NB-IoT規劃案例分享

摘 ?要：在政策、產業和產業鏈等推動下，蜂窩物聯網正在快速發展。針對某運營商規劃建設物聯網試點項目，在科學規劃基站站址的基礎上，以業務需求為導向，通過無線網絡仿真軟件的模擬計算，預測規劃站點建成后的網絡信號覆蓋情況，從而按需靈活部署建設蜂窩NB-IoT室外宏基站，實現NB-IoT室外連續覆蓋。文章對此進行了分析和討論。

關鍵詞：蜂窩物聯網;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開展信息化領域的專業服務業務，在廣東設立了當地的分支機構，承接廣東某些地市（廣州、深圳等）的運營商業務，通常分為規劃、可研、咨詢、設計等類型。深圳某運營商近期準備在市區某一區域內建設物聯網試點項目，應用場景為城中村的智慧消防業務。為此，作者展開以NB-IoT室外宏基站覆蓋為目標的研究。NB-IoT領域，前人已有一定的理論研究基礎，比如毛勇平、陳劍峰在市區內針對NB-IoT物聯網傳播模型的研究等。作者利用項目過程中獲取的實際場景的數據，結合前人的方法，調整屬于本項目的傳播模型，預期在目標區域NB-IoT能達到理想的覆蓋效果。文章能夠對通信行業內參與規模化搭建NB-IoT網絡的讀者，具有一定的指導作用。

1 ?概述

2009年起，物聯網被列為國家七大新興產業之一。近年來，政府在規劃可研、頻率許可、碼號資源等方面，大力推動物聯網發展。比如提出加速通信網絡基礎設施的升級、推進物聯網傳感設施的規劃布局、推動低功耗廣域網技術的商業化部署等。預測未來2至5年，物聯網用戶將會呈現快速增長的態勢。

蜂窩物聯網通常分為NB-IoT（Narrow Band Internet ofThings，窄帶物聯網）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絡，eMTC是LTE-FDD的一項功能。NB-IoT和eMTC技術能力各有優勢，具有業務互補性。NB-IoT具有優越的覆蓋能力，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，標準化程度高、互通性好、產業鏈完善;使用授權頻段，可提供電信級的物聯網業務，授權頻段為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，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。

目前物聯網行業仍處于發展的培育期，超半數的企業物聯網項目僅有不到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劃建設NB-IoT試點網絡，探索NB-IoT業務的發展路徑。

2 ?業務需求分析

該運營商在拓展物聯網業務時所面臨的處境，可概括為“站址資源豐富，網絡建設維護能力強;業務基礎薄弱，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、群租房等重點區域仍存在安全隱患。例如“三小”場所存在違規住人、消防通道堵塞、違規使用彩鋼板分隔等安全問題，防不勝防;部分企業用電安全管理及危險化學品生產、經營、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;部分區域供電線路存在安全隱患，電氣火災事故時有發生。該運營商規劃在重點區域推進智慧消防整體解決方案，實現轄區內城中村消防安全隱患全天候實時監管，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，是目前智慧消防建設的重點。

智慧消防首先以通信網絡為基礎，運用云計算、物聯網等技術，提供給人們舒適、便捷、安全的智慧化生活環境。在智慧消防整體系統中，運用視頻監控系統延伸搭建為物聯網平臺，結合消防設備傳感器終端，可連接消防基礎數據采集設備、云平臺、顯示終端、物聯網云平臺，為現代化的消防工作管理、智慧化的大數據應用提供基礎設施解決方案。智慧消防業務流程如圖1所示;智慧消防業務需求如表1所示。

3 ?網絡建設目標和原則

為滿足深圳業務發展趨勢，確定不同場景下的網絡建設目標，如覆蓋目標：廣覆蓋業務的有效覆蓋率達95%、深度覆蓋業務的有效覆蓋率達98%，如表2所示。

建設的原則如下：

（1）以業務需求為導向，按需靈活部署，分場景實現不同層次的網絡覆蓋。通過連續覆蓋、局部深度覆蓋、連續覆蓋+局部深度覆蓋等不同的方式，形成不同的網絡覆蓋能力。

（2）重視網絡結構及布局合理性，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基站在城市區域應距鐵路沿線1 km以上，郊區或農村地區距鐵路沿線3 km以上。

（4）合理選擇基站站址，合理設置天線的方位角、下傾角和掛高等。

（5）合理調整切換區域，合理進行導頻規劃。

物聯網應用的業務平臺建設思路如下：

（1）統一管理。對煙霧傳感器、電氣火災傳感器等各類傳感設備的數量，以及網絡運行狀況、部署記錄、預警記錄等功能統一管理，清晰明白。

（2）實時監控。各類傳感設備全天候不間斷聯網監控，物聯網云端平臺對設備聯網狀態、預警數據等一系列指標進行實時監控，確保預警的及時高效。

（3）設備定位。結合地理信息系統，進行數據可視化展示，做到能夠區分室內、室外的精準安全隱患定位，實現對設備位置與狀態的有效監控。

（4）視頻聯動。當平臺接收到火災報警信息后，相關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，會自動截取事件發生前后各15秒的視頻片段，并支持播放。

（6）實時預警。一旦發現監測數據超過風險預警閾值，會以平臺預警、手機短信預警、電話語音預警的方式向相關責任人員實時預警。

（7）數據報表分析。數據查詢與數據分析，數據可進行波段圖、餅狀圖等多種展示，數據周期變化一目了然。

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

4 ?無線網建設方案

4.1 ?組網方案

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，網絡組網結構如圖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規劃。S111基站上下行中心頻點分別設置為823.7 MHz/868.7 MHz，S222基站上下行中心頻點分別設置為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范，應盡量選擇交通便利、用電便利的地點，應盡量避免設置在雷電多發區和洪水區。

（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的工廠。

（3）應充分考慮基站與其他系統之間的干擾因素，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產生干擾。

（4）應避免站址過高造成越區覆蓋或站址過低造成覆蓋空洞。

（5）應與城市空間規劃相結合，同時爭取政府支持，比如與環保局等有關部門協調一些較難獲取的站址。

按照無線傳播環境，本次深圳覆蓋區域屬于密集城區，即該區域內建筑物的平均高度或密度明顯高于城市內周邊建筑，地形較為平坦，且中高層的建筑通常較多。同時，考慮到設備廠商之間差異較大的參數主要體現在解調門限、基站噪聲系數、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參數取定如表3和表4所示。

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

4.4 ?系統間干擾分析

NB-IoT系統與其他系統非共址建設時，兩個系統的基站天線，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系統與其他系統共址建設時，規避干擾的方案：

（1）NB-IoT系統與GSM系統的相鄰頻點之間，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）如發現GSM黑直放站（通常由不法分子違規建設）對NB-IoT系統產生干擾，應積極協調相關管理部門，拆除違規建設的黑直放站。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）如發現NB-IoT系統對TD-LTE（F頻段）有二次諧波干擾，應確保NB-IoT系統天線的二次諧波抑制能力不低于-133 dBc。

（4）當NB-IoT系統與LTE FDD（900 MHz頻段）系統一起建設時，如能確保LTE FDD系統的工作帶寬至少有5 MHz，則不需要在兩個系統之間設置頻率保護間隔。

（5）基站的天線之間，應確保水平或垂直方向上的空間隔離，建議采用建設方案：1）NB-IoT與DCS一起建設，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，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，天線安裝方向相同時，應優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時，應在CDMA 1X、LTE FDD基站設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，天線安裝方向相同時，應優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時，應在CDMA2000基站設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）和預測的業務量分布基礎上，對本期工程基站設置方案進行仿真分析。根據地理、建筑物分布情況，利用仿真軟件（Atoll v3.4），預測本期網絡建設后的覆蓋效果。

仿真關鍵參數配置：天線功率：5 W;小區下行總功率：37 W;選用雙極化天線：65° 17 dBi 0Tilt 700/800 MHz;小區上行負荷：50%;小區下行負荷：50%;基站噪聲系數：3 dB;終端噪聲系數：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，是在仿真軟件中設置本次須統計RSRP（dBm）的區域范圍，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

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

根據NB-IoT設備供電要求，在現網規劃基站內整流機架中需提供不低于1路10 A（CPE設備供電）、1路16 A（BBU設備供電）和1路63 A（DCDU提供直流分路，為RRU供電）的直流供電。在規劃基站內新增NB-IoT設備后，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。

鑒于本期規劃的基站均在深圳市城區，蓄電池組后備時長要求達到3小時;對于增加設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設備后，蓄電池的后備電力保障滿足與運營商簽訂的相關商務定價協議要求，同時滿足NB-IoT主設備3小時后備電力保障。

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

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

規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設備。

根據800M天線的參數、安裝要求以及最大限度利用本期規劃基站天面資源原則，本期規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。

設備連接系統圖如圖4所示。

5 ?結 ?論

根據仿真軟件的模擬結果，信號覆蓋效果可以滿足本試點網絡的建設目標。后續本公司承接本試點項目的可行性研究報告及一階段設計的工作，按需靈活部署建設蜂窩NB-IoT室外宏基站。待站點開通后，項目團隊將通過路測、CQT測試等手段優化、調整仿真參數，更好地指導后續工程的規劃、設計工作。

參考文獻：

[1] 于曉陽.傳統蜂窩網對NB-IoT物聯網性能的影響研究 [J].通信技術，2019，52（3）：657-661.

[2] 楊光.移動蜂窩物聯網無線網絡規劃的探討 [J].電腦迷，2018（27）：129.

[3] 馬亞蕾.NB-IOT技術淺析 [J].電子制作，2019（17）：74-75.

[4] 毛勇平，陳劍峰.NB-IoT物聯網市區傳播模型校正算法研究 [J].江西通信科技，2019（3）：6-9+16.

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、無線通信網絡等。