一種基于NB-IoT的室外移動(dòng)通信基站接地線的防盜方法

徐鳩嵐

中國(guó)電信股份有限公司鹽城分公司

0 引言

移動(dòng)通信基站的建設(shè)是通信運(yùn)營(yíng)商投資的重要部分。目前室外移動(dòng)通信基站接地線普遍采用銅芯線，銅芯線具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，故經(jīng)常被盜，給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來隱患。當(dāng)前5G室外基站量大點(diǎn)廣，如何及時(shí)制止和發(fā)現(xiàn)接地線被盜是運(yùn)營(yíng)商亟需解決的問題。調(diào)查顯示，接地線被盜會(huì)直接造成以下幾種情況的損失：（1）接地線被盜造成直接經(jīng)濟(jì)損失，包括接地線本身價(jià)值、修復(fù)的工程費(fèi)用；（2）接地線被盜造成間接經(jīng)濟(jì)損失，主要是接地線被盜后，因未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)，室外移動(dòng)通信基站被雷擊造成損壞；（3）接地線被盜后，因未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而不能及時(shí)報(bào)警，使得警方不能及時(shí)打擊此類犯罪行為，反過來助長(zhǎng)了接地線被盜的情況。

為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信基站管理的信息化和自動(dòng)化，提高運(yùn)營(yíng)商對(duì)移動(dòng)基站的管理能力，本研究設(shè)計(jì)了基于NB-IoT技術(shù)的室外移動(dòng)通信基站接地線的防盜系統(tǒng)。運(yùn)用NB-IoT技術(shù)將移動(dòng)基站相關(guān)參數(shù)傳輸?shù)胶笈_(tái)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，管理人員通過后臺(tái)管理系統(tǒng)即可遠(yuǎn)程監(jiān)控移動(dòng)基站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。

1 研究背景

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)），是為實(shí)現(xiàn)大連接、廣覆蓋、低功耗等要求而設(shè)計(jì)的專門用于物聯(lián)網(wǎng)的窄帶無線蜂窩通信技術(shù)。NB-IoT技術(shù)具備超低功耗、超低成本、超強(qiáng)覆蓋、超大連接的關(guān)鍵特性，是萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，該技術(shù)定位于運(yùn)營(yíng)商級(jí)、基于授權(quán)頻譜的低速率物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

中國(guó)電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，即CTWing平臺(tái)，是智能終端的匯聚平臺(tái)，應(yīng)用開發(fā)運(yùn)行的服務(wù)平臺(tái)，輕量級(jí)應(yīng)用的提供平臺(tái)。CTWing是中國(guó)電信物聯(lián)網(wǎng)能力的統(tǒng)一數(shù)字開放平臺(tái)，是中國(guó)電信“云改數(shù)轉(zhuǎn)”戰(zhàn)略的底座平臺(tái)，匯聚了中國(guó)電信云網(wǎng)融合能力，全連接管理、設(shè)備管理、城市感知、端到端安全以及AI/區(qū)塊鏈/大數(shù)據(jù)等綜合能力，服務(wù)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。中國(guó)電信將物聯(lián)網(wǎng)與5G、AI、邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)深度融合，為客戶提供差異化、個(gè)性化、敏捷化的AIOT“平臺(tái)+應(yīng)用”服務(wù)，打造中國(guó)電信面向客戶、行業(yè)、生態(tài)開放統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)能力窗口。

目前，中國(guó)電信CTWing平臺(tái)已服務(wù)近3億物聯(lián)網(wǎng)用戶，其中5G NB-IoT用戶規(guī)模超1億?；贑TWing平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接超8000萬(wàn)，涵蓋智慧城市、智慧交通、智能制造、社會(huì)民生等領(lǐng)域，平臺(tái)月均調(diào)用次數(shù)近200億次，擁有品類豐富的物聯(lián)網(wǎng)終端市場(chǎng)。

2017年，中國(guó)電信提出NB-IoT智能白家電的解決方案。不同于普通智能白家電大多基于2G以及WiFi實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，NBIoT智能白家電通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)直接連接到云平臺(tái)，開機(jī)激活一次即可自動(dòng)完成配置連接，解決了2G網(wǎng)絡(luò)容量有限、WiFi等短距技術(shù)操作繁瑣等痛點(diǎn)。

2020年，NB-IoT部署于智能水表采集，取代傳統(tǒng)住宅小區(qū)的專人抄表，簡(jiǎn)化抄表流程，對(duì)計(jì)費(fèi)、線損控制、用能分析等方面提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

除此之外，NB-IoT技術(shù)還可應(yīng)用于定位追蹤等領(lǐng)域，通過實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)井上路面積水、井蓋松動(dòng)遺失，解決巡維管理、資產(chǎn)防盜、管廊管理等問題。室外移動(dòng)通信基站由于數(shù)量眾多，量大點(diǎn)廣，目前并沒有針對(duì)室外移動(dòng)通信基站接地線防盜的有效解決方法，通常采用人員巡檢的方式進(jìn)行維護(hù)。NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用不再需要人工巡查，數(shù)據(jù)全部自動(dòng)傳輸?shù)狡脚_(tái)上，節(jié)省了大量人力資源；同時(shí)，由于其擁有超低功耗，正常通信和待機(jī)電流是mA和uA級(jí)別，模塊待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)十年，極大程度簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)在后期的維護(hù)。

2 技術(shù)方案

2.1 NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及傳輸方案

NB-IoT基站接地線的防盜系統(tǒng)端到端架構(gòu)如圖1所示。NB終端向eNodeB請(qǐng)求接入，eNodeB收到此消息后，將其中的NAS消息轉(zhuǎn)發(fā)給MME用于S1連接。經(jīng)過省核心網(wǎng)網(wǎng)元數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)匯聚到電信CTWing平臺(tái)。CTWING平臺(tái)可通過HTTP、HTTPS、MQ方式將設(shè)備消息推送至客戶平臺(tái)。

圖1 NB-IoT技術(shù)端到端的系統(tǒng)架構(gòu)

終端業(yè)務(wù)模型為周期型小包低頻上報(bào)業(yè)務(wù)，主要包括周期性上報(bào)接地線狀態(tài)，告警上報(bào)，參數(shù)查詢，查詢響應(yīng)，固件升級(jí)。終端上報(bào)數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 終端上報(bào)數(shù)據(jù)格式

字段 數(shù)據(jù)類型 描述上報(bào)數(shù)據(jù) BYTE[1]上報(bào)設(shè)備狀態(tài)，0表示正常，1表示異常

2.2 解決方案組成

終端主要由低壓直流繼電器、直流電源、連接線、聲光報(bào)警裝置采集設(shè)備等前端采集設(shè)備組成，如圖2所示。傳輸通道采用NB-IoT技術(shù)，直接應(yīng)用市場(chǎng)上的NB-IoT模塊。信息反饋處理平臺(tái)，即IoT平臺(tái)采用電信CTWing平臺(tái)，可以根據(jù)需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理。每張NB-IoT卡通過卡號(hào)和基站一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)基站的接地線被盜后，信息會(huì)被推送到相關(guān)人員的手機(jī)上，以備及時(shí)處理。

圖2 基于NB-IoT的室外移動(dòng)通信基站接地線的防盜方法系統(tǒng)圖

2.3 實(shí)施方法

本研究提出的解決方案包含室外5G移動(dòng)通信基站、接地線、接地線控制回路、電磁繼電器、電磁繼電器控制回路、聲光報(bào)警裝置、物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT監(jiān)測(cè)模塊、信息反饋處理平臺(tái)。室外移動(dòng)通信基站連接接地線，并通過接地線控制回路控制開閉，接地線通過電線直接與電磁繼電器相連接，組成第二回路，第二回路為電磁繼電器的動(dòng)斷觸點(diǎn)輸出回路，輸出回路中同時(shí)連接了聲光報(bào)警裝置、物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT監(jiān)測(cè)模塊、信息反饋處理平臺(tái)。

當(dāng)接地線被盜或者斷開后，低壓直流繼電器電源沒有電，動(dòng)斷型觸點(diǎn)合上，輸出回路通電工作，聲光報(bào)警裝置工作，發(fā)出聲光告警信息，嚇阻偷盜行為；同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到開關(guān)量，將信息及時(shí)反饋并發(fā)送到處理反饋平臺(tái)；處理反饋平臺(tái)根據(jù)接收到的信息進(jìn)行報(bào)警及維修信息指派，反饋及迅速運(yùn)維，極大地降低了成本，提高了效率。

本解決方案的工作原理是將電源模塊的輸入和輸出并聯(lián)連接接地線的兩端，將MCU模塊串接在其中，MCU定時(shí)輪詢?cè)撾娐返耐〝酄顩r，并把輪詢的結(jié)果和前導(dǎo)包（站點(diǎn)標(biāo)識(shí)）通過NB-IoT模塊發(fā)送給CTWing平臺(tái)。CTWing平臺(tái)（中國(guó)電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)）收到定期輪詢的結(jié)果，推送給信息處理的服務(wù)器，信息處理服務(wù)器進(jìn)行解碼，信息入庫(kù)，根據(jù)規(guī)則進(jìn)行分析判斷外部接地線是否斷開，如果判斷接地線斷開，發(fā)送短信通知維護(hù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。

該解決方案利用繼電器的被動(dòng)觸發(fā)功能，將室外移動(dòng)通信基站接地線接入繼電器輸入回路，通過輸入回路的斷開，來實(shí)現(xiàn)輸出回路的電信號(hào)的輸出。通過物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警及數(shù)據(jù)回傳功能，維護(hù)人員可以及時(shí)收到告警，并到現(xiàn)場(chǎng)處理，提升維護(hù)效率，減少設(shè)備因雷擊產(chǎn)生的次生障礙和設(shè)備損毀。

2.4 實(shí)施效果

一個(gè)完整的5G宏基站建設(shè)包括主設(shè)備BBU、AAU、傳輸設(shè)備；動(dòng)力配套設(shè)備設(shè)施包括電源、電池、空調(diào)、監(jiān)控等；土建施工包括機(jī)房、材料、人工等，共計(jì)費(fèi)用約45萬(wàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每個(gè)月因基站接地線被盜，直接經(jīng)濟(jì)損失約4.5萬(wàn)元，需要增加維修人工成本約2萬(wàn)元。本解決方案的提出，會(huì)為之后的基站維護(hù)減少以上經(jīng)濟(jì)損失，并節(jié)約大量的人力成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

NB-IoT解決方案的價(jià)值在于覆蓋范圍廣、深度大、功耗低、成本低、連接量大。由于它是在LTE的基礎(chǔ)上開發(fā)的，所以可以通過使用許可的頻段將其疊加到現(xiàn)有的2G/3G/LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)上。本研究提供的方案已經(jīng)申請(qǐng)專利，專利申請(qǐng)?zhí)?02110610626.4。通過繼電器與物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT監(jiān)測(cè)模塊連接，當(dāng)繼電器工作時(shí)，不但可以嚇阻偷盜行為，避免國(guó)有資產(chǎn)的損失，同時(shí)還可以通過平臺(tái)發(fā)出及時(shí)信息，讓運(yùn)維人員第一時(shí)間知道哪一個(gè)通信基站出現(xiàn)問題并及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，為通信運(yùn)營(yíng)企業(yè)的設(shè)備安全運(yùn)行保駕護(hù)航。