中國電信股份有限公司南京分公司 常 昆

NB-IoT基站天線掛高對居民區(qū)信號覆蓋能力影響研究

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本文研究了NB-IoT基站天線掛高與居民區(qū)樓宇不同落差對信號覆蓋能力的影響.重點測試、分析單扇區(qū)條件下NB-IoT基站對不同質(zhì)態(tài)居民區(qū)的道路、樓宇平層、地下室覆蓋能力,為將來窄帶物聯(lián)網(wǎng)在居民區(qū)場景的業(yè)務(wù)發(fā)展提供參考.

物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;居民小區(qū);深度覆蓋

1 引言

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)是面向廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接等物聯(lián)網(wǎng)需求建立的全球統(tǒng)一標準.其典型特點有:(1)NB-IoT通過功率譜密度增益與重復(fù)發(fā)送增益,實現(xiàn)信號最大路損(Maximum Coupling Loss,MCL)比傳統(tǒng)GPRS增強20dB[1].(2)NB-IoT協(xié)議新增PSM、eDRX、長TAU等節(jié)電特性,達到終端電池使用壽命大于10年的低功耗目標.(3)為了降低終端成本,NB-IoT終端采用半雙工傳輸方式,使用一根天線收發(fā)數(shù)據(jù),同時采用簡化協(xié)議和降低基帶復(fù)雜度的方式使每個終端低于5美元.(4)由于NB-IoT主要面向低速率、低移動性、低激活比的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),因此要求單小區(qū)能容納5萬個終端,系統(tǒng)新增擁塞控制實現(xiàn)大連接.本文從NB-IoT基站天線掛高與居民區(qū)樓宇落差對信號覆蓋影響的角度出發(fā),開展不同場景居民區(qū)室外路測與室內(nèi)定點測試,并對測試結(jié)果進行分析總結(jié),在此基礎(chǔ)上為居民區(qū)場景下的NB-IoT業(yè)務(wù)選型提供合理建議.

2 覆蓋等級特性

與LTE不同,NB-IoT針對其獨特的覆蓋需求,引入覆蓋等級概念[2].NB-IoT eNodeB設(shè)定2個RSRP門限,劃分3個覆蓋等級:當UE實際RSRP測量值比RSRP一級門限值高時,UE選擇覆蓋等級0(CEL0)發(fā)起隨機接入;當UE實際RSRP測量值介于RSRP一級門限值和RSRP二級門限值之間時,UE選擇覆蓋等級1(CEL1)發(fā)起隨機接入;當UE實際RSRP測量值比RSRP二級門限值低時,UE選擇覆蓋等級2(CEL2)發(fā)起隨機接入.NB-IoT從系統(tǒng)消息SIB2中確定PRACH信道配置和資源,不同覆蓋等級下系統(tǒng)消息中會廣播與之對應(yīng)的NB-PRACH參數(shù)配置(見圖1).

3 基站天線掛高對居民區(qū)覆蓋能力評估

結(jié)合目前中國電信江蘇南京NB-IoT基站開通情況,分別選取NB-IoT基站天線與小區(qū)樓宇掛高差17m、7m、基站天線掛高低于小區(qū)樓宇的3種典型場景,測試分析NB-IoT基站對居民區(qū)內(nèi)道路、樓宇平層以及地下室的覆蓋能力.

根據(jù)前期NB-IoT覆蓋性能測試結(jié)果,本文中RSRP一級門限設(shè)置為-110dBm,RSRP二級門限設(shè)置為-120dBm;NB-IoT基站下行發(fā)射功率配置2*10W;為了避免其他NB-IoT基站對測試居民區(qū)重疊覆蓋,造成結(jié)果失真,測試前已將小區(qū)周邊5km范圍內(nèi)的其他NB-IoT基站閉鎖,主覆蓋居民區(qū)基站單扇區(qū)正打小區(qū)并激活,保證信號純凈與測試結(jié)果準確性.

圖1 NB-IoT覆蓋等級

3.1 基站天線掛高與小區(qū)樓宇落差17m場景

基站與居民區(qū)信息:西水灣花園基站位于南京市浦口區(qū)西水灣花園小區(qū)西南,距離小區(qū)90m,主覆蓋西水灣花園小區(qū).基站天線掛高35m,小區(qū)總計7排樓宇,均為6F多層,基站天線與樓宇落差17m.

表1 西水灣花園小區(qū)內(nèi)部及小區(qū)外圍路測指標

根據(jù)路測指標可知,天線掛高與小區(qū)樓宇高度差17m時,小區(qū)內(nèi)道路NB-IoT信號覆蓋良好,RSRP均值-71.09dBm,SINR均值28.59dB.

圖2 西水灣花園小區(qū)室內(nèi)定點測試指標

根據(jù)室內(nèi)定點測試指標可知,天線掛高與小區(qū)樓宇高度差17m時,小區(qū)內(nèi)22棟多層樓宇NB-IoT信號覆蓋良好,RSRP均值-77.53dBm,SINR均值29.18dB.每隔一排樓,NB-IoT信號RSRP衰減2~8dB,SINR衰減2~3dB.

3.2 基站天線掛高與小區(qū)樓宇落差7m場景

基站與居民區(qū)信息:求雨山基站位于金珠花苑小區(qū)北面山坡,距離小區(qū)約110m,主覆蓋金珠花苑小區(qū).基站天線掛高25m,小區(qū)總計5排樓宇,均為6F多層,基站天線與樓宇落差7m.

表2 金珠花苑小區(qū)內(nèi)部及外圍路測指標

根據(jù)路測指標可知,天線掛高與小區(qū)樓宇高度差7m時,小區(qū)內(nèi)道路NB-IoT信號覆蓋良好,RSRP均值-76.81dBm,SINR均值27.91dB.

圖3 金珠花苑小區(qū)室內(nèi)定點測試指標

根據(jù)室內(nèi)定點測試指標可知,天線掛高與小區(qū)樓宇高度差7m時,小區(qū)內(nèi)12棟多層樓宇NB-IoT信號覆蓋良好,RSRP均值-81.90dB,SINR均值19.75dB.每隔一排樓,NB-IoT信號RSRP衰減2~12dB,SINR衰減2~7dB.

3.3 基站天線掛高低于小區(qū)樓宇場景

基站與居民區(qū)信息:鞏固基站位于亞東濱江馨園小區(qū)西南,距離小區(qū)約100m,主覆蓋亞東濱江馨園小區(qū).基站天線掛高35m,小區(qū)總計3排樓宇,均為33F高層,基站天線與樓宇落差-64m.

表3 亞東濱江馨園小區(qū)內(nèi)部及外圍路測指標

根據(jù)路測指標可知,天線掛高與小區(qū)樓宇高度差-64m時,小區(qū)內(nèi)道路NB-IoT信號覆蓋良好,RSRP均值-75.59dBm,SINR均值26.99dB.

圖4 亞東濱江馨園小區(qū)室內(nèi)定點測試指標

根據(jù)室內(nèi)定點測試指標可知,天線掛高與小區(qū)樓宇高度差-64m時,小區(qū)內(nèi)16棟高層樓宇NB-IoT信號覆蓋良好,RSRP均值-84.83dBm,SINR均值24.54dB.

每隔一排樓,NB-IoT信號RSRP衰減7~14dB,SINR第一排至第二排樓衰減2.75dB,第二排至第三排樓衰減11.07dB.

小區(qū)地下室整體覆蓋較弱,部分地下室脫網(wǎng).未脫網(wǎng)區(qū)域RSRP均值-109.58dBm,SINR均值7.27dB,下載速率在10.95 kbit/s,終端全部滿功率發(fā)射信號.

3.4 覆蓋能力評估小結(jié)

在3種典型場景下,NB-IoT信號覆蓋能力隨著基站天線與小區(qū)樓宇落差降低而減弱.室外環(huán)境下,天線掛高與小區(qū)樓宇高度差17m覆蓋最遠,CEL0極限覆蓋距離為1.4km,CEL1極限覆蓋距離為1.8km,CEL2極限覆蓋距離為3.3km;天線掛高與小區(qū)樓宇高度差-64m覆蓋最近,CEL0極限覆蓋距離為1.1km,CEL1極限覆蓋距離為1.5km,CEL2極限覆蓋距離為1.3km.

表4 天線掛高落差對室外信號覆蓋影響

室內(nèi)環(huán)境下,天線掛高與小區(qū)樓宇高度差17m覆蓋最遠,CEL0可覆蓋小區(qū)全部7排樓;天線掛高與小區(qū)樓宇高度差-64m覆蓋最近,CEL0可覆蓋小區(qū)2排樓,第3排樓部分平層RSRP處于CEL1,地下室RSRP在3個覆蓋等級均有取值,局部區(qū)域脫網(wǎng).

表5 天線掛高落差對室內(nèi)信號覆蓋影響

由上述測試結(jié)果可知,NB-IoT信號覆蓋能力隨著基站天線與小區(qū)樓宇高度差下降而降低,因此在未來規(guī)劃點選取時建議基站天線掛高比小區(qū)樓宇高10~20m,以提高覆蓋效果;同時,為了避免天線掛高超高導(dǎo)致信號越區(qū)覆蓋難以控制,建議基站天線掛高不超過50m.

4 基于NB-IoT的居民區(qū)業(yè)務(wù)選型

NB-IoT基站天線掛高與居民區(qū)樓宇落差17m、7m、-64m三種場景下,小區(qū)內(nèi)道路以及小區(qū)外圍道路信號覆蓋良好:RSRP均值介于-76.81dBm~-71.09dBm;SINR均值介于26.99dB~28.59dB;室外CEL0覆蓋距離約1.3km,CEL1覆蓋距離約1.7km.因此,適宜發(fā)展居民區(qū)路面基于NB-IoT的智慧停車、智慧路燈業(yè)務(wù)[3],建議業(yè)務(wù)發(fā)展區(qū)域與基站距離不超過1.7km.

三種場景下,小區(qū)樓宇平層信號覆蓋良好:RSRP均值介于-84.83dBm~-77.53dBm,SINR介于19.75~29.18dB.因此,適宜發(fā)展基于NB-IoT的樓宇消防監(jiān)控、智能抄表、智能家居業(yè)務(wù)[4].基站天線掛高與居民區(qū)樓宇落差17m、7m時,能覆蓋5~7排樓宇,天線掛高低于居民區(qū)樓宇時,能覆蓋3排樓宇.后續(xù)業(yè)務(wù)發(fā)展前,可在此經(jīng)驗值基礎(chǔ)上開展信號測試,提高規(guī)劃效率.

NB-IoT基站天線掛高與居民區(qū)樓宇落差17m、7m時,小區(qū)樓宇平層信號與室外信號相比,RSRP均值衰減5dB~7dB;當NB-IoT基站天線掛高與居民區(qū)樓宇落差-64m時,小區(qū)樓宇平層信號與室外信號相比,RSRP均值衰減19.24dB.進一步分析發(fā)現(xiàn),弱覆蓋區(qū)域集中在33F高層,小區(qū)內(nèi)7棟樓宇33F信號RSRP均值為-90.67dBm,信號最弱的33F平層RSRP僅為-112.42dBm.因此,后續(xù)發(fā)展高層居民小區(qū)NB-IoT業(yè)務(wù)時,需特別關(guān)注NB-IoT終端安裝位置,避免在高層平層部署.

NB-IoT室外基站對居民區(qū)地下室覆蓋較弱,地下室RSRP均值-109.58dBm,SINR均值7.27dB,甚至部分區(qū)域出現(xiàn)脫網(wǎng)現(xiàn)象.尤其需要關(guān)注的是,在NB-IoT室外基站信號覆蓋地下室場景下,終端每次做業(yè)務(wù)時均滿功率發(fā)射數(shù)據(jù),這會大幅增加終端耗電量,與NB-IoT低功耗的設(shè)計初衷相違背[5].因此不建議用NB-IoT室外基站覆蓋居民區(qū)地下室,如有業(yè)務(wù)需求,建議新建室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋.

5 結(jié)束語

NB-IoT憑借180kHZ帶寬增加的功率譜密度與特有的重傳機制,實現(xiàn)了信號最大路損比GPRS增強20dB,在廣覆蓋與深度覆蓋方面具有先天優(yōu)勢.隨著NB-IoT商用網(wǎng)絡(luò)的逐步規(guī)模部署,預(yù)計NB-IoT在未來幾年將迎來業(yè)務(wù)發(fā)展大爆發(fā).本文研究了NB-IoT基站天線掛高與居民區(qū)樓宇不同落差對NB-IoT覆蓋能力的影響.結(jié)果表明,基站天線掛高高于小區(qū)樓宇場景下,能滿足小區(qū)道路與平層覆蓋需求;基站天線掛高低于小區(qū)樓宇場景下,能滿足小區(qū)道路與中低層平層覆蓋需求;高層樓宇平層與居民區(qū)地下室無法僅靠室外宏站覆蓋,需進一步增加室內(nèi)分布系統(tǒng)補盲.

[1]盧斌.NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)覆蓋增強技術(shù)探討[J].移動通信,2016,40(19):55-59.

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[5]Adhikary A,Lin X,Wang Y P E.Performance evaluation of NB-IoT coverage[C].Vehicular Technology Conference(VTC-Fall),2016 IEEE 84th.IEEE,2016:1-5.

The Influence of NB-IoT base station antenna height on residential area signal coverage

Kun CHANG

(Nanjing branch of China Telecom Co.LTD,Nanjing,China)

This paper studies different NB-IoT base station antenna height's influence on residential area signal coverage.Under the condition of single sector activated,signal coverage capability of residential area's road,flat floor and basement has been tested.The result of test gives support to NB-IoT business development in residential area.

The Internet of things;NB-IoT;residential area;in-depth coverage

常昆,碩士,畢業(yè)于南京郵電大學,現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司南京分公司,主要研究方向為LTE無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵參數(shù)研究、NB-IoT典型業(yè)務(wù)建模.