率短距离无线电发射设备技术要求(征求意见 稿)，对民用计量表使用 470510MHz 频段范围做出了更严格的限制，这对包括智能燃气 表在内的物联网设备技术的发展有很好的指导作用。 1.2 智慧燃气发展趋势 1.2.1 行业趋势 1.2.1.1 大数据分析助力燃气企业智慧化运营 打破组织边界、打通信息孤岛，将燃气管网、抄表等数据与其他业务系统信息、子公司 系统数据进行融合分析，引用大数据、云计算等“互联网+”技术，建立数据决策分析系统5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 燃气行业发展现状&趋势 5 系统根据分析结果可以动态调整人力、物力、财力之间的配置，实现用气移峰填谷、智能维 护运营，方便燃气行业决策层从漏损率控制、产销差管理、安全性预防等方面对整个企业的 运行进行动态调控。 另外，燃气系统可以与其他能源互联网进行互联互通，通过展示海量最前沿的能源状态、 经济指标，决策层可以随时掌握宏观生产状况、经济趋势及市场波动之间的关联因素，为气 源调度、费用投入、业务人员指标的制定提供决策依据。此外，智慧燃气与城市运营中心对 接，实现其他城市产业与能源系统之间的联动运行，从而创造一个更舒适、高效、安全的城 市空间。 1.2.1.2 互联网+燃气创新服务 2019年 8月 1日，国务院发布了全国深化“放管服”改革优化营商环境电视电话会议 重点任务分工方案 ，对燃气等公用事业行业提出了新的要求：一是要从方便市场主体和人民 群众出发，提高服务质量和效率，大幅压减办理业务时间，大力推行 APP 办事、移动支付等； 二是 2019 年底将燃气报装时间压缩至 16 个工作日以内，大幅压缩报装、安装费用。“放管 服”的进一步深化要求燃气行业实现“百姓少跑路，数据多跑路”，实现基于“互联网+燃 气”下的业务办理效率提升，实现燃气公司盈利降低的大环境下的服务增收。 物联网、移动互联网、大数据的应用为能源企业的管理与服务提出了更高的要求，部分 城市燃气企业已经开展互联网+燃气创新服务实践，积极利用企业微信、支付宝、企业 APP 等新渠道，挖掘海量用户资源，开展燃气保险、燃气灶具增值销售，为新经济下的燃气企业 注入了新的活力。 1.2.2 技术发展趋势 对当前智慧燃气感知层建设过程中使用规模最大的两个物联网技术 NB-IoT 和 2G （GPRS）进行对比测试后发现，在燃气抄表应用普遍关注的功耗、覆盖、容量等方面， NB-IoT 表现均优于 GPRS。在 4G广泛覆盖、5G牌照发放的背景下，2G退网已成为移动通信网络技 术发展的一个必然的历程，已有的 2G网络设备故障率高、耗能大、运维成本高，全球有 100 多个运营企业、通信运营商实施了 2G、3G 退网。未来 2G 退网已成业界共识，在智慧燃气 感知层建设进程中 NB-IoT技术将逐步替代 2G。 在智慧燃气项目实施过程中，很多应用场景基于业务特征需要对终端进行定位，现场环 境的恶劣对物联网技术提出了更高的要求。在这种背景下，NB-IoT标准持续演进，衍生出更 多更优的技术特征，丰富不同的应用场景。相较于 NB-IoT 已商用的 R13 版本，即将现网部 署的 R14 版本支持扩展的 TBS、 使用双 HARQ 调度传输数据、 支持非锚载波上进行随机接入5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 燃气行业发展现状&趋势 6 提高了终端峰值速率，降低终端功耗；此外，R14 支持终端移动过程中不丢失数据、支持多 种方法对物联网终端进行定位等新特性，满足更多智慧燃气项目的诉求。 NB-IoT是 5G的先行者，5G作为第 5 代蜂窝网络，相比 4G在峰值速率、网络容量、连 接密度等网络性能方面有 10100 倍的增强，其大宽带、低时延、大连接的特性，将在智慧城 市领域掀起一波新的物联网应用浪潮。5G 系统的设计非常灵活，通过切片技术实现 mMTC （低功耗大连接）、URLLC（低时延高可靠性）、eMBB（增强型移动带宽）三大场景的应用。 燃气公司可以利用 5G 网络搭建全方位、立体化的智慧燃气应用，特别是管网巡视、高清视 频实时监控、VR 无人机安防等，从而提升城市管理和服务水平。 NB-IoT支持每平方公里 100万连接的密度，满足 ITU 5G关于 mMTC 网络技术的要求， 业界当前已经认可 5G mMTC的 LPWA标准将基于 NB-IoT平滑演进。5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 燃气行业发展现状&趋势 7 当前 NB-IoT 在 R15 版本能够支持 NB-IoT 和 NR 空口共存，R16 版本支持 NB-IoT 接入 5G核心网。根据 3GPP自评估和中国独立评估结果，NB-IoT满足 ITU mMTC的要求，并已 经通过 5G候选提交，预计 2020年 7月将正式成为 ITU 5G标准。5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 智慧燃气行业痛点 8 二、智慧燃气行业痛点 近年来城市燃气取得了巨大的发展，但由于城市燃气行业面临城市安全、百姓服务满意、 企业自身盈利、区域能源供需平衡等多方挑战，燃气企业运营一直存在诸多管理难题。 2.1 供销差管理形势严峻 对于公用事业企业，管网供销差、输配漏损是企业效益的一大天敌，管网的物理漏损、 表具的计量误差，以及由于不能及时有效监控用户偷盗气行为带来的输差损失，导致燃气企 业损失巨大。 国家发改委在关于加强配气价格监管的指导意见中规定：供销差（含损耗）原则上 不超过 5%，三年内降低至不超过 4%。传统的粗犷式管理使燃气供销差和企业运维成本居高 不下，在不断提高计量技术的同时，通过基于云大物移智等技术进行信息化建设，实现精准 计量、用气分析、区域用气合理调度等精细化管控成为燃气运营企业的必然选择。 2.2 传统智能抄表技术成功率低 燃气公司通过管网天然气输送给用户，燃气表作为计量和结算的器具，能否及时准确地 上传数据，在很大程度上影响了燃气公司的营收利润。燃气公司在抄表业务上处于人工抄表、 半智能 IC卡表、短距离无线燃气表技术、无线远传技术共存的状态，短距离无线燃气表技术 及无线远传技术很好地降低了人工抄表的人力成本；但是目前的很多抄表技术仍存在信号覆 盖不够、功耗高、运行维护成本高等问题，上传的数据经常丢失，导致抄表成功率低，这给 燃气企业计收以及客户服务带来了很多问题。 2.3 设备管理、故障定位难 燃气公司感知设备种类繁多，包含居民户用燃气表、工商业燃气表/流量计、管网压力计 等设备，并且同一类型设备由不同厂家提供，导致其品牌、型号、协议等特征均不同。如何 在一个界面上统一管理这些孤立的设备，将给燃气公司带来很大的开发成本。 此外，终端硬件射频不达标、网络信号差、终端集中触发冲击、业务流程操作不合规等 事件都会导致业务失败，如果不能为客户呈现一个可查询、可管理的故障定位界面，将阻碍 智慧燃气进程的规模发展。 2.4 供气和用气安全管理难度大 安全是燃气行业最为关注的问题之一，管网腐蚀、漏气、压力过大、温度过高及用户的 不安全用气等行为，极易导致燃气泄漏甚至爆炸；如何预防和消除这种危险，需通过实时远5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 智慧燃气行业痛点 9 程监控及时发现与解决安全关联隐患具有很大的挑战。因此，燃气企业急需技术手段加强压 力实时监测、管网温度和用户用气行为的监控，实时对终端异常情况发出报警，或进行远程 管阀控制。 2.5 数据安全保障亟需加强 2017 年 6 月国家发布网络安全法 ，要求对水、电、气、热等涉及国家民生行业进行 重点安全保护，防止数据泄露和网络设备破坏。由于燃气行业的特殊性，涉及到地理信息、 管网分布信息、人口信息、国有资产信息等多种敏感数据源，因此对涉及数据采集、数据分 析、数据转化和业务数据在内的智慧燃气平台系统的安全和隐私保护力度显得尤为重要。如 何保障信息安全，成为智慧燃气长效发展的关键问题。此外，燃气表的计量数据作为企业的 收费依据，不能被篡改甚至丢失，因此数据安全性更是燃气抄表技术中需要重点考虑的因素 之一。目前，许多燃气企业是通过小无线等技术进行智能燃气表数据的传输。由于利用的是 非授权频谱建立的自组网，其抗干扰性、数据管理技术水平良莠不齐，数据传输不稳定，安 全和可靠性令人担忧。5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 5G 通信技术 特点 10 三、5G通信技术特点 3.1 5G的关键能力 5G技术通过超大规模多天线以及新型的干扰抑制等技术，实现了计算能力的移动化覆盖 和万物互联。下图是各代移动通信的突破点对比及5G技术的扩散和业务的创新点： 突破点 1G 2G 3G 4G 5G 计算扩散 固定电话移动化 流量 互联网移动化 移动宽带 算力的移动化 核心价值 语音时代 移动互联网时代 万物互联时代 业务创新 移动语音 彩铃、手机报 应用商店、移动支付 抖音、短视频 AR/VR、智慧燃气、 工业物联网 5G定义了8项重要的业务性能指标，下图是4G和5G业务指标的对比。 指标名称 流量密度 Mbps/m 2 连接数密度 万/km 2 空口 时延 移动性 km/h 用户体验 速率 小区峰值 速率 频谱 效率 能效 4G指标 0.1 10 10ms 350 10Mbps 100Mbps 1倍 1倍 5G指标 10 100 1ms 500 0.1-1Gbps 1Gbps 3倍 100倍 为实现上述5G指标， 5G引入了小基站和超密组网、 大规模天线、 新干扰抑制和新型滤波、 波束赋形等技术。 高流量密度实现技术-微基站和超密组网： 5G根据功率大小使用4种基站（宏站、微基站、 皮基站、飞基站），在热点和室内一般使用微基站和皮基站来实现高流量密度。 高连接数密度实现技术-新型多址技术：上下行都采用CP-OFDM波形，简化接收机设计， 同时对峰均比要求严格的物联网上行场景，可以使用单载波DFT-s-OFDM波形。 空口时延实现技术-设计OFDM可选集：可配置不同的OFDM子载波间隔，并支持自包含 帧和快速重传HarQ确认。 高移动性实现技术-扩展DMRS导频：在前置解调导频DMRS的基础上，使用附加解调导 频，满足对信道时变性的估计精度，同时将多个物理小区TRP合并为一个逻辑小区，减少切 换次数。 更高用户体验速率实现技术-新帧结构及调制：终端通过使用2T4R天线，载波聚合，最高 QAM256调制等，能实现100Mbps的高速率。 更高小区峰值速率实现技术-mMIMO：基站配置大规模MIMO，包括最高64TxRU射频、 192天线阵列，获得多流空间复用，极大地提高小区峰值吞吐量。 频谱效率-更多物理资源PRB块：单载波100M频谱，支持273块PRB，频谱效率达到93%。 能效实现技术-增加睡眠状态：RRC新增睡眠状态，在小区内用户较少活跃时，基站可以5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 5G 通信技术 特点 11 处于深度睡眠。采用较长的同步信号周期，支持6种周期。 其中，5G采用了超大规模天线阵列，该项技术通过波束赋形提升了覆盖能力，下图是5G 超大规模天线的波束赋形能力在城市楼宇中的覆盖示例。 波束赋形技术通过调节各天线的相位和权值，将相同的发射功率集中到很窄的方向和区 域，从而提高了信号的功率谱密度，提高了终端的接收功率。 总之，5G作为一项新的通用技术，将成为物联网、云计算、人工智能等新一轮技术的桥 接点，加快技术扩散，实现算力移动化覆盖，从而推动业务和业态的创新。 3.2 5G技术给智慧燃气感知层建设提供的新能力 5G系统的设计非常灵活，从而支持高带宽、实时性强、多接入多种类型的业务。因此5G 系统可以为NB-IoT系统提供新的能力，实现对实时性强、数据量大等特征物联网业务的支持。 新的切片能力：5G对时延不敏感的普通抄表业务、对时延敏感的报警业务、对采集频率 高数据量大的大数据分析业务分别使用mMTC、URLLC、eMBB切片，在不同的逻辑子网中 传输和处理，其中mMTC可以用NB-IoT系统实现。 新的QoS流能力：NB-IoT采用竞争接入机制，QoS保障和覆盖增加主要靠重传实现。5G 设计时新增加了QoS流处理层SDAP，通过覆盖增强，在共享信道中燃气泄漏报警等报警业务 会得到优先处理。开启5G预调度功能后，处理时间更短，在一些弱覆盖的边缘区域仍采用 NB-IoT接入。 更强的边缘处理能力：NB-IoT终端的低成本特性，适合数据上报，而5G通过边缘计算， 在数据上报的基础上，可以加快本地信息的处理，从而扩展支持管道阀控、室内定位能力等 业务。 3.2.1 5G QoS 流技术 1、技术优势5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 5G 通信技术 特点 12 QoS流技术是一种差异化技术，5G通过滤波器将不同业务映射到非接入NAS层，形成不 同的QoS流。 智慧燃气不同业务的网络服务要求差异很大， 5G相对4G最大的技术差异之一就是以灵活 的网络设计、新的QoS流机制，在共享信道中能支持多样化的业务，下表是5G QoS流与4G比 较的技术优势。 4G 5G 实现方式 一个业务直接对应一个承载(即道路) 一个业务对应一个QoS流， 多个Qo流再对应一个承载； 高灵活度 以承载为QoS控制粒度，同一条承载 上的业务都是相同的QoS保障 以QoS流为控制粒度，一个会话中的多个QoS流对应一条 承载，可以使得每条承载上的不同业务可以有不同QoS 保障； 信令减少 每个承载使用独立的S1-U隧道 同一个会话中的所有QoS流都在N3隧道中传输，通过不 同的QoS流标识(QFI)区分，可以减少信令交互 从上表可以看出， 5G QoS流采用了新的调度机制，对QoS参数进行了增加。通过5QI值对 一组QoS特性进行索引，用于接入节点控制QoS的转化处理，包括调度权重、准入门限、队列 管理、链路层协议配置等，5G对5QI进行了扩展，支持动态5QI。核心网会话管理功能SMF依 据不同的业务需求，分别向终端、基站、核心网转发功能下发QoS规则、配置等参数，实现 对QoS流的控制。 2、智慧燃气的QoS流实现示例 在 5G中，基于无线空口进行无线侧参数优化以提升客户感知。5G可以为每个终端建立 一个或多个会话，在会话建立后，5G 基站可以灵活地控制物联网业务对应的 QoS 流到承载 的映射，也可以控制承载建立的时机，并减少交互信令。 实现智慧燃气QoS技术示例如下： 5G QI值 70 82 典型业务 燃气抄表 报警、阀控 缺省优先级 55 19 服务要求 不保证速率 时延短 包最大允许延迟 200ms 10ms 最大允许误包率 10 -6 10 -4 最大数据突发量 - 255bytes 上表是对不同的业务需求，进行标准5QI与QoS特性的映射，其中，最大数据突发量只应 用于报警、阀控等场景。最大允许误包率是RLC层已发但未被接收端成功接收的会话比例5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 5G 通信技术 特点 13 包最大允许延迟是终端和N6接口之间数据包传输的时延上限。 5G QoS流可以单独提供业务服务，也可作为5G网络切片中传输层的服务内容，可以和切 片一起使用，实现提供更加精细和灵活的差异化服务，应对智慧燃气的多元化场景。 3.2.2 5G切片技术 1、5G切片技术优势 相对基于共享信道的QoS流技术，5G切片更像是一个独立的子网，可以同时具备QoS流、 定制化计算资源、安全隔离的优势 切片是一种定制化技术，5G切片技术利用虚拟化技术，将5G物理网络、带宽、计算和存 储资源进行逻辑组合，形成端到端的逻辑子网，提供给业务定制化通信服务，与QoS流技术 在共享传输信道做优先保障不同，切片增加了计算力定制，不同切片的信道也进行了隔离。 下图是5G切片与QoS流、VPN虚拟专网技术的优势对比。 VPN虚拟专网 QoS流 5G切片 内涵 使用隧道技术隔离流量；在共享 的网络上创建隔离的专有网络； 可定不同优先级；将不同业务 类型如抄表流量和燃气泄露报 警流量区分开； 不仅仅网络隔离，还有计算和 存储隔离； 定制网络架构和协议； 保障切片的带宽、服务器、网 络缓存、 QoS，切片之间的故障 不会互相影响； 缺点 不能做定制； 各种流量共享网络技术和协议 栈，竞争带宽资源； 不能做流量隔离； 不能区分不同用户的相同类型 业务； 5G切片是SA独立组网的特性，是5G面向垂直行业的重要特性。切片包括资源层、切片 实例层、服务实例层，一组网络功能和支持这些网络功能的资源，满足服务实例所需的网络 特性，形成一个完整实例化逻辑网络，网络切片实例可以在逻辑上完全与另一切片实例隔离。 2、智慧燃气的切片实现示例 基于切片技术，5G网络能有效支持智慧燃气丰富的业务场景，能为用户提供基于业务需 求的定制化服务，形成多张逻辑子网。 智慧燃气既有对覆盖要求高的抄表业务，也有对燃气泄露实时报警的场景，同时也有紧 急救援室内定位的场景，因此在切片的实现中，需要编制切片类型，下面是智慧燃气的切片 举例。 切片业务举例 时延 带宽 接入量 隔离 按客户 X厂区切片 按业务 抄表类切片 阀控切片 应急救援切片5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 5G 通信技术 特点 14 对一个具体的切片实现，需要在核心网层、传输层、无线空口都要配置，下图是基于5G 核心网和传输网的切片配置，重点对无线侧智慧燃气进行5G切片的实现示例。 在燃气泄露切片实现示例中，既可以保障燃气泄露/报警的高优先级，也可以对燃气泄露 /报警和其它流量进行隔离，同时根据燃气泄露/报警的需求进行了实时性的网络协议定制，从 而多方位保障业务的高可靠性。 3.2.3 5G MEC技术 1、5G MEC技术的优势 5G MEC技术即边缘计算技术，是客户云平台下沉到无线接入网的边缘，提供额外的计算 和存储能力，实现低时延和高带宽的功能，可部署在单个基站后的机房（如商场）或者多个 基站的汇聚点后的机房 （如园区） ， 与远端云的复杂计算协同， 避免流量或路由迂回。 5G MEC 可以提供本地分流功能（如监控加速）、数据服务功能（如室内定位）、业务优化（如实时 响应），下表是MEC技术优势分析。 远端云平台 MEC边缘云 部署点 部署在互联网上 部署在基站后，低时延 控制流 单一的PDU会话 边缘云和远端云分别具有独立的PDU会话，更安全 业务流 全部通过移动核心网UPF网元 本地流量被分流到边缘云，避免路由迂回 IP地址 互联网地址 由下沉的UPF2分配本地IP，同时由核心网的UPF1分配互联网 IP，更灵活 MEC部署可以有多种选项，第一种是部署在基站或基站汇聚节点后，更方便接收、解析5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 5G 通信技术 特点 15 N2/N3接口的信令来获取无线空口的信息。第二种是部署在核心网边缘，但是距离终端较远， 时延较大，占用核心网资源，优点是不需要太大改变核心网架构。 5G MEC边缘云直接部署在基站方案见下图： 这种方式比较适合密集部署燃气设备区域，由于边缘云部署距离燃气设备比较近，不 但能优化业务体验，也可以减少核心网的负载。 2、智慧燃气的MEC技术实现示例 下图是基于5G MEC技术的燃气泄露报警、室内定位的实现示例，MEC部署在室内分布 系统侧，通过室内射频处理单元PRRU检测导频SRS信号，上报测量结果。 MEC服务器根据本 地地图和上报信息，确定报警燃气设备的坐标位置，同时MEC服务器提供开放接口，向第三 方服务平台共享报警燃气设备坐标， 进行救援。 基于5G MEC技术实现的室内定位示例如下图： 5G网络从空口技术、承载网技术到核心网的处理时延都得到提升，但对报警等更低时延 要求业务，基于MEC边缘云计算可以将远端云平台的业务应用，迁移到无线网络边缘部署， 可以有效降低网络端到端时延。 在燃气泄露报警后，救援人员需要定位具体的报警位置，也能通过MEC技术，采集本地 化精确信息，实现5G室内定位，加强报警燃气设备的定位和救援，这种技术适合高密度的燃 气设备部署区域。5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 5G 通信技术 特点 16 3.3 5G与 NB-IoT 的技术协同 由于5G使用高频调制波形，上行链路损耗远高于NB-IoT，考虑到业务互补和技术延续， 3GPP决定NB-IoT系统持续演进，未来可嵌入到5G NR系统。 5G与 NB-IoT 的技术趋势 可以预期，对智慧燃气覆盖受限的区域，将依然采用 NB-IoT 进行上行覆盖，完成上行 数据的上报，同时利用 5G 提供的其余新能力，支持更多场景中不同类型终端的接入，包括 燃气阀控、管道检测和监控、终端移动、大数据量的需求。5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 5G 智慧燃气 解决方案 17 四、5G智慧燃气解决方案 4.1 解决方案概述 5G智慧燃气解决方案是基于物联网、大数据存储和分析、云计算、移动互联网等先进技 术，结合燃气行业特征，通过智能设备全面感知企业生产、环境、状态等信息的全方位变化， 对海量感知数据进行传输、存储和处理，实现大数据时代下对数据的智能分析，以更加精细、 动态的方式管理燃气企业生产、经营、服务和管理的各个环节，从而达到“智慧”的状态。 4.1.1 感知层 燃气行业的感知终端包括民用燃气表、 工商业流量计、 管网 RTU、 DTU等多种类型设备， 随着物联网的发展，终端由原有的哑终端逐步向智能终端演进，通过增加各种传感器，通讯 模块使得终端可控、可管、可互通。终端设备通过集成通信模组，与基站连接来实现通讯能 力，智能终端通过基站将信息上传给平台。 4.1.2 网络层 网络是整个物联网应用的通讯基础，可靠、稳定、安全、可视的传输网络是核心诉求。 运营商的无线蜂窝网络扁平化的网络结构，节省了中间网络建设、运营维护成本，减少布线 工程，没有线路老化改造问题，数据传输可靠、安全，是智慧燃气业务构建过程中网络层技 术选型的优选方案。NB-IoT技术深覆盖、低功耗等技术特征很好地契合了智慧燃气感知层设 备建设过程的场景要求。中国电信在 2017 年基于 LTE800M 网络升级率先实现全国覆盖，也 是全球首个连续覆盖的 NB-IoT网络，800M 频段在信号穿透力和覆盖深度方面更有优势。中 国电信基于 800M 频段的 NB-IoT网络与其他接入方式相比，拥有如下优点：5G 智慧燃气 白皮书（2019 版 ） 5G 智慧燃气 解决方案 18 与 GPRS 相比，NB-IoT 技术拥有更低的功耗，更强的信号穿透力，保证终端在恶 劣安装环境下，仅需电池供电即可满足整个生命周期正常使用需求； 与其他的 LPWA 技术相比，NB-IoT 网络基于授权频谱组建网络，终端商无需自建 基站组网，其抗干扰能力、数据安全性、技术服务等方面均可得到可靠保障。 此外，中国电信持续精耕 NB-IoT网络，不断进行无线射频优化、参数优化、干扰优化， 网络的基础能力得到进一步提升，在覆盖范围和覆盖深度方面持续领先；在新技术应用方面， 通过 SFN 以及异频组网、多载波、参数优化，在降低了 NB-IoT 网络干扰的同时提升了业务 容量，更加匹配行业的业务诉求。 NB-IoT技术标准持续演进，衍生出更多更优的技术特征，丰富不同的业务场景。相较于 NB-IoT 已商用的 R13 版本，即将商用部署的 R14 版本支持扩展的 TBS 和在非锚载波上进行 随机接入、使用双 HARQ 调度传输数据，提高了 UE 峰值速率，进一