摘 要：在政策、产业和产业链等推动下，蜂窝物联网正在快速发展。针对某运营商规划建设物联网试点项目，在科学规划基站站址的基础上，以业务需求为导向，通过无线网络仿真软件的模拟计算，预测规划站点建成后的网络信号覆盖情况，从而按需灵活部署建设蜂窝NB-IoT室外宏基站，实现NB-IoT室外连续覆盖。文章对此进行了分析和讨论。
关键词：蜂窝物联网;NB-IoT;仿真
中图分类号：TN929.5;TP391.44 文献标识码：A 文章编号：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
作者单位在全国范围内开展信息化领域的专业服务业务，在广东设立了当地的分支机构，承接广东某些地市（广州、深圳等）的运营商业务，通常分为规划、可研、咨询、设计等类型。深圳某运营商近期准备在市区某一区域内建设物联网试点项目，应用场景为城中村的智慧消防业务。为此，作者展开以NB-IoT室外宏基站覆盖为目标的研究。NB-IoT领域，前人已有一定的理论研究基础，比如毛勇平、陈剑峰在市区内针对NB-IoT物联网传播模型的研究等。作者利用项目过程中获取的实际场景的数据，结合前人的方法，调整属于本项目的传播模型，预期在目标区域NB-IoT能达到理想的覆盖效果。文章能够对通信行业内参与规模化搭建NB-IoT网络的读者，具有一定的指导作用。
1 概述
2009年起，物联网被列为国家七大新兴产业之一。近年来，政府在规划可研、频率许可、码号资源等方面，大力推动物联网发展。比如提出加速通信网络基础设施的升级、推进物联网传感设施的规划布局、推动低功耗广域网技术的商业化部署等。预测未来2至5年，物联网用户将会呈现快速增长的态势。
蜂窝物联网通常分为NB-IoT（Narrow Band Internet ofThings，窄带物联网）和eMTC（Enhanced Machine Type co-mmunication，增强型机器通信）两种，NB-IoT是独立制式的无线网络，eMTC是LTE-FDD的一项功能。NB-IoT和eMTC技术能力各有优势，具有业务互补性。NB-IoT具有优越的覆盖能力，通常适用于用户速率低、无语音、覆盖要求高的场景;NB-IoT是3GPP技术，标准化程度高、互通性好、产业链完善;使用授权频段，可提供电信级的物联网业务，授权频段为800、900 MHz，峰值速率可达上行140 kbps/下行125 kbps。eMTC用户速率和移动性占优，可以支持更广泛的终端类型，通常适用于有实时性要求和语音需求的场景。
目前物联网行业仍处于发展的培育期，超半数的企业物联网项目仅有不到500个连接。随着5G商用及成熟，3～5年后将会进入智能应用为主的阶段。在此背景下，我们针对某运营商积极规划建设NB-IoT试点网络，探索NB-IoT业务的发展路径。
2 业务需求分析
该运营商在拓展物联网业务时所面临的处境，可概括为“站址资源丰富，网络建设维护能力强;业务基础薄弱，模式方向仍需探索”。
深圳全市流动人口众多，在部分易燃易爆场所、商超市场等人员密集场所、高层建筑、“三小”场所、城中村、群租房等重点区域仍存在安全隐患。例如“三小”场所存在违规住人、消防通道堵塞、违规使用彩钢板分隔等安全问题，防不胜防;部分企业用电安全管理及危险化学品生产、经营、储存和使用过程也存在安全风险;部分建筑工地及临时工棚防火措施不足;部分区域供电线路存在安全隐患，电气火灾事故时有发生。该运营商规划在重点区域推进智慧消防整体解决方案，实现辖区内城中村消防安全隐患全天候实时监管，提高消防安全管理工作效率，减少人力成本投入。
对于城市而言，消防安全是安全保障的基本组成部分之一，其智能化的程度影响整座城市的智慧化水平。如何用现代化手段让消防获得“智慧”，为社会提供安全、高效、便捷的智慧化消防服务，是目前智慧消防建设的重点。
智慧消防首先以通信网络为基础，运用云计算、物联网等技术，提供给人们舒适、便捷、安全的智慧化生活环境。在智慧消防整体系统中，运用视频监控系统延伸搭建为物联网平台，结合消防设备传感器终端，可连接消防基础数据采集设备、云平台、显示终端、物联网云平台，为现代化的消防工作管理、智慧化的大数据应用提供基础设施解决方案。智慧消防业务流程如图1所示;智慧消防业务需求如表1所示。
3 网络建设目标和原则
为满足深圳业务发展趋势，确定不同场景下的网络建设目标，如覆盖目标：广覆盖业务的有效覆盖率达95%、深度覆盖业务的有效覆盖率达98%，如表2所示。
建设的原则如下：
（1）以业务需求为导向，按需灵活部署，分场景实现不同层次的网络覆盖。通过连续覆盖、局部深度覆盖、连续覆盖+局部深度覆盖等不同的方式，形成不同的网络覆盖能力。
（2）重视网络结构及布局合理性，考虑各种场景下无线传播特性的差异，利用仿真手段验证方案的合理性。
（3）NB-IoT基站在城市区域应距铁路沿线1 km以上，郊区或农村地区距铁路沿线3 km以上。
（4）合理选择基站站址，合理设置天线的方位角、下倾角和挂高等。
（5）合理调整切换区域，合理进行导频规划。
物联网应用的业务平台建设思路如下：
（1）统一管理。对烟雾传感器、电气火灾传感器等各类传感设备的数量，以及网络运行状况、部署记录、预警记录等功能统一管理，清晰明白。
（2）实时监控。各类传感设备全天候不间断联网监控，物联网云端平台对设备联网状态、预警数据等一系列指标进行实时监控，确保预警的及时高效。
（3）设备定位。结合地理信息系统，进行数据可视化展示，做到能够区分室内、室外的精准安全隐患定位，实现对设备位置与状态的有效监控。
（4）视频联动。当平台接收到火灾报警信息后，相关责任人员可以在第一时间查看报警点的视频信息，迅速掌握火灾地点的真实情况。
（5）APP摄像机管理。具备摄像机管理列表，预警事件时视频联动展示，APP端增加摄像机的管理列表，检索和查看摄像机的基本信息和实时视频的功能;预警事件对应的记录中，会自动截取事件发生前后各15秒的视频片段，并支持播放。
（6）实时预警。一旦发现监测数据超过风险预警阈值，会以平台预警、手机短信预警、电话语音预警的方式向相关责任人员实时预警。
（7）数据报表分析。数据查询与数据分析，数据可进行波段图、饼状图等多种展示，数据周期变化一目了然。
（8）APP辅助管理。移动端APP可进行地图监控、预警记录、点位部署等功能操作，辅助PC端平台进行数据的快捷管理与展示。
4 无线网建设方案
4.1 组网方案
除深圳之外，该运营商在其他多个城市也在同步进行试点项目，网络组网结构如图2所示。
4.2 载频配置
深圳试点项目按照27个S111室外宏基站、3个S222室外宏基站进行目标网规划。S111基站上下行中心频点分别设置为823.7 MHz/868.7 MHz，S222基站上下行中心频点分别设置为823.5 MHz/868.5 MHz、823.7 MHz/868.7 MHz。
4.3 选址原则
基站的选址原则如下：
（1）基站的选址必须符合国家强制性规范，应尽量选择交通便利、用电便利的地点，应尽量避免设置在雷电多发区和洪水区。
（2）应尽量远离易燃易爆场所，以及排放有毒气体、烟雾、粉尘或其他有害物质的工厂。
（3）应充分考虑基站与其他系统之间的干扰因素，避免雷达站、大功率电台、高频炉、高压电站及其他移动通信系统产生干扰。
（4）应避免站址过高造成越区覆盖或站址过低造成覆盖空洞。
（5）应与城市空间规划相结合，同时争取政府支持，比如与环保局等有关部门协调一些较难获取的站址。
按照无线传播环境，本次深圳覆盖区域属于密集城区，即该区域内建筑物的平均高度或密度明显高于城市内周边建筑，地形较为平坦，且中高层的建筑通常较多。同时，考虑到设备厂商之间差异较大的参数主要体现在解调门限、基站噪声系数、接收机灵敏度、切换增益以及干扰余量等，参照该运营商集团总部的指导意见，该试点项目链路预算及站距核算的相关参数取定如表3和表4所示。
该试点项目链路预算，密集城区小区的覆盖半径为0.540 km。最终覆盖面积57.5 km2、平均站间距0.974 km。
4.4 系统间干扰分析
NB-IoT系统与其他系统非共址建设时，两个系统的基站天线，应确保距离大于50.0 m;应避免天线正对，确保天线下倾角（包括电子下倾角和机械下倾角）至少6°。
NB-IoT系统与其他系统共址建设时，规避干扰的方案：
（1）NB-IoT系统与GSM系统的相邻频点之间，应预留至少200 kHz（距离GSM的TCH频点）/300 kHz（距离GSM的BCCH频点）作为频率保护间隔。
（2）如发现GSM黑直放站（通常由不法分子违规建设）对NB-IoT系统产生干扰，应积极协调相关管理部门，拆除违规建设的黑直放站。如无法拆除，应在NB-IoT接收机上安装带通滤波器以降低干扰。
（3）如发现NB-IoT系统对TD-LTE（F频段）有二次谐波干扰，应确保NB-IoT系统天线的二次谐波抑制能力不低于-133 dBc。
（4）当NB-IoT系统与LTE FDD（900 MHz频段）系统一起建设时，如能确保LTE FDD系统的工作带宽至少有5 MHz，则不需要在两个系统之间设置频率保护间隔。
（5）基站的天线之间，应确保水平或垂直方向上的空间隔离，建议采用建设方案：1）NB-IoT与DCS一起建设，天线安装方向相同时，应确保水平隔离距离至少0.8 m，垂直隔离距离至少0.3 m。2）NB-IoT与WCDMA、TD-SCDMA（A频段）、TD-LTE（F频段）、TD-LTE（D频段）、LTE FDD（1 800 MHz频段）、LTE FDD（2 100 MHz频段）一起建设，天线安装方向相同时，应确保水平隔离距离至少0.5 m，垂直隔离距离至少0.2 m。3）NB-IoT与CDMA 1X（800 MHz频段）、LTE FDD（800 MHz频段）一起建设，天线安装方向相同时，应优先采用垂直隔离方式，确保垂直隔离距离至少1.5 m。当垂直隔离无法实现时，应在CDMA 1X、LTE FDD基站设备上安装阻塞抑制滤波器。4）NB-IoT与CDMA2000（2 000 MHz频段）一起建设，天线安装方向相同时，应优先采用垂直隔离方式，确保垂直隔离距离至少0.8 m。当垂直隔离无法实现时，应在CDMA2000基站设备上安装阻塞抑制滤波器。
4.5 覆盖仿真
在深圳市三维地图（20 m精度）和预测的业务量分布基础上，对本期工程基站设置方案进行仿真分析。根据地理、建筑物分布情况，利用仿真软件（Atoll v3.4），预测本期网络建设后的覆盖效果。
仿真关键参数配置：天线功率：5 W;小区下行总功率：37 W;选用双极化天线：65° 17 dBi 0Tilt 700/800 MHz;小区上行负荷：50%;小区下行负荷：50%;基站噪声系数：3 dB;终端噪声系数：6 dB;建筑物穿透损耗：20/18 dB;阴影衰落：考虑阴影衰落的影响，方差为11.7/9.4 dB;人体损耗：0 dB;主要传播模型：Atoll CrossWave Model for NB-IoT。
仿真结果如图3和表5所示。图3中黑线圈出的部分，是在仿真软件中设置本次须统计RSRP（dBm）的区域范围，三角符号代表每个基站以及该基站的3根天线的方向。
4.6 配套改造方案
需在现网规划的基站内安装1个BBU（Building Baseband Unit，室内基带处理单元）、3个RRU（Radio Remote Unit，射频拉远单元）和1个CPE（Customer Premise Equipment，客户前置设备），按1.7 kW预留电源容量。如现网规划基站能满足需求的容量，则利用现网规划基站的市电;如不满足需求的容量，则需在现网规划基站内新增1路市电（新增市电容量需大于1.7 kW）。
根据NB-IoT设备供电要求，在现网规划基站内整流机架中需提供不低于1路10 A（CPE设备供电）、1路16 A（BBU设备供电）和1路63 A（DCDU提供直流分路，为RRU供电）的直流供电。在规划基站内新增NB-IoT设备后，如原整流机架整流能力能满足要求，则直接利用;如不满足，则需改造后再利用。
鉴于本期规划的基站均在深圳市城区，蓄电池组后备时长要求达到3小时;对于增加设备后不满足后备电时长的蓄电池组需进行改造。本期增加NB-IoT设备后，蓄电池的后备电力保障满足与运营商签订的相关商务定价协议要求，同时满足NB-IoT主设备3小时后备电力保障。
NB-IoT设备取电须单独计量，在每个基站的开关电源侧安装分路计量设备（霍尔传感器）。
根据BBU主设备及CPE维护要求及特性，BBU设备与CPE设备就近安装，RRU设备与天线要求上塔安装。BBU及CPE设备如在机柜内安装，需预留不低于6 U的安装空间。BBU及CPE设备如在机房内挂墙安装，选择位置要求通风良好、维护便利，同时应满足国家规范及设备厂家要求。
规划基站为室外型基站：
（1）原室外机柜满足要求就直接利用。
（2）如原室外机柜不满足要求改造后再利用。
（3）如原室外机柜无法改造，则新增室外机柜安装BBU及CPE设备。
根据800M天线的参数、安装要求以及最大限度利用本期规划基站天面资源原则，本期规划基站天面存在以下几种安装方式：
（1）天面上有空余抱杆，直接利用。
（2）天面上无空余抱杆，通过改造后（如将原有天线进行合并）满足要求再利用。
（3）通过改造后无法满足要求，则需新增3根抱杆/美化外罩安装。
（4）如有可利用的社会资源，则利用社会资源安装。
设备连接系统图如图4所示。
5 结 论
根据仿真软件的模拟结果，信号覆盖效果可以满足本试点网络的建设目标。后续本公司承接本试点项目的可行性研究报告及一阶段设计的工作，按需灵活部署建设蜂窝NB-IoT室外宏基站。待站点开通后，项目团队将通过路测、CQT测试等手段优化、调整仿真参数，更好地指导后续工程的规划、设计工作。
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作者简介：孙玮（1987.01—），男，汉族，江苏靖江人，工程师，本科，工学学士，主要研究方向：线路、无线通信网络等。
