高校智慧消防NB-IOT技術(shù)應(yīng)用和實(shí)踐

作者簡介：林長春（1973- ），男，漢族，福建福州人，工程師，本科，研究方向：光纖通訊傳輸、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。摘要：本文主要闡述了中國聯(lián)通某分公司在某大學(xué)NB-IOT智慧消防用電安全項(xiàng)目具備“高密度、高頻次、高可靠”業(yè)務(wù)特征需求，結(jié)合NB-IOT網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，重點(diǎn)從容量、專網(wǎng)、錯峰機(jī)制、頻率組網(wǎng)、業(yè)務(wù)參數(shù)等“五個維度”應(yīng)用分析，并在現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)踐，有效實(shí)現(xiàn)了該NB-IOT項(xiàng)目的“三高”特征需求。

關(guān)鍵詞：NB-IOT；容量計(jì)算；錯峰機(jī)制；VPN專網(wǎng)；異頻組網(wǎng)

一、概述

大學(xué)校園NB-IOT智慧消防項(xiàng)目的應(yīng)用和實(shí)踐，該NB-IOT項(xiàng)目主要是基于NB-IOT微型斷路器實(shí)現(xiàn)學(xué)生與教師宿舍的消防、用電安全，是一種“高密度、高頻次、高可靠”的典型應(yīng)用場景。在實(shí)踐中，通過“小區(qū)擴(kuò)容、VPN專網(wǎng)組網(wǎng)、上行錯峰、大話務(wù)參數(shù)實(shí)施、異頻插花組網(wǎng)”等多種手段，有效的解決項(xiàng)目實(shí)施過程中的諸多問題，實(shí)現(xiàn)接入成功率99%、實(shí)時在線率99%的組網(wǎng)目標(biāo)。

二、NB項(xiàng)目業(yè)務(wù)特點(diǎn)及挑戰(zhàn)

NB智慧微型斷路器主要應(yīng)用于學(xué)生宿舍和教職工宿舍的智慧消防用電安全，根據(jù)業(yè)務(wù)要求和設(shè)備安裝區(qū)域，形成與NB傳統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)相背道的“三高”特征。

“三高”特征如下：

● 高密度：0.07平方公里（200米×300米）范圍內(nèi)安裝2650+臺NB設(shè)備；

● 高頻次：間隔5分鐘上報1次終端數(shù)據(jù)；

● 高可靠：所有終端均時時在線，并可隨時查詢和監(jiān)控相關(guān)信息。

在調(diào)試過程中，存在終端在線不穩(wěn)定、RRC連接成功率低等問題，通過終端側(cè)、無線側(cè)、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用平臺等端到端進(jìn)行全面分析，定位以下原因：

● 高密度安裝、高頻次上報，小區(qū)容量不足；

● 數(shù)據(jù)并發(fā)沖突重傳導(dǎo)致上行干擾抬升，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)發(fā)送成功率；

● 終端頻繁發(fā)送心跳包，加大網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷與并發(fā)沖突；

● 下行小區(qū)間干擾，降低容量，并影響數(shù)據(jù)發(fā)送成功率；

● NB終端不上報數(shù)據(jù)，導(dǎo)致部分時段出現(xiàn)離線。

（一）NB-IOT的小區(qū)容量估算

NB接入過程符合泊松分布模型，碰撞概率P與每秒接入次數(shù)G關(guān)系：

P＝1－e-G/（競爭前導(dǎo)數(shù)量×每秒物理隨機(jī)接入信道數(shù)量）

NB共12個子載波即12個競爭前導(dǎo)，每秒物理隨機(jī)接入信道（PRACH）數(shù)量=1000/PRACH周期（ms）。

按碰撞概率P=10%計(jì)算，每秒可接入次數(shù)：

G＝ln（1/（1-P）×競爭前導(dǎo)數(shù)量×1000/PRACH周期=ln（1/（1-10%））×12×（1000/PRACH周期）=1.264×1000/PRACH周期=1.975次/秒；

當(dāng)用戶分布處于典型場景，覆蓋等級0/1/2用戶分布比例為5∶3∶2時，PRACH周期可設(shè)置為640ms，保證各覆蓋等級用戶均有機(jī)會接入，按該用戶模型：

每秒接入次數(shù)為G＝1.264×（1000/640）＝1.975

覆蓋等級0每5分鐘接入次數(shù)＝G×300≈592

覆蓋等級1每5分鐘接入次數(shù)＝G×300×3/5≈355

覆蓋等級2每5分鐘接入次數(shù)＝G×300×2/5＝237

NB在時間上離散接入時，PRACH周期為640ms，每5分鐘最大可接入1184個用戶。

通過對某大學(xué)無線信號覆蓋測試，現(xiàn)網(wǎng)采用NB1800組網(wǎng)，小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)最大的設(shè)備數(shù)將達(dá)到800臺左右，小區(qū)的理論連接數(shù)滿足項(xiàng)目需求[1]。

（二）NB-IOT的休眠態(tài)

對時延不敏感是NB業(yè)務(wù)的一大特點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)可以讓50K左右的終端同時在一個小區(qū)下，同一時刻大部分終端處于休眠態(tài)，為更多的用戶提供接入、保存更多的用戶信息。NB-IOT芯片進(jìn)入PSM模式，該模式下終端可以通過AT命令主動喚醒，但不能被網(wǎng)絡(luò)喚醒（即PSM終端只支持MO業(yè)務(wù)，不支持MT業(yè)務(wù)）。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)有下行數(shù)據(jù)發(fā)送時，需要等待到終端主動發(fā)送上行數(shù)據(jù)喚醒后才可以接受。

大學(xué)智慧消防項(xiàng)目要求單位面積內(nèi)高密度的終端實(shí)時在線，與NB網(wǎng)絡(luò)的PSM模式設(shè)計(jì)相矛盾，需另行解決[2]。

（三）數(shù)據(jù)包的傳輸時延與單小區(qū)下的實(shí)際終端數(shù)

時延計(jì)算結(jié)果是商用參數(shù)理論值，未考慮應(yīng)用層重傳、無線側(cè)重傳、上行干擾、端到端定時器配合等多方面因素，這些影響場景復(fù)雜無法具體量化，結(jié)合商用項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，理論計(jì)算基礎(chǔ)上考慮10秒冗余影響；

數(shù)據(jù)包傳輸時延=固定時延+上行傳輸時延+下行傳輸時延+UE不活動定時器+冗余時間。

NB智慧微型斷路器通過設(shè)備終端抓包，其空口數(shù)據(jù)上報信令流程主要如下：空口6條信令交互消息，主要數(shù)據(jù)上行150字節(jié)，下行應(yīng)答63字節(jié)，其它消息為協(xié)議消息。

根據(jù)上述NB終端數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包大小以及NB業(yè)務(wù)時延公式，本次NB終端每次上傳所需的最小時延=<1（I-DRX主動上報）+1（上行數(shù)據(jù)按照200字節(jié)參考）+1（下行接收按照100字節(jié)）+0（不重傳）<3秒。

因此按照最大上報最優(yōu)原則為每個小區(qū)同時上報4個-6個終端并發(fā)上報，可有效達(dá)到終端分流以及小區(qū)的資源最優(yōu)利用；每個小區(qū)所有NB設(shè)備完成1輪數(shù)據(jù)上報所需時間=3（秒）×800（臺）/4（個）=600秒=10分鐘[3]。

（四）無線側(cè)的上行干擾

上行干擾來源于同頻鄰小區(qū)的UE上行發(fā)送的信號，A小區(qū)和B小區(qū)存在重疊區(qū)域（同頻鄰區(qū)必然會存在一定的切換區(qū)域），由于兩個小區(qū)之間的信號不是一致、不正交，會形成干擾。隨著邊緣用戶數(shù)增加，將在上行出現(xiàn)明顯的PUCCH和PUSCH干擾[4]。

根據(jù)協(xié)議終端在PUSCH發(fā)送上行報文的時候，如果連續(xù)失敗超過兩次，為了保證報文發(fā)送，終端將按照最大功率發(fā)送。在NB網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)僅有12個PRACH信道，如果同時并發(fā)接入用戶數(shù)大于12個，將發(fā)生接入沖突，終端為了保證接入就會按照最大功率發(fā)射，導(dǎo)致RSSI迅速惡化。

在調(diào)試階段，小區(qū)的無線側(cè)指標(biāo)發(fā)生不同程度的RSSI抬升，最大值達(dá)-74db。分析發(fā)現(xiàn)問題小區(qū)同時接入終端超過50臺，需進(jìn)行錯峰處理[5]。

三、NB項(xiàng)目業(yè)務(wù)解決方案

（一）載波擴(kuò)容

結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)基站分布，通過NB小區(qū)分裂、新建NB900站點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)分擔(dān)，以此滿足業(yè)務(wù)需求。具體方案：對原2個合并扇區(qū)進(jìn)行扇區(qū)分裂；新建1個NB900站點(diǎn)，并擴(kuò)容NB900多，某大學(xué)覆蓋區(qū)域內(nèi)小區(qū)由9個提升到13個。

經(jīng)復(fù)測，小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)最大設(shè)備容量在400臺左右，綜合考核上行干擾、接通成功率、資源利用等因素，以40%資源利用率預(yù)估，單小區(qū)并發(fā)終端為4～5個，每個小區(qū)所有NB設(shè)備完成1輪數(shù)據(jù)上報所需時間=3（秒）×400（臺）/4（個）=300秒（5分鐘），可滿足“1次/5分鐘/終端”的數(shù)據(jù)包上報周期。

（二）VPN組網(wǎng)

在調(diào)試過程中，通過對終端抓包，終端每間隔2分鐘發(fā)送一次心跳包，大大增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，導(dǎo)致設(shè)備連接成功率僅40%，實(shí)時在線率僅30%左右。

圖2VPN組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖經(jīng)與數(shù)通專業(yè)聯(lián)合討論，取消由NB終端心跳包實(shí)現(xiàn)“實(shí)時在線”功能，改用VPN專網(wǎng)方案，即互聯(lián)網(wǎng)方式+GRE隧道為每個NB終端設(shè)備分配一個固定的私網(wǎng)IP地址，經(jīng)NAT協(xié)議地址后，通過互聯(lián)網(wǎng)GRE隧道模式訪問物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器。同時將SIM卡的APN由公網(wǎng)APN：snbiot改為專網(wǎng)APN：fjfrdz01s.nb.gziot。

采用VPN組網(wǎng)方案后，從后臺信令跟蹤來看，NB終端數(shù)據(jù)上報周期延長至5分鐘，與業(yè)務(wù)上報周期一致。

（三）上行錯峰設(shè)計(jì)，提升數(shù)據(jù)發(fā)送成功率

一個小區(qū)內(nèi)，同一時刻上行并發(fā)終端數(shù)量，取決于上行包大小、NB模組工作模式、錯峰配置參數(shù)。終端按照設(shè)置的時間周期性上報數(shù)據(jù)，一般設(shè)定的基準(zhǔn)時間為0點(diǎn)（需計(jì)算錯峰延時）。

錯峰計(jì)算方法：基礎(chǔ)時間+（表號后2位×錯峰系數(shù)+x）；其中基礎(chǔ)時間一般為0點(diǎn)，后臺可配。表號后2位決定了同一時刻可能接入的終端數(shù)據(jù)，錯峰系數(shù)為分鐘級，可通過后臺遠(yuǎn)程調(diào)整。舉例：分組編號為“099”的表，錯峰系數(shù)為3（秒級），微調(diào)系數(shù)為3，則智能電表主動上送時間為：0+（99×3s+3秒）=300秒=5分鐘[6]。

由于NB終端上行數(shù)據(jù)包周期為1次/5分鐘/終端，每臺終端3秒的上報間隔，采用上行錯峰，每組需至少100臺終端；按單小區(qū)并發(fā)終端為4～5個預(yù)估，單小區(qū)下每5分鐘可采集400臺終端上行數(shù)據(jù)，與實(shí)際測試情況相符[7]。圖3錯峰示意圖

實(shí)施錯峰機(jī)制后，小區(qū)的設(shè)備連接成功率由40%左右，穩(wěn)定到80%左右；NB小區(qū)上行底噪由平均-74dBm改善到-95dBm。

（四）大話務(wù)參數(shù)實(shí)施，提升網(wǎng)絡(luò)容量

結(jié)合上文，單小區(qū)最大終端達(dá)到400個左右，若發(fā)生特殊情況導(dǎo)致上行擁塞時，易發(fā)生業(yè)務(wù)風(fēng)暴，造成終端無法上線。

在無線側(cè)通過減少上行重發(fā)次數(shù)、加大沖突解決定時器時長、加大上行失敗后的懲罰時間、加大前導(dǎo)傳送最大次數(shù)及終端反復(fù)接入失敗的懲罰時長，使得用戶接入離散化，減少業(yè)務(wù)風(fēng)暴風(fēng)險。參數(shù)實(shí)施后，小區(qū)的設(shè)備連接成功率由80%提升穩(wěn)定到92%左右。

（五）異頻插花組網(wǎng)，減少同頻干擾

調(diào)測階段，在實(shí)施無線參數(shù)優(yōu)化后終端的上線率在92%，分析發(fā)現(xiàn)離線終端聚集在同頻小區(qū)重疊覆蓋區(qū)域；網(wǎng)絡(luò)側(cè)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)信號覆蓋等級“1”占比較高，達(dá)到60%左右?，F(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)NB網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋及MOD3問題較LTE更加嚴(yán)重，現(xiàn)場受限于站點(diǎn)密度高（平均站間距100米左右）、與LTE網(wǎng)絡(luò)共天饋等因素，無法進(jìn)行大幅度RF調(diào)整。

考慮到項(xiàng)目中的NB終端無移動性，嘗試在某大學(xué)區(qū)域進(jìn)行NB1800異頻插花組網(wǎng)。方案實(shí)施后，信號覆蓋等級“1”占比由60%左右下降到25%左右，NB小區(qū)上行平均底噪由-95dBm改善到-110dBm，設(shè)備連接成功率由92%提升到99%以上，實(shí)時在線率由80%左右提升并穩(wěn)定在99%以上。

（六）平臺升級精準(zhǔn)定位離線

結(jié)合上文，NB智慧微型斷路器實(shí)時在線率穩(wěn)定在99%，仍有部分終端會出現(xiàn)離線狀態(tài)，抽查離線終端，發(fā)現(xiàn)其主要是用戶通過APP平臺下發(fā)下電指令，導(dǎo)致設(shè)備終端未上報數(shù)據(jù)，從而監(jiān)控應(yīng)用平臺判定為離線。

針對用戶下發(fā)下電或者現(xiàn)場斷電導(dǎo)致的設(shè)備離線，應(yīng)用平臺需增加該操作的查詢判斷設(shè)備離線是正常還是異常離線。

四、總結(jié)

NB-IOT項(xiàng)目主要是基于NB-IOT微型斷路器實(shí)現(xiàn)學(xué)生與教師宿舍的消防、用電安全，是一種“高密度、高頻次、高可靠”的典型應(yīng)用場景，與傳統(tǒng)的NB-IOT“低時延、大連接高休眠”等業(yè)務(wù)特性相背道，導(dǎo)致存在“容量不足”、“數(shù)據(jù)并發(fā)沖突”、“網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷高”、“小區(qū)間干擾強(qiáng)”、“終端離線率高”等問題。

我們采用NB-IOT“小區(qū)擴(kuò)容、VPN專網(wǎng)、上行錯峰、大話務(wù)參數(shù)實(shí)施、異頻插花組網(wǎng)”、后續(xù)終端廠家應(yīng)用平臺升級等方式，有效的解決本次“智慧用電”項(xiàng)目的“三高”特性出現(xiàn)的問題，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的NB-IOT接入成功率達(dá)到99%，設(shè)備終端時時在線率超過95%[8]。

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