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。摘要：本文主要闡述了中國聯(lián)通某分公司在某大學NB-IOT智慧消防用電安全項目具備“高密度、高頻次、高可靠”業(yè)務特征需求，結合NB-IOT網(wǎng)絡的特點，重點從容量、專網(wǎng)、錯峰機制、頻率組網(wǎng)、業(yè)務參數(shù)等“五個維度”應用分析，并在現(xiàn)網(wǎng)進行實踐，有效實現(xiàn)了該NB-IOT項目的“三高”特征需求。

關鍵詞：NB-IOT；容量計算；錯峰機制；VPN專網(wǎng)；異頻組網(wǎng)

一、概述

大學校園NB-IOT智慧消防項目的應用和實踐，該NB-IOT項目主要是基于NB-IOT微型斷路器實現(xiàn)學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”的典型應用場景。在實踐中，通過“小區(qū)擴容、VPN專網(wǎng)組網(wǎng)、上行錯峰、大話務參數(shù)實施、異頻插花組網(wǎng)”等多種手段，有效的解決項目實施過程中的諸多問題，實現(xiàn)接入成功率99%、實時在線率99%的組網(wǎng)目標。

二、NB項目業(yè)務特點及挑戰(zhàn)

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

“三高”特征如下：

● 高密度：0.07平方公里（200米×300米）范圍內安裝2650+臺NB設備；

● 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)控相關信息。

在調試過程中，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、無線側、組網(wǎng)結構、應用平臺等端到端進行全面分析，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)沖突重傳導致上行干擾抬升，進一步降低數(shù)據(jù)發(fā)送成功率；

● 終端頻繁發(fā)送心跳包，加大網(wǎng)絡負荷與并發(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關系：

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

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

按碰撞概率P=10%計算，每秒可接入次數(shù)：

G＝ln（1/（1-P）×競爭前導數(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周期可設置為640ms，保證各覆蓋等級用戶均有機會接入，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)覆蓋范圍內最大的設備數(shù)將達到800臺左右，小區(qū)的理論連接數(shù)滿足項目需求[1]。

（二）NB-IOT的休眠態(tài)

對時延不敏感是NB業(yè)務的一大特點，這樣的設計可以讓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)絡喚醒（即PSM終端只支持MO業(yè)務，不支持MT業(yè)務）。當網(wǎng)絡側有下行數(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。

大學智慧消防項目要求單位面積內高密度的終端實時在線，與NB網(wǎng)絡的PSM模式設計相矛盾，需另行解決[2]。

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

時延計算結果是商用參數(shù)理論值，未考慮應用層重傳、無線側重傳、上行干擾、端到端定時器配合等多方面因素，這些影響場景復雜無法具體量化，結合商用項目經(jīng)驗，理論計算基礎上考慮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)務包大小以及NB業(yè)務時延公式，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，導致RSSI迅速惡化。

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

三、NB項目業(yè)務解決方案

（一）載波擴容

結合現(xiàn)網(wǎng)基站分布，通過NB小區(qū)分裂、新建NB900站點進行業(yè)務分擔，以此滿足業(yè)務需求。具體方案：對原2個合并扇區(qū)進行扇區(qū)分裂；新建1個NB900站點，并擴容NB900多，某大學覆蓋區(qū)域內小區(qū)由9個提升到13個。

經(jīng)復測，小區(qū)覆蓋范圍內最大設備容量在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%資源利用率預估，單小區(qū)并發(fā)終端為4～5個，每個小區(qū)所有NB設備完成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)絡的負荷，導致設備連接成功率僅40%，實時在線率僅30%左右。

圖2VPN組網(wǎng)網(wǎng)絡結構示意圖經(jīng)與數(shù)通專業(yè)聯(lián)合討論，取消由NB終端心跳包實現(xiàn)“實時在線”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)務上報周期一致。

（三）上行錯峰設計，提升數(shù)據(jù)發(fā)送成功率

一個小區(qū)內，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)。終端按照設置的時間周期性上報數(shù)據(jù)，一般設定的基準時間為0點（需計算錯峰延時）。

錯峰計算方法：基礎時間+（表號后2位×錯峰系數(shù)+x）；其中基礎時間一般為0點，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，可通過后臺遠程調整。舉例：分組編號為“099”的表，錯峰系數(shù)為3（秒級），微調系數(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)，與實際測試情況相符[7]。圖3錯峰示意圖

實施錯峰機制后，小區(qū)的設備連接成功率由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）大話務參數(shù)實施，提升網(wǎng)絡容量

結合上文，單小區(qū)最大終端達到400個左右，若發(fā)生特殊情況導致上行擁塞時，易發(fā)生業(yè)務風暴，造成終端無法上線。

在無線側通過減少上行重發(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、加大前導傳送最大次數(shù)及終端反復接入失敗的懲罰時長，使得用戶接入離散化，減少業(yè)務風暴風險。參數(shù)實施后，小區(qū)的設備連接成功率由80%提升穩(wěn)定到92%左右。

（五）異頻插花組網(wǎng)，減少同頻干擾

調測階段，在實施無線參數(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)絡側統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)信號覆蓋等級“1”占比較高，達到60%左右。現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)NB網(wǎng)絡的重疊覆蓋及MOD3問題較LTE更加嚴重，現(xiàn)場受限于站點密度高（平均站間距100米左右）、與LTE網(wǎng)絡共天饋等因素，無法進行大幅度RF調整。

考慮到項目中的NB終端無移動性，嘗試在某大學區(qū)域進行NB1800異頻插花組網(wǎng)。方案實施后，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，設備連接成功率由92%提升到99%以上，實時在線率由80%左右提升并穩(wěn)定在99%以上。

（六）平臺升級精準定位離線

結合上文，NB智慧微型斷路器實時在線率穩(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，導致設備終端未上報數(shù)據(jù)，從而監(jiān)控應用平臺判定為離線。

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

四、總結

NB-IOT項目主要是基于NB-IOT微型斷路器實現(xiàn)學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”的典型應用場景，與傳統(tǒng)的NB-IOT“低時延、大連接高休眠”等業(yè)務特性相背道，導致存在“容量不足”、“數(shù)據(jù)并發(fā)沖突”、“網(wǎng)絡負荷高”、“小區(qū)間干擾強”、“終端離線率高”等問題。

我們采用NB-IOT“小區(qū)擴容、VPN專網(wǎng)、上行錯峰、大話務參數(shù)實施、異頻插花組網(wǎng)”、后續(xù)終端廠家應用平臺升級等方式，有效的解決本次“智慧用電”項目的“三高”特性出現(xiàn)的問題，項目區(qū)域內的NB-IOT接入成功率達到99%，設備終端時時在線率超過95%[8]。

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