葉鑫華 中國電信股份有限公司鷹潭分公司 鷹潭市 33500

王 榮 中國電信股份有限公司江西分公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)部 南昌市 330046

周 川 中國電信股份有限公司江西分公司無線網(wǎng)優(yōu)中心 南昌市 330046

張 雷 金 璇 中國電信股份有限公司江西分公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營支撐事業(yè)部 南昌市 330046

1 簡介

智慧路燈是指通過應(yīng)用先進(jìn)、高效、可靠的電力線載波通信技術(shù)和無線通信技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的遠(yuǎn)程集中控制與管理。與傳統(tǒng)的電力線載波通信方式相比，NB-IoT技術(shù)構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通信距離長、覆蓋范圍大，基于運(yùn)營商公網(wǎng)，穩(wěn)定性高；不需要集中網(wǎng)關(guān)，減少了通信故障點(diǎn)。在城市智慧照明中應(yīng)用NBIoT技術(shù)，可構(gòu)建更為穩(wěn)定的路燈物聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)能夠提高單燈控制的實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性。

智慧路燈作為NB-IOT網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要場(chǎng)景，從總體技術(shù)架構(gòu)上，可分為以下四方面：

（1）終端層

終端設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)載體，通過安裝智能控制器，可突破電力線載波通信受限于照明控制箱（箱變）的缺點(diǎn)，提高單燈控制的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和靈活性。通過手機(jī)APP，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一盞燈的開關(guān)及調(diào)光等節(jié)能控制

（2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的通訊基礎(chǔ)，NB-IoT具有覆蓋廣、功耗低、成本低、大連接等特點(diǎn)，其基于運(yùn)營商公網(wǎng)，不需要集中網(wǎng)關(guān)，具有更高的穩(wěn)定性。在城市智慧照明中應(yīng)用NB-IoT技術(shù)，可構(gòu)建更為穩(wěn)定的路燈物聯(lián)網(wǎng)，能夠提高單燈控制的可靠性和靈活性。

（3）平臺(tái)層

平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)，具備連接、數(shù)據(jù)管理及能力開放的能力，上層應(yīng)用無需關(guān)心終端設(shè)備具體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式。

（4）應(yīng)用層

對(duì)城市道路每盞燈實(shí)現(xiàn)全面的感知、智能的控制、廣泛的交互和深度的融合，在滿足正常照明需求的前提下，通過智能調(diào)光、降功率、按需開關(guān)燈等管理方式，減少過度照明，電能節(jié)約率可達(dá)30%～60%。

圖1 華為NB-IoT智慧路燈行業(yè)解決方案

一般要求智能路燈具備五遙的功能：遙測(cè)、遙訊、遙控、遙調(diào)和遙視。具體如下：

● 遙控：自動(dòng)或手動(dòng)遠(yuǎn)程控制路燈的開/關(guān)/調(diào)光，可依據(jù)路燈的用途、馬路類型分別配置不同的開、關(guān)、調(diào)光時(shí)間。

● 遙測(cè)：遠(yuǎn)程測(cè)量單個(gè)路燈的電氣參數(shù)，可使用手持式設(shè)備顯示或配置參數(shù)。

● 遙信：實(shí)時(shí)回傳或輪巡路燈設(shè)備的故障和自診斷信息，便于管理部門及時(shí)處理，偏離預(yù)定閾值及時(shí)報(bào)送告警信息。

● 遙調(diào)：可遠(yuǎn)程對(duì)路燈進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，可根據(jù)經(jīng)緯度、時(shí)間遠(yuǎn)程調(diào)光，實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)能；

● 遙視：可遠(yuǎn)程查看單個(gè)路燈的狀態(tài)，可定位故障并進(jìn)行電量采集。

除上述功能外，在實(shí)際的項(xiàng)目實(shí)施中，還可根據(jù)客戶需求在此基礎(chǔ)上，集成其他增值功能，例如智能廣播、環(huán)境監(jiān)測(cè)和信息交互等。

圖2 華為NB-IoT智慧路燈行業(yè)解決方案

按照路燈行業(yè)《CJJT 227-2014城市照明自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》的要求，智慧路燈的上線率與遙控正確率要高于99%，且單燈控制時(shí)延要求小于10s。NBIoT智能路燈的主要業(yè)務(wù)流程包括下行控制、上行控制以及路燈遠(yuǎn)程控制等，具體如下：

（1）下行控制：APP觸發(fā)開關(guān)燈命令，下發(fā)給平臺(tái)/核心網(wǎng)，核心網(wǎng)轉(zhuǎn)化為Paging命令下發(fā)給終端。

（2）上行控制：主要包括主動(dòng)數(shù)據(jù)上報(bào)和心跳上報(bào)兩大類，其中主動(dòng)數(shù)據(jù)上報(bào)包括上電注冊(cè)，上報(bào)電壓、異常告警等信息上報(bào)；心跳上報(bào)包括周期性心跳上報(bào)等。

（3）遠(yuǎn)程控制：主要應(yīng)用于重大等突發(fā)事件、領(lǐng)導(dǎo)視察、巡測(cè)等場(chǎng)景。為達(dá)到路燈的二次節(jié)能，需要對(duì)單燈進(jìn)行調(diào)光，開，關(guān)，以及單燈狀態(tài)的查詢，尤其是在突發(fā)事件，如重大事件，天氣惡劣等情況下需要從云端對(duì)路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；正常情況下是對(duì)路燈進(jìn)行批量操作，對(duì)于不同時(shí)的場(chǎng)景時(shí)延要求不同，如領(lǐng)導(dǎo)視察時(shí)延需要控制在1分鐘以內(nèi)，如正常使用時(shí)延可以在30分鐘之內(nèi)，如時(shí)延太長，可考慮提前下發(fā)指令，并不受時(shí)延的影響。此外，需要根據(jù)路燈類型進(jìn)行分組如公路燈、街道燈、飾燈、景觀燈、CBD、小區(qū)等，并采用工作日、節(jié)假日、重大活動(dòng)等不同的制定不同的控制模式。

根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，建議將重大事件保障、遠(yuǎn)程控制優(yōu)先、本地控制優(yōu)先定義為三種不同的業(yè)務(wù)配置。對(duì)于重大事件保障類，由于時(shí)延要求低，需要使用上行?；畹姆绞焦ぷ?，如電氣參數(shù)上報(bào)（心跳）周期可調(diào)節(jié)到90秒；對(duì)于遠(yuǎn)程控制優(yōu)先類，電氣參數(shù)上報(bào)（心跳）周期可調(diào)節(jié)為30分鐘；對(duì)于本地控制優(yōu)先類，電氣參數(shù)上報(bào)（心跳）周期可調(diào)節(jié)為1小時(shí)一次。

正常狀態(tài)的業(yè)務(wù)流程如下：

（1）應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)事先的分組，分組分批下發(fā)開/關(guān)/調(diào)光/查詢指令，對(duì)于執(zhí)行類指令，如開/關(guān)/調(diào)光。

（2）終端接收到指令后進(jìn)行指令執(zhí)行，路燈隨之開/關(guān)/調(diào)光。

（3）指令執(zhí)行完畢后上報(bào)路燈狀態(tài)到應(yīng)用服務(wù)器，刷新當(dāng)前路燈狀態(tài)。

異常狀態(tài)的業(yè)務(wù)流程如下：

（1）如果路燈狀態(tài)為離線，直接報(bào)異常；

（2）如果下行指令未收到終端響應(yīng)或下行失敗，則需要進(jìn)行重發(fā)，重發(fā)三次失敗后不再重發(fā)，應(yīng)用側(cè)不修改路燈狀態(tài)，但提示異常；

（3）應(yīng)用需要保證指令的時(shí)序性，該設(shè)備有前序指令未處理，判斷指令與前序指令是否一樣；如一樣則丟棄，如不一樣，則看緩存的指令里指令順序，只執(zhí)行最后一條指令即可；

（4）平臺(tái)、EPC、UE需要對(duì)重復(fù)的命令進(jìn)行過濾，避免不必要的重復(fù)的指令執(zhí)行。

具體業(yè)務(wù)流程圖如下：

2 關(guān)鍵業(yè)務(wù)模型設(shè)計(jì)

2.1 上電接入模型

若路燈上電時(shí)間不離散，當(dāng)大量路燈同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成一定沖擊。建議采取隨機(jī)數(shù)*離散間隔的方式，來區(qū)分不同路燈終端的接入時(shí)間，具體模型建議如下：

接入離散時(shí)間Ts：按照終端序號(hào)Mod（x），余數(shù)*Ymin

Mod（x）：終端上參數(shù)x設(shè)計(jì)為可配變量，NB下行12個(gè)子載波，考慮一定余量，建議為x=10

Ymin：終端上參數(shù)Y設(shè)計(jì)為可配變量，按照路燈行業(yè)感知要求，統(tǒng)一上電后30minAPP可監(jiān)測(cè)上線，建議按照Mod10分組后，Y設(shè)置為3min。

2.2 心跳間隔模型

路燈心跳的主要目的是?；顟?yīng)用層連接，屬于非必須功能，尤其考慮通信按連接收取資費(fèi)，客戶可能會(huì)減少甚至取消心跳；因此路燈心跳時(shí)間Tm參數(shù)設(shè)計(jì)為可配變量，當(dāng)前IoT平臺(tái)設(shè)定的應(yīng)用層老化時(shí)間一般為30min，建議設(shè)置為25min。如果心跳過于頻繁，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源、用戶資費(fèi)造成浪費(fèi)。

2.3 上行控制模型

路燈數(shù)據(jù)的上報(bào)分為兩大類：主動(dòng)上報(bào)，觸發(fā)型上報(bào)。其中主動(dòng)型包括定時(shí)路燈狀態(tài)上報(bào)，心跳上報(bào)用以鏈路?；?；觸發(fā)型上報(bào)為事件觸發(fā)弄的，如主動(dòng)查詢，遠(yuǎn)程控制等。

路燈的上報(bào)頻次會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)容量及下行控制時(shí)延，為減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的影響，建議路燈一個(gè)小時(shí)上報(bào)一次，如果狀態(tài)上報(bào)可以滿足鏈路?；?，則不需要心跳。由于不同的路燈管理處、路燈廠商、地方協(xié)會(huì)對(duì)上報(bào)周期的要求不一樣，對(duì)于路燈上行數(shù)據(jù)以及周期性上報(bào)數(shù)據(jù)，可隨心跳數(shù)據(jù)一同上報(bào)。

由于不同客戶的數(shù)據(jù)收費(fèi)方式不同，上行數(shù)據(jù)的上報(bào)模型可有所差異。對(duì)于一般場(chǎng)景，可參考以下模型：

?

2.4 下行控制模型

由于NB的窄帶特性，必須通過控制瞬時(shí)下行數(shù)據(jù)量，才能保證下行控制的及時(shí)性和有效性。下行控制的離散原則如下：

（1）并發(fā)量控制在每秒不超過1個(gè)；

（2）從服務(wù)器下發(fā)命令開始，以s為單位進(jìn)行分組離散控制

（3）路燈下行數(shù)據(jù)主要包括遠(yuǎn)程控制、配置更新、主動(dòng)查詢、軟件升級(jí)。具體如下：

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2.5 數(shù)據(jù)通信模型

原則：同一次通信多條數(shù)據(jù)合并一個(gè)報(bào)文上報(bào)，建議不超過200 Byte；非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)按每周通信一次，例如時(shí)鐘對(duì)時(shí)報(bào)文；一定程度實(shí)時(shí)要求的數(shù)據(jù)按每天通信一次，例如路燈異常上報(bào)。

2.6 重傳業(yè)務(wù)模型

平臺(tái)和終端需要保證單設(shè)備指令的時(shí)序性，即當(dāng)先下發(fā)開燈，再下發(fā)關(guān)燈時(shí)，路燈收到的指令也應(yīng)先為開，后為關(guān)。需要保證一組路燈的狀態(tài)，即一組路燈同時(shí)開時(shí)，不能有的路燈收到開的指令，有的路燈收到關(guān)的指令。

?

2.7 并發(fā)接入業(yè)務(wù)模型

根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)，終端入網(wǎng)、上報(bào)的離散化方式有如下幾種：

（1）按ID

一般路燈出廠時(shí)都有單燈標(biāo)識(shí)，每個(gè)路燈有自己的ID，路燈可以根據(jù)自身的ID，以ID為序號(hào)進(jìn)行順序入網(wǎng)和狀態(tài)上報(bào)，如公式為：上電時(shí)間+ID*錯(cuò)峰時(shí)間（建議1秒）

（2）隨機(jī)

每個(gè)路燈獲取隨機(jī)值，當(dāng)隨機(jī)值計(jì)算的時(shí)間到時(shí)，進(jìn)行入網(wǎng)或狀態(tài)上報(bào)，例如公式：上電時(shí)間+隨機(jī)值（不大于3秒）

2.8 終端異常等通信保護(hù)設(shè)計(jì)

異常場(chǎng)景包括：

（1）路燈終端異常的告警上報(bào)：路燈不亮或閃爍、路燈控制電路接線錯(cuò)誤等；

（2）路燈通信異常的反復(fù)重連：主要指路燈和基站、核心網(wǎng)、平臺(tái)、服務(wù)器等通信異常場(chǎng)景；

建議方案：對(duì)于異常場(chǎng)景需要增加上報(bào)或重連次數(shù)限制，告警上報(bào)建議一天上報(bào)一次，通信異常建議重試3次后停等5min再重試。

3 典型參數(shù)配置建議

3.1 終端側(cè)配置

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?

3.2 無線側(cè)配置

經(jīng)過智能路燈現(xiàn)場(chǎng)調(diào)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，無線側(cè)的參數(shù)配置建議如下表所示。主要包括三大類：第一類保證3GPP協(xié)議兼容開關(guān)根據(jù)對(duì)應(yīng)終端關(guān)系匹配打開，保證智能路燈可正常接入；第二類backoff開關(guān)，使得路燈接入隨機(jī)化，避免空口資源擁塞；第三類主要為定時(shí)器類優(yōu)化參數(shù)，保證接入性能最優(yōu)。

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3.3 核心網(wǎng)配置

智能路燈不涉及PSM和eDRX，對(duì)尋呼要求較高，建議開啟精準(zhǔn)尋呼方式。另外，由于智能路燈存在大規(guī)模并發(fā)業(yè)務(wù)，會(huì)對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)側(cè)產(chǎn)生信令和數(shù)傳沖擊，故需根據(jù)客戶方案具體采用不同的接入和傳輸控制。具體說明如下：

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3.4 應(yīng)用服務(wù)器配置

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4 業(yè)務(wù)端到端典型問題

N B的組網(wǎng)架構(gòu)涉及終端、無線、核心網(wǎng)、專網(wǎng)、平臺(tái)及應(yīng)用服務(wù)器等，而大量終端仍然沿用2G終端的業(yè)務(wù)模型， NB-IoT終端側(cè)的問題較為突出。

4.1 【芯片】終端接入底噪抬升顯著分析

4.1.1 問題：在測(cè)試底噪問題時(shí)發(fā)現(xiàn)終端以滿功率發(fā)射是造成底噪抬升的重要因素，需對(duì)此問題進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1.2 分析：從芯片日志可以看到，芯片在覆蓋等級(jí)0接入時(shí)，最低發(fā)送功率-7db大于協(xié)議規(guī)定的-40dbm,對(duì)鄰區(qū)干擾也有影響。

（1）終端初始接入時(shí)未選擇最好信號(hào)小區(qū)接入，從信號(hào)較差小區(qū)接入導(dǎo)致終端接入覆蓋等級(jí)1/2，終端滿功率發(fā)射導(dǎo)致底噪抬升。(當(dāng)前終端選擇覆蓋等級(jí)時(shí)，除了考慮R S R P還考慮S I N R，-3

從現(xiàn)網(wǎng)復(fù)測(cè)log可以看到，終端初始接入pci 7，從覆蓋等級(jí)1接入，對(duì)應(yīng)SINR平均4.8左右。相同地點(diǎn)終端重新測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)終端接入pci 222小區(qū)，覆蓋等級(jí)0接入，對(duì)應(yīng)SINR14.3左右。

（2）終端從覆蓋等級(jí)0接入失敗，嘗試從覆蓋等級(jí)1/2接入。

協(xié)議規(guī)定當(dāng)終端從覆蓋等級(jí)0接入時(shí)，如果連續(xù)嘗試次數(shù)達(dá)到最大嘗試次數(shù)時(shí)就會(huì)嘗試從更高一級(jí)覆蓋等級(jí)接入。測(cè)試數(shù)據(jù)分析，終端初始從覆蓋等級(jí)0接入（LL1_RACH_SELECTED_BY_MEASUREMENT），失敗后嘗試從覆蓋等級(jí)1/2接入（LL1_RACH_ECL_SELECTED_NEXT_COVERAGE_LEVEL）

鄰區(qū)干擾會(huì)導(dǎo)致SINR值的降低，而芯片協(xié)議規(guī)定只要SINR值小于7，依據(jù)RSRP值，覆蓋等級(jí)只能為1、2 ，而在覆蓋等級(jí)1、2下，UE會(huì)滿功率進(jìn)行發(fā)射。從燈桿信號(hào)的摸查以及提取的終端日志來看，能檢測(cè)到多個(gè)PCI，且rsrp強(qiáng)度在-60～70的情況下，SNR值波動(dòng)較大，最低可以達(dá)到負(fù)十幾。

4.1.3 解決方案：由于3gpp協(xié)議缺陷，需要推動(dòng)3gpp協(xié)議完善。

4.2 【終端】控制時(shí)延高分析

4.2.1 問題：通過路燈APP對(duì)單燈進(jìn)行控制時(shí)，發(fā)現(xiàn)控制時(shí)延較大，平均在20s以上。

4.2.2 分析：UE側(cè)打開了eDRX，所以UE會(huì)在hfn:970，sfn:256到hfn:971，sfn:256這段時(shí)間內(nèi)接收paging，但是在基站側(cè)卻在hfn:971，sfn:449這個(gè)點(diǎn)上給UE發(fā)射paging。核查參數(shù)發(fā)現(xiàn)核心網(wǎng)側(cè)打開了eDRX，基站側(cè)未打開eDRX，配置不一致，導(dǎo)致Paging幀不對(duì)齊丟失。

4.2.3 解決方案：終端eDRX默認(rèn)開啟、核心網(wǎng)開啟eDRX、基站關(guān)閉eDRX，基站未開啟edrx導(dǎo)致終端和核心網(wǎng)時(shí)間不能對(duì)齊，開啟基站eDRX后問題解決。由于路燈不需要節(jié)電，后期需要在終端開卡的時(shí)候把EDRX功能關(guān)掉。

4.3 【終端】控?zé)舫晒β实头治?/h3>

4.3.1 問題：通過路燈APP對(duì)路燈單燈進(jìn)行控制時(shí)，發(fā)現(xiàn)控制成功率較低，一直在70%以下。

4.3.2 分析：從終端日志可以看到，UE側(cè)接收到paging后無法正常接入，UE日志體現(xiàn)在RACH時(shí)，RAR超時(shí)，超時(shí)原因是未收到基站的RAR調(diào)度信息，如下圖所示。

批量控?zé)魰r(shí)CC2用戶將基站底噪抬高，使CC1用戶部分接入不了，而接入不了的CC1用戶會(huì)不斷復(fù)位嘗試接入，這樣會(huì)進(jìn)一步抬升基站底噪，從而使CC0用戶完全無法接入；現(xiàn)網(wǎng)表現(xiàn)就是批量控?zé)舫晒β实紫隆?/p>

4.3.3 解決方案：路燈當(dāng)前的批量控制方案是每0.5秒下發(fā)一組10條指令，建議修改為1秒1條指令以后，路燈的控制成功率提升到95%以上。

4.4 【無線】上下行資源利用率分析

4.4.1 問題：和平路路段路燈上線率只有20%，對(duì)燕子超市7號(hào)小區(qū)的話統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，終端行為趨于規(guī)律性，在每天固定的時(shí)間集中做業(yè)務(wù)。相應(yīng)的上下行子載波利用率占有率高，下行最高93%，上行最高62%，而最大成功接入用戶數(shù)不超過50。如下圖所示：

4.4.2 分析：取燕子超市7小區(qū)CELLDT數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)PDSCH資源調(diào)度出現(xiàn)大量因資源分配失敗(錯(cuò)誤碼41118,PDCCH資源調(diào)度失敗)而導(dǎo)致PDSCH分配失敗。結(jié)合終端話務(wù)模型，終端上電時(shí)初始集中接入。接入后，每10s一個(gè)心跳包，因此懷疑集中接入時(shí)導(dǎo)致資源擁塞，如下圖所示：

4.4.3 解決方案：各終端錯(cuò)峰5s接入、UE不活動(dòng)定時(shí)器修改為120s減少單位時(shí)間內(nèi)終端接入數(shù)。終端心跳周期由10s修改為90s(略小于平臺(tái)路由老化定時(shí)器120s,避免路由不可達(dá))、減少上行資源占用。

5 結(jié)束語

智慧路燈是中國智慧城市建設(shè)中的重要組成部分，也是NB-IoT網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要場(chǎng)景，江西電信以智慧路燈為切入點(diǎn)率先做了卓有成效的創(chuàng)新實(shí)踐，提出了整體解決方案并通過現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了應(yīng)用的效果，可為電信運(yùn)營商開展相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)及智慧城市建設(shè)提供有意義的參考和指引。