NB-IoT基站天線掛高對居民區信號覆蓋能力影響研究

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信號覆蓋能力影響研究

中國電信股份有限公司南京分公司 常 昆

本文研究了NB-IoT基站天線掛高與居民區樓宇不同落差對信號覆蓋能力的影響.重點測試、分析單扇區條件下NB-IoT基站對不同質態居民區的道路、樓宇平層、地下室覆蓋能力,為將來窄帶物聯網在居民區場景的業務發展提供參考.

物聯網;NB-IoT;居民小區;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、大連接等物聯網需求建立的全球統一標準.其典型特點有:(1)NB-IoT通過功率譜密度增益與重復發送增益,實現信號最大路損(Maximum Coupling Loss,MCL)比傳統GPRS增強20dB[1].(2)NB-IoT協議新增PSM、eDRX、長TAU等節電特性,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,使用一根天線收發數據,同時采用簡化協議和降低基帶復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、低激活比的物聯網業務,因此要求單小區能容納5萬個終端,系統新增擁塞控制實現大連接.本文從NB-IoT基站天線掛高與居民區樓宇落差對信號覆蓋影響的角度出發,開展不同場景居民區室外路測與室內定點測試,并對測試結果進行分析總結,在此基礎上為居民區場景下的NB-IoT業務選型提供合理建議.

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)發起隨機接入.NB-IoT從系統消息SIB2中確定PRACH信道配置和資源,不同覆蓋等級下系統消息中會廣播與之對應的NB-PRACH參數配置(見圖1).

3 基站天線掛高對居民區覆蓋能力評估

結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基站天線與小區樓宇掛高差17m、7m、基站天線掛高低于小區樓宇的3種典型場景,測試分析NB-IoT基站對居民區內道路、樓宇平層以及地下室的覆蓋能力.

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

圖1 NB-IoT覆蓋等級

3.1 基站天線掛高與小區樓宇落差17m場景

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

表1 西水灣花園小區內部及小區外圍路測指標

根據路測指標可知,天線掛高與小區樓宇高度差17m時,小區內道路NB-IoT信號覆蓋良好,RSRP均值-71.09dBm,SINR均值28.59dB.

圖2 西水灣花園小區室內定點測試指標

根據室內定點測試指標可知,天線掛高與小區樓宇高度差17m時,小區內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樓宇落差7m場景

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

表2 金珠花苑小區內部及外圍路測指標

根據路測指標可知,天線掛高與小區樓宇高度差7m時,小區內道路NB-IoT信號覆蓋良好,RSRP均值-76.81dBm,SINR均值27.91dB.

圖3 金珠花苑小區室內定點測試指標

根據室內定點測試指標可知,天線掛高與小區樓宇高度差7m時,小區內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樓宇場景

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

表3 亞東濱江馨園小區內部及外圍路測指標

根據路測指標可知,天線掛高與小區樓宇高度差-64m時,小區內道路NB-IoT信號覆蓋良好,RSRP均值-75.59dBm,SINR均值26.99dB.

圖4 亞東濱江馨園小區室內定點測試指標

根據室內定點測試指標可知,天線掛高與小區樓宇高度差-64m時,小區內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.

小區地下室整體覆蓋較弱,部分地下室脫網.未脫網區域RSRP均值-109.58dBm,SINR均值7.27dB,下載速率在10.95 kbit/s,終端全部滿功率發射信號.

3.4 覆蓋能力評估小結

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樓宇落差降低而減弱.室外環境下,天線掛高與小區樓宇高度差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

室內環境下,天線掛高與小區樓宇高度差17m覆蓋最遠,CEL0可覆蓋小區全部7排樓;天線掛高與小區樓宇高度差-64m覆蓋最近,CEL0可覆蓋小區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,局部區域脫網.

表5 天線掛高落差對室內信號覆蓋影響

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

4 基于NB-IoT的居民區業務選型

NB-IoT基站天線掛高與居民區樓宇落差17m、7m、-64m三種場景下,小區內道路以及小區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,適宜發展居民區路面基于NB-IoT的智慧停車、智慧路燈業務[3],建議業務發展區域與基站距離不超過1.7km.

三種場景下,小區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,適宜發展基于NB-IoT的樓宇消防監控、智能抄表、智能家居業務[4].基站天線掛高與居民區樓宇落差17m、7m時,能覆蓋5~7排樓宇,天線掛高低于居民區樓宇時,能覆蓋3排樓宇.后續業務發展前,可在此經驗值基礎上開展信號測試,提高規劃效率.

NB-IoT基站天線掛高與居民區樓宇落差17m、7m時,小區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樓宇落差-64m時,小區樓宇平層信號與室外信號相比,RSRP均值衰減19.24dB.進一步分析發現,弱覆蓋區域集中在33F高層,小區內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,后續發展高層居民小區NB-IoT業務時,需特別關注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,甚至部分區域出現脫網現象.尤其需要關注的是,在NB-IoT室外基站信號覆蓋地下室場景下,終端每次做業務時均滿功率發射數據,這會大幅增加終端耗電量,與NB-IoT低功耗的設計初衷相違背[5].因此不建議用NB-IoT室外基站覆蓋居民區地下室,如有業務需求,建議新建室內分布系統覆蓋.

5 結束語

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勢.隨著NB-IoT商用網絡的逐步規模部署,預計NB-IoT在未來幾年將迎來業務發展大爆發.本文研究了NB-IoT基站天線掛高與居民區樓宇不同落差對NB-IoT覆蓋能力的影響.結果表明,基站天線掛高高于小區樓宇場景下,能滿足小區道路與平層覆蓋需求;基站天線掛高低于小區樓宇場景下,能滿足小區道路與中低層平層覆蓋需求;高層樓宇平層與居民區地下室無法僅靠室外宏站覆蓋,需進一步增加室內分布系統補盲.

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

[2]Ratasuk R,Vejlgaard B,Mangalvedhe N,et al.NB-IoT system for M2M communication[C].Wireless Communications and Networking Conference(WCNC),2016 IEEE. IEEE,2016:1-5.

[3]童樺.窄帶物聯網(NB-IOT)商業應用探索[J].信息通信,2017(3):261-262.

[4]魯娜,朱雪田,張成良.NB-Io T運營商面臨的機遇與挑戰[J].中興通訊技術,2017(23):29-31.

[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,畢業于南京郵電大學,現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無線網絡優化、NB-IoT網絡關鍵參數研究、NB-IoT典型業務建模.