陳 海，許紹松，陳 鋒，許國平（.中國聯(lián)通福建分公司，福建福州35000；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司，北京00033）

1 概述

NB-IoT又稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有工作在授權(quán)頻點、蜂窩網(wǎng)、深度覆蓋、超低成本、超低功耗、海量連接等優(yōu)勢，主要應(yīng)用于對時延、移動性要求不高的小包物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

2016年底，福州承接了全球規(guī)模最大的智慧水務(wù)商用項目，首批部署30萬臺集成了NB-IoT技術(shù)的智能水表，當?shù)卣苿尤筮\營商共同承接，福州聯(lián)通對NB-IoT的組網(wǎng)方案、問題診斷方法以及行業(yè)應(yīng)用等方面進行了深入的研究，取得了一系列具有重要參考價值的結(jié)論。

2 NB-IoT組網(wǎng)策略

2.1 NB-IoT覆蓋預(yù)測

2.1.1 理論計算

首批水表部署在福州市區(qū)，福州聯(lián)通城區(qū)LTE網(wǎng)從MR測量、城區(qū)測評及用戶口碑來看覆蓋良好。NB-IoT具有覆蓋增強技術(shù)，從成本及覆蓋上考慮，采取與現(xiàn)網(wǎng)3G/4G共站部署。

移動網(wǎng)覆蓋受限于上行，子載波帶寬從LTE的180 kHz，下降到上行15 kHz、3.75 kHz，根據(jù)信號強度設(shè)立了3個覆蓋等級，不同覆蓋等級采用2～16次不同的重復(fù)發(fā)送次數(shù)，這2項技術(shù)使NB-IoT上行比LTE增強了20 dB。

表1給出了NB-IoT的鏈路預(yù)算（PDSCH信道）。

表1 NB-IoT鏈路預(yù)算結(jié)果

上下行路損相當，約164 dB，考慮到實際網(wǎng)絡(luò)有干擾，接收機靈敏度弱些，一般取下行電平大于-110 dBm作為覆蓋的標準。

2.1.2 仿真結(jié)果

相比L1800（即部署在1 800 MHz頻段上的LTE基站），NB1800水表上行增強20 dB，NB900水表增強26 dB。采用NB1800有4種方案可選，對應(yīng)不同的基站部署密度，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同方案仿真結(jié)果

其中方案3整體效果良好且較經(jīng)濟，擬以方案3為基礎(chǔ)進行部署。方案3整體仿真結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，局部區(qū)域存在弱覆蓋問題，需要補充建設(shè)部分基站。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 拉遠測試

福州倉山浦上大橋移動燈桿（NB1800網(wǎng)絡(luò)，站高20 m），選取NB邊緣站點進行驗證測試，通過多輪測試，結(jié)論如下：

圖1 方案3仿真結(jié)果

a）當RSRP在-126.1 dBm，SINR在-5.3 dB的時候，業(yè)務(wù)發(fā)包失敗。

b）當RSRP在-134.3 dBm，SINR在-9.2 dB的時候，終端脫網(wǎng)。

測試結(jié)果已經(jīng)達到理論值。直線拉距環(huán)境：實際覆蓋能力超過拉距情況（4 km）。

2.2.2 小區(qū)損耗測試

選取福州倉山建新劉宅燈桿NB站點，對倉山區(qū)金輝天鵝湖高層住宅小區(qū)內(nèi)的水表箱內(nèi)外信號覆蓋進行驗證測試。

在距離基站300 m、400 m、500 m的樓宇位置，分別在低層、中高層、高層水表箱內(nèi)外進行測試，從測試結(jié)果情況分析，NB信號整體覆蓋較好，可滿足業(yè)務(wù)要求，也驗證了仿真方案。

NB測試設(shè)備在水表箱內(nèi)相比水表箱外，信號大概衰減10 dB左右，在NB仿真時，相對于LTE仿真增加了10 dB的損耗，與此次測試結(jié)果大致吻合。

2.3 組網(wǎng)策略

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)資源分布概況

分析中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，市區(qū)LTE基站中L1800數(shù)量占比超過73%，依托L1800網(wǎng)絡(luò)打造物聯(lián)網(wǎng)，可以有效節(jié)省投資。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)部署思路

持續(xù)推進NB1800模組應(yīng)用，結(jié)合L1800網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況，通過軟件功能開通及少量擴容基帶板件資源，快速部署NB1800。

初期在頻率資源充足情況下，采用Stand-alone方式部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)；中期4G負荷上升，NB-IoT頻點需要擴容時，采用Guard Band方式部署；后期則可以通過In-Band方式來實現(xiàn)部署。

特殊區(qū)域：只支持900業(yè)務(wù)的在固定區(qū)域內(nèi)建設(shè)NB900覆蓋。

組網(wǎng)整體上采取NB1800與LTE 1∶2站址來布局，針對智慧水表業(yè)務(wù)覆蓋不足區(qū)域，可以加密NB1800站點、用NB900方案、小型射燈天線及應(yīng)急手機伴侶等增強信號方案多樣化快速部署。

2.3 .3組網(wǎng)頻率方案

整體上采用900 MHz與1 800 MHz頻段混合組網(wǎng)方案。

福州全網(wǎng)清頻G900的6 MHz帶寬，NB-IoT采用123、124頻點中間的0.2 MHz，與L900間隔300 kHz，采用Stand-alone網(wǎng)模式。

1 800 MHz頻段中國聯(lián)通共30 MHz頻率，雙載波20 MHz+10 MHz，NB1800可設(shè)在其中一個載波的Guard Band保護帶，如圖2所示。

圖2 Guard Band部署方式（LTE 10 MHz及以上帶寬）

3 NB-IoT在行業(yè)應(yīng)用中的挑戰(zhàn)及解決方案

3.1 NB-IoT在行業(yè)應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

在實際的應(yīng)用中，NB-IoT還存在一些挑戰(zhàn)。以智慧水務(wù)項目為例來分析，主要存在如下挑戰(zhàn)。

a）無線環(huán)境差：水表面臨的環(huán)境惡劣，有的安裝在地下室1層和2層，建筑物大樓主表多埋在地下、高檔小區(qū)鐵門、樓梯通道窗戶下，有的水表集中安裝在箱體內(nèi)，鏈路損耗大。

b）電池壽命：若覆蓋等級差，重復(fù)發(fā)送，難以進入休眠，耗電加大，增加成本。

c）后臺信號監(jiān)控缺乏：為了節(jié)電，提高電池壽命，物聯(lián)網(wǎng)終端沒有傳統(tǒng)移動網(wǎng)的MR測量報告，R16以前版本也沒有定位功能，從后臺網(wǎng)管無法獲取到NBIoT水表終端的信號測量。

d）漏報問題難定位：物聯(lián)網(wǎng)是海量連接的，一個居民小區(qū)水表多達上千戶，如果發(fā)生水表漏報，有可能網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足或故障，也有可能是水表終端個案問題，難以定界，均安排現(xiàn)場測試核實工作量極大。

e）業(yè)務(wù)風暴：當前NB每個小區(qū)具有成千上萬終端，NB每小區(qū)5萬大連接的前提是絕大多數(shù)終端處于睡眠狀態(tài)。NB-IoT 1個載波180 kHz，同時只支持12個子載波用戶，若終端同時蘇醒將形成業(yè)務(wù)風暴。

f）終端接收能力弱：在某住宅小區(qū)進行同時同位置對比測試，發(fā)現(xiàn)水表設(shè)備的接收能力比NB測試終端弱12 dB左右。

3.2 建議方案

3.2.1 異網(wǎng)測量參照

NB與WCDMA與LTE共站，LTE網(wǎng)有功能強大的MR測量報告，加上手機上報GPS或通過算法估算位置，可以精確地得出終端覆蓋，可根據(jù)WCDMA的U900、U2100與L1800覆蓋能力來推算NB覆蓋能力。異網(wǎng)柵格MR測量如下：柵格MR是精度50 m×50 m，通過三角定位模型定位，可采用所有用戶測量數(shù)據(jù)（見圖3）。

圖3 異網(wǎng)柵格MR測量參照示意圖

N900和L1800覆蓋對比如下。

a）理論值差異。現(xiàn)網(wǎng)NB900參考信號功率為32.2 dBm；LTE1800參考信號功率為15.2 dBm。另外，由于頻率差異，N900比L1800的路損低6 dB。因此得到N900/N1800與異網(wǎng)L1800參考信號功率理論差異為N900比L1800高：32.2-15.2+6=23 dB。

b）測試值差異。對N900和L1800 50個測試點進行實際測試，對比測試結(jié)果；整體差值保持平穩(wěn)，約為22 dB，即N900 RSRP比L1800 RSRP高約22 dB（見圖4）。

實測與理論差異值很接近，可以用LTE MR柵格仿真做參照推測NB的信號。

圖4 NB900與L1800 RSRP實測對比圖

3.2.2 最小化路測參照

異網(wǎng)柵格MR測量雖然較準確，但位置信息不夠準確?？梢钥紤]引入最小化路測（MDT）技術(shù)對覆蓋進行精確定位。MDT原理如下：3G和4G網(wǎng)絡(luò)中打開AGPS或MDT功能，手機上報給系統(tǒng)測量報告MR，MR數(shù)據(jù)中包含位置信息數(shù)據(jù)。

MDT可以大幅降低測試工作量，節(jié)約測試成本。若2網(wǎng)站址密度不同，可以取某個小區(qū)MDT做參照。

通過異網(wǎng)測量參照和最小化路測參照可以快速定位無線環(huán)境差問題，從而加以優(yōu)化補點，改善NB信號覆蓋，延長電池壽命。

3.2.3 問題用戶畫像

通過后臺跟蹤用戶，目前智能水表與智能路燈項目中的水表與路燈均屬于固定位置的終端，對固定終端可以一次性跟蹤，建立終端信號檔案，從而快速定位漏報問題。多平臺信息聯(lián)動具體如下。

a）水表應(yīng)用平臺：提供終端地址信息、終端編號、終端NB模組的SIM卡號對應(yīng)表。

b）運營商NB-IoT平臺：通過NB Jasper平臺，可查詢SIM卡狀態(tài)、是否在線以及流量計費情況。

c）基站網(wǎng)絡(luò)：通過分析，明確該SIM卡模塊的信號覆蓋、所在基站小區(qū)。從而建立水表終端的地址、電平、正常流量等信息。

通過問題用戶畫像，可解決后臺信號監(jiān)控缺乏、漏報問題難定位問題。

3.2.4 業(yè)務(wù)風暴問題

NB-IoT水表數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型如下：若水表數(shù)據(jù)無法發(fā)送到應(yīng)用服務(wù)器，收不到應(yīng)用服務(wù)器的響應(yīng)消息，2 min后再次發(fā)送，會重復(fù)發(fā)4次，4次之后會自動重啟，發(fā)送、重啟過程持續(xù)3次后，終端即轉(zhuǎn)入休眠。

在此異常場景下，大量用戶在短時間內(nèi)不斷嘗試接入，會觸發(fā)大量NB終端集中接入，大量消耗基站的PDCCH資源引起資源受限，進而使用戶接入失敗。

a）減少重復(fù)傳送。為解決PDCCH資源不足問題，可修改基站資源配置，減少重傳次數(shù)（見表3）。

表3 參數(shù)優(yōu)化減少重復(fù)傳送次數(shù)

為防止信令風暴，在覆蓋等級好時，大幅降低PDCCH初始傳輸重復(fù)次數(shù)，并且設(shè)置差異化周期，信號好時周期小，用戶容量更大。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，業(yè)務(wù)風暴問題得到解決，為后期物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用積累優(yōu)化經(jīng)驗。

b）分時上報策略。NB小區(qū)有成千上萬終端，大連接的前提是絕大多數(shù)終端屬于睡眠狀態(tài)。NB基站每小區(qū)單載波200 kHz，最大12個子載波，即最大支持同時接入用戶數(shù)12個。如果終端同時蘇醒，終端為了保證接入就會重復(fù)發(fā)送并按照最大功率發(fā)射，迅速抬升基站底噪形成惡性循環(huán)，這樣業(yè)務(wù)風暴無法避免，上述減少重復(fù)傳送次數(shù)的參數(shù)調(diào)整也杯水車薪，而分時上報策略可以解決該問題。例如福州NB智慧水務(wù)項目規(guī)劃100萬臺NB水表終端，中國聯(lián)通預(yù)計份額30萬臺，水表每天上報一次數(shù)據(jù)，上報時間02：00—08：00。全網(wǎng)設(shè)置水表錯峰分時上報策略如下：水表編號每遞增1，上報時間點相隔1 s，上報時間 6 h，共6×3 600＝21 600 s，30萬臺/21 600 s=14 臺/s，即全網(wǎng)每秒只有14臺NB終端同時上報，網(wǎng)絡(luò)能力十分富余。

3.2.5 網(wǎng)業(yè)聯(lián)動服務(wù)支撐

NB-IoT架構(gòu)如圖5所示。

圖5 NB-IoT組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

相比傳統(tǒng)移動網(wǎng)，行業(yè)終端與IoT模塊種類極為豐富，對網(wǎng)絡(luò)需求差異大；并增加了物聯(lián)網(wǎng)平臺與應(yīng)用平臺。涉及需求發(fā)現(xiàn)、方案制定、工程實施、運營保障多個環(huán)節(jié)，需多個專業(yè)協(xié)調(diào)合作，專業(yè)間協(xié)同合作難度大。

需建立跨產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)建、網(wǎng)優(yōu)、運維多專業(yè)的服務(wù)支撐團隊，形成后端專業(yè)支撐前端專業(yè)，前端專業(yè)支撐業(yè)務(wù)發(fā)展的機制。團隊內(nèi)部“前項”支撐，售前、售中、售后聯(lián)合面向客戶需求，售中、售后提前介入需求發(fā)現(xiàn)、方案制定、業(yè)務(wù)開通環(huán)節(jié)。例如針對終端接收能力弱問題，可快速界定責任方，協(xié)同解決。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)連接成為運營商切入垂直行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵點，不同速率時延的物聯(lián)網(wǎng)需求對制式要求也不同。福州首個智慧水務(wù)項目組網(wǎng)部署也為低功耗廣域網(wǎng)的眾多應(yīng)用積累經(jīng)驗。