NB-IoT規(guī)劃案例分享

摘 ?要：在政策、產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈等推動下，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)正在快速發(fā)展。針對某運營商規(guī)劃建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)試點項目，在科學規(guī)劃基站站址的基礎(chǔ)上，以業(yè)務(wù)需求為導向，通過無線網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的模擬計算，預測規(guī)劃站點建成后的網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋情況，從而按需靈活部署建設(shè)蜂窩NB-IoT室外宏基站，實現(xiàn)NB-IoT室外連續(xù)覆蓋。文章對此進行了分析和討論。

關(guān)鍵詞：蜂窩物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;仿真

中圖分類號：TN929.5;TP391.44 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）15-0152-05

Abstract：Under the promotion of policies，industries and industrial chain，etc.，the cellular internet of things is developing rapidly. The author aims at an operator who plans to build an IoT pilot project，based on the scientific planning of the base station site，oriented by business needs，flexible deployment of cellular IoT NB-IoT outdoor macro base station on demand，through the simulation calculation of wireless network simulation software，the network signal coverage after the completion of the planning station is predicted，and the research method is studied，so as to flexibly deploy and construct the cellular NB-IoT outdoor macro base station，so as to realize the continuous outdoor coverage of NB-IoT. The author analyzes and discusses these things.

Keywords：cellular internet of things;NB-IoT;simulation

0 ?引 ?言

作者單位在全國范圍內(nèi)開展信息化領(lǐng)域的專業(yè)服務(wù)業(yè)務(wù)，在廣東設(shè)立了當?shù)氐姆种C構(gòu)，承接廣東某些地市（廣州、深圳等）的運營商業(yè)務(wù)，通常分為規(guī)劃、可研、咨詢、設(shè)計等類型。深圳某運營商近期準備在市區(qū)某一區(qū)域內(nèi)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)試點項目，應用場景為城中村的智慧消防業(yè)務(wù)。為此，作者展開以NB-IoT室外宏基站覆蓋為目標的研究。NB-IoT領(lǐng)域，前人已有一定的理論研究基礎(chǔ)，比如毛勇平、陳劍峰在市區(qū)內(nèi)針對NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)傳播模型的研究等。作者利用項目過程中獲取的實際場景的數(shù)據(jù)，結(jié)合前人的方法，調(diào)整屬于本項目的傳播模型，預期在目標區(qū)域NB-IoT能達到理想的覆蓋效果。文章能夠?qū)νㄐ判袠I(yè)內(nèi)參與規(guī)?；罱∟B-IoT網(wǎng)絡(luò)的讀者，具有一定的指導作用。

1 ?概述

2009年起，物聯(lián)網(wǎng)被列為國家七大新興產(chǎn)業(yè)之一。近年來，政府在規(guī)劃可研、頻率許可、碼號資源等方面，大力推動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。比如提出加速通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的升級、推進物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)施的規(guī)劃布局、推動低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的商業(yè)化部署等。預測未來2至5年，物聯(lián)網(wǎng)用戶將會呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通常分為NB-IoT（Narrow Band Internet ofThings，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）和eMTC（Enhanced Machine Type co-mmunication，增強型機器通信）兩種，NB-IoT是獨立制式的無線網(wǎng)絡(luò)，eMTC是LTE-FDD的一項功能。NB-IoT和eMTC技術(shù)能力各有優(yōu)勢，具有業(yè)務(wù)互補性。NB-IoT具有優(yōu)越的覆蓋能力，通常適用于用戶速率低、無語音、覆蓋要求高的場景;NB-IoT是3GPP技術(shù)，標準化程度高、互通性好、產(chǎn)業(yè)鏈完善;使用授權(quán)頻段，可提供電信級的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，授權(quán)頻段為800、900 MHz，峰值速率可達上行140 kbps/下行125 kbps。eMTC用戶速率和移動性占優(yōu)，可以支持更廣泛的終端類型，通常適用于有實時性要求和語音需求的場景。

目前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)仍處于發(fā)展的培育期，超半數(shù)的企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目僅有不到500個連接。隨著5G商用及成熟，3～5年后將會進入智能應用為主的階段。在此背景下，我們針對某運營商積極規(guī)劃建設(shè)NB-IoT試點網(wǎng)絡(luò)，探索NB-IoT業(yè)務(wù)的發(fā)展路徑。

2 ?業(yè)務(wù)需求分析

該運營商在拓展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)時所面臨的處境，可概括為“站址資源豐富，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)維護能力強;業(yè)務(wù)基礎(chǔ)薄弱，模式方向仍需探索”。

深圳全市流動人口眾多，在部分易燃易爆場所、商超市場等人員密集場所、高層建筑、“三小”場所、城中村、群租房等重點區(qū)域仍存在安全隱患。例如“三小”場所存在違規(guī)住人、消防通道堵塞、違規(guī)使用彩鋼板分隔等安全問題，防不勝防;部分企業(yè)用電安全管理及危險化學品生產(chǎn)、經(jīng)營、儲存和使用過程也存在安全風險;部分建筑工地及臨時工棚防火措施不足;部分區(qū)域供電線路存在安全隱患，電氣火災事故時有發(fā)生。該運營商規(guī)劃在重點區(qū)域推進智慧消防整體解決方案，實現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)城中村消防安全隱患全天候?qū)崟r監(jiān)管，提高消防安全管理工作效率，減少人力成本投入。

對于城市而言，消防安全是安全保障的基本組成部分之一，其智能化的程度影響整座城市的智慧化水平。如何用現(xiàn)代化手段讓消防獲得“智慧”，為社會提供安全、高效、便捷的智慧化消防服務(wù)，是目前智慧消防建設(shè)的重點。

智慧消防首先以通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，運用云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，提供給人們舒適、便捷、安全的智慧化生活環(huán)境。在智慧消防整體系統(tǒng)中，運用視頻監(jiān)控系統(tǒng)延伸搭建為物聯(lián)網(wǎng)平臺，結(jié)合消防設(shè)備傳感器終端，可連接消防基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、云平臺、顯示終端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺，為現(xiàn)代化的消防工作管理、智慧化的大數(shù)據(jù)應用提供基礎(chǔ)設(shè)施解決方案。智慧消防業(yè)務(wù)流程如圖1所示;智慧消防業(yè)務(wù)需求如表1所示。

3 ?網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標和原則

為滿足深圳業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢，確定不同場景下的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標，如覆蓋目標：廣覆蓋業(yè)務(wù)的有效覆蓋率達95%、深度覆蓋業(yè)務(wù)的有效覆蓋率達98%，如表2所示。

建設(shè)的原則如下：

（1）以業(yè)務(wù)需求為導向，按需靈活部署，分場景實現(xiàn)不同層次的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。通過連續(xù)覆蓋、局部深度覆蓋、連續(xù)覆蓋+局部深度覆蓋等不同的方式，形成不同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。

（2）重視網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及布局合理性，考慮各種場景下無線傳播特性的差異，利用仿真手段驗證方案的合理性。

（3）NB-IoT基站在城市區(qū)域應距鐵路沿線1 km以上，郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)距鐵路沿線3 km以上。

（4）合理選擇基站站址，合理設(shè)置天線的方位角、下傾角和掛高等。

（5）合理調(diào)整切換區(qū)域，合理進行導頻規(guī)劃。

物聯(lián)網(wǎng)應用的業(yè)務(wù)平臺建設(shè)思路如下：

（1）統(tǒng)一管理。對煙霧傳感器、電氣火災傳感器等各類傳感設(shè)備的數(shù)量，以及網(wǎng)絡(luò)運行狀況、部署記錄、預警記錄等功能統(tǒng)一管理，清晰明白。

（2）實時監(jiān)控。各類傳感設(shè)備全天候不間斷聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，物聯(lián)網(wǎng)云端平臺對設(shè)備聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、預警數(shù)據(jù)等一系列指標進行實時監(jiān)控，確保預警的及時高效。

（3）設(shè)備定位。結(jié)合地理信息系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)可視化展示，做到能夠區(qū)分室內(nèi)、室外的精準安全隱患定位，實現(xiàn)對設(shè)備位置與狀態(tài)的有效監(jiān)控。

（4）視頻聯(lián)動。當平臺接收到火災報警信息后，相關(guān)責任人員可以在第一時間查看報警點的視頻信息，迅速掌握火災地點的真實情況。

（5）APP攝像機管理。具備攝像機管理列表，預警事件時視頻聯(lián)動展示，APP端增加攝像機的管理列表，檢索和查看攝像機的基本信息和實時視頻的功能;預警事件對應的記錄中，會自動截取事件發(fā)生前后各15秒的視頻片段，并支持播放。

（6）實時預警。一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過風險預警閾值，會以平臺預警、手機短信預警、電話語音預警的方式向相關(guān)責任人員實時預警。

（7）數(shù)據(jù)報表分析。數(shù)據(jù)查詢與數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)可進行波段圖、餅狀圖等多種展示，數(shù)據(jù)周期變化一目了然。

（8）APP輔助管理。移動端APP可進行地圖監(jiān)控、預警記錄、點位部署等功能操作，輔助PC端平臺進行數(shù)據(jù)的快捷管理與展示。

4 ?無線網(wǎng)建設(shè)方案

4.1 ?組網(wǎng)方案

除深圳之外，該運營商在其他多個城市也在同步進行試點項目，網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2 ?載頻配置

深圳試點項目按照27個S111室外宏基站、3個S222室外宏基站進行目標網(wǎng)規(guī)劃。S111基站上下行中心頻點分別設(shè)置為823.7 MHz/868.7 MHz，S222基站上下行中心頻點分別設(shè)置為823.5 MHz/868.5 MHz、823.7 MHz/868.7 MHz。

4.3 ?選址原則

基站的選址原則如下：

（1）基站的選址必須符合國家強制性規(guī)范，應盡量選擇交通便利、用電便利的地點，應盡量避免設(shè)置在雷電多發(fā)區(qū)和洪水區(qū)。

（2）應盡量遠離易燃易爆場所，以及排放有毒氣體、煙霧、粉塵或其他有害物質(zhì)的工廠。

（3）應充分考慮基站與其他系統(tǒng)之間的干擾因素，避免雷達站、大功率電臺、高頻爐、高壓電站及其他移動通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

（4）應避免站址過高造成越區(qū)覆蓋或站址過低造成覆蓋空洞。

（5）應與城市空間規(guī)劃相結(jié)合，同時爭取政府支持，比如與環(huán)保局等有關(guān)部門協(xié)調(diào)一些較難獲取的站址。

按照無線傳播環(huán)境，本次深圳覆蓋區(qū)域?qū)儆诿芗菂^(qū)，即該區(qū)域內(nèi)建筑物的平均高度或密度明顯高于城市內(nèi)周邊建筑，地形較為平坦，且中高層的建筑通常較多。同時，考慮到設(shè)備廠商之間差異較大的參數(shù)主要體現(xiàn)在解調(diào)門限、基站噪聲系數(shù)、接收機靈敏度、切換增益以及干擾余量等，參照該運營商集團總部的指導意見，該試點項目鏈路預算及站距核算的相關(guān)參數(shù)取定如表3和表4所示。

該試點項目鏈路預算，密集城區(qū)小區(qū)的覆蓋半徑為0.540 km。最終覆蓋面積57.5 km2、平均站間距0.974 km。

4.4 ?系統(tǒng)間干擾分析

NB-IoT系統(tǒng)與其他系統(tǒng)非共址建設(shè)時，兩個系統(tǒng)的基站天線，應確保距離大于50.0 m;應避免天線正對，確保天線下傾角（包括電子下傾角和機械下傾角）至少6°。

NB-IoT系統(tǒng)與其他系統(tǒng)共址建設(shè)時，規(guī)避干擾的方案：

（1）NB-IoT系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)的相鄰頻點之間，應預留至少200 kHz（距離GSM的TCH頻點）/300 kHz（距離GSM的BCCH頻點）作為頻率保護間隔。

（2）如發(fā)現(xiàn)GSM黑直放站（通常由不法分子違規(guī)建設(shè)）對NB-IoT系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，應積極協(xié)調(diào)相關(guān)管理部門，拆除違規(guī)建設(shè)的黑直放站。如無法拆除，應在NB-IoT接收機上安裝帶通濾波器以降低干擾。

（3）如發(fā)現(xiàn)NB-IoT系統(tǒng)對TD-LTE（F頻段）有二次諧波干擾，應確保NB-IoT系統(tǒng)天線的二次諧波抑制能力不低于-133 dBc。

（4）當NB-IoT系統(tǒng)與LTE FDD（900 MHz頻段）系統(tǒng)一起建設(shè)時，如能確保LTE FDD系統(tǒng)的工作帶寬至少有5 MHz，則不需要在兩個系統(tǒng)之間設(shè)置頻率保護間隔。

（5）基站的天線之間，應確保水平或垂直方向上的空間隔離，建議采用建設(shè)方案：1）NB-IoT與DCS一起建設(shè)，天線安裝方向相同時，應確保水平隔離距離至少0.8 m，垂直隔離距離至少0.3 m。2）NB-IoT與WCDMA、TD-SCDMA（A頻段）、TD-LTE（F頻段）、TD-LTE（D頻段）、LTE FDD（1 800 MHz頻段）、LTE FDD（2 100 MHz頻段）一起建設(shè)，天線安裝方向相同時，應確保水平隔離距離至少0.5 m，垂直隔離距離至少0.2 m。3）NB-IoT與CDMA 1X（800 MHz頻段）、LTE FDD（800 MHz頻段）一起建設(shè)，天線安裝方向相同時，應優(yōu)先采用垂直隔離方式，確保垂直隔離距離至少1.5 m。當垂直隔離無法實現(xiàn)時，應在CDMA 1X、LTE FDD基站設(shè)備上安裝阻塞抑制濾波器。4）NB-IoT與CDMA2000（2 000 MHz頻段）一起建設(shè)，天線安裝方向相同時，應優(yōu)先采用垂直隔離方式，確保垂直隔離距離至少0.8 m。當垂直隔離無法實現(xiàn)時，應在CDMA2000基站設(shè)備上安裝阻塞抑制濾波器。

4.5 ?覆蓋仿真

在深圳市三維地圖（20 m精度）和預測的業(yè)務(wù)量分布基礎(chǔ)上，對本期工程基站設(shè)置方案進行仿真分析。根據(jù)地理、建筑物分布情況，利用仿真軟件（Atoll v3.4），預測本期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)后的覆蓋效果。

仿真關(guān)鍵參數(shù)配置：天線功率：5 W;小區(qū)下行總功率：37 W;選用雙極化天線：65° 17 dBi 0Tilt 700/800 MHz;小區(qū)上行負荷：50%;小區(qū)下行負荷：50%;基站噪聲系數(shù)：3 dB;終端噪聲系數(shù)：6 dB;建筑物穿透損耗：20/18 dB;陰影衰落：考慮陰影衰落的影響，方差為11.7/9.4 dB;人體損耗：0 dB;主要傳播模型：Atoll CrossWave Model for NB-IoT。

仿真結(jié)果如圖3和表5所示。圖3中黑線圈出的部分，是在仿真軟件中設(shè)置本次須統(tǒng)計RSRP（dBm）的區(qū)域范圍，三角符號代表每個基站以及該基站的3根天線的方向。

4.6 ?配套改造方案

需在現(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃的基站內(nèi)安裝1個BBU（Building Baseband Unit，室內(nèi)基帶處理單元）、3個RRU（Radio Remote Unit，射頻拉遠單元）和1個CPE（Customer Premise Equipment，客戶前置設(shè)備），按1.7 kW預留電源容量。如現(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃基站能滿足需求的容量，則利用現(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃基站的市電;如不滿足需求的容量，則需在現(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃基站內(nèi)新增1路市電（新增市電容量需大于1.7 kW）。

根據(jù)NB-IoT設(shè)備供電要求，在現(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃基站內(nèi)整流機架中需提供不低于1路10 A（CPE設(shè)備供電）、1路16 A（BBU設(shè)備供電）和1路63 A（DCDU提供直流分路，為RRU供電）的直流供電。在規(guī)劃基站內(nèi)新增NB-IoT設(shè)備后，如原整流機架整流能力能滿足要求，則直接利用;如不滿足，則需改造后再利用。

鑒于本期規(guī)劃的基站均在深圳市城區(qū)，蓄電池組后備時長要求達到3小時;對于增加設(shè)備后不滿足后備電時長的蓄電池組需進行改造。本期增加NB-IoT設(shè)備后，蓄電池的后備電力保障滿足與運營商簽訂的相關(guān)商務(wù)定價協(xié)議要求，同時滿足NB-IoT主設(shè)備3小時后備電力保障。

NB-IoT設(shè)備取電須單獨計量，在每個基站的開關(guān)電源側(cè)安裝分路計量設(shè)備（霍爾傳感器）。

根據(jù)BBU主設(shè)備及CPE維護要求及特性，BBU設(shè)備與CPE設(shè)備就近安裝，RRU設(shè)備與天線要求上塔安裝。BBU及CPE設(shè)備如在機柜內(nèi)安裝，需預留不低于6 U的安裝空間。BBU及CPE設(shè)備如在機房內(nèi)掛墻安裝，選擇位置要求通風良好、維護便利，同時應滿足國家規(guī)范及設(shè)備廠家要求。

規(guī)劃基站為室外型基站：

（1）原室外機柜滿足要求就直接利用。

（2）如原室外機柜不滿足要求改造后再利用。

（3）如原室外機柜無法改造，則新增室外機柜安裝BBU及CPE設(shè)備。

根據(jù)800M天線的參數(shù)、安裝要求以及最大限度利用本期規(guī)劃基站天面資源原則，本期規(guī)劃基站天面存在以下幾種安裝方式：

（1）天面上有空余抱桿，直接利用。

（2）天面上無空余抱桿，通過改造后（如將原有天線進行合并）滿足要求再利用。

（3）通過改造后無法滿足要求，則需新增3根抱桿/美化外罩安裝。

（4）如有可利用的社會資源，則利用社會資源安裝。

設(shè)備連接系統(tǒng)圖如圖4所示。

5 ?結(jié) ?論

根據(jù)仿真軟件的模擬結(jié)果，信號覆蓋效果可以滿足本試點網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)目標。后續(xù)本公司承接本試點項目的可行性研究報告及一階段設(shè)計的工作，按需靈活部署建設(shè)蜂窩NB-IoT室外宏基站。待站點開通后，項目團隊將通過路測、CQT測試等手段優(yōu)化、調(diào)整仿真參數(shù)，更好地指導后續(xù)工程的規(guī)劃、設(shè)計工作。

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作者簡介：孫瑋（1987.01—），男，漢族，江蘇靖江人，工程師，本科，工學學士，主要研究方向：線路、無線通信網(wǎng)絡(luò)等。