高校智慧消防NB-IOT技術應用和實踐

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、大數據和物聯(lián)網技術。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網絡的特點，重點從容量、專網、錯峰機制、頻率組網、業(yè)務參數等“五個維度”應用分析，并在現網進行實踐，有效實現了該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；異頻組網

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專網組網、上行錯峰、大話務參數實施、異頻插花組網”等多種手段，有效的解決項目實施過程中的諸多問題，實現接入成功率99%、實時在線率99%的組網目標。

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次終端數據；

● 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；

● 數據并發(fā)沖突重傳導致上行干擾抬升，進一步降低數據發(fā)送成功率；

● 終端頻繁發(fā)送心跳包，加大網絡負荷與并發(fā)沖突；

● 下行小區(qū)間干擾，降低容量，并影響數據發(fā)送成功率；

● NB終端不上報數據，導致部分時段出現離線。

（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G關系：

P＝1－e-G/（競爭前導數量×每秒物理隨機接入信道數量）

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）數量=1000/PRACH周期（ms）。

按碰撞概率P=10%計算，每秒可接入次數：

G＝ln（1/（1-P）×競爭前導數量×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：

每秒接入次數為G＝1.264×（1000/640）＝1.975

覆蓋等級0每5分鐘接入次數＝G×300≈592

覆蓋等級1每5分鐘接入次數＝G×300×3/5≈355

覆蓋等級2每5分鐘接入次數＝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，現網采用NB1800組網，小區(qū)覆蓋范圍內最大的設備數將達到800臺左右，小區(qū)的理論連接數滿足項目需求[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，但不能被網絡喚醒（即PSM終端只支持MO業(yè)務，不支持MT業(yè)務）。當網絡側有下行數據發(fā)送時，需要等待到終端主動發(fā)送上行數據喚醒后才可以接受。

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網絡的PSM模式設計相矛盾，需另行解決[2]。

（三）數據包的傳輸時延與單小區(qū)下的實際終端數

時延計算結果是商用參數理論值，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，結合商用項目經驗，理論計算基礎上考慮10秒冗余影響；

數據包傳輸時延=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，其空口數據上報信令流程主要如下：空口6條信令交互消息，主要數據上行150字節(jié)，下行應答63字節(jié)，其它消息為協(xié)議消息。

根據上述NB終端數據業(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（上行數據按照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輪數據上報所需時間=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。隨著邊緣用戶數增加，將在上行出現明顯的PUCCH和PUSCH干擾[4]。

根據協(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網絡中，小區(qū)僅有12個PRACH信道，如果同時并發(fā)接入用戶數大于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

結合現網基站分布，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輪數據上報所需時間=3（秒）×400（臺）/4（個）=300秒（5分鐘），可滿足“1次/5分鐘/終端”的數據包上報周期。

（二）VPN組網

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組網網絡結構示意圖經與數通專業(yè)聯(lián)合討論，取消由NB終端心跳包實現“實時在線”功能，改用VPN專網方案，即互聯(lián)網方式+GRE隧道為每個NB終端設備分配一個固定的私網IP地址，經NAT協(xié)議地址后，通過互聯(lián)網GRE隧道模式訪問物聯(lián)網平臺服務器。同時將SIM卡的APN由公網APN：snbiot改為專網APN：fjfrdz01s.nb.gziot。

采用VPN組網方案后，從后臺信令跟蹤來看，NB終端數據上報周期延長至5分鐘，與業(yè)務上報周期一致。

（三）上行錯峰設計，提升數據發(fā)送成功率

一個小區(qū)內，同一時刻上行并發(fā)終端數量，取決于上行包大小、NB模組工作模式、錯峰配置參數。終端按照設置的時間周期性上報數據，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+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據，錯峰系數為分鐘級，可通過后臺遠程調整。舉例：分組編號為“099”的表，錯峰系數為3（秒級），微調系數為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終端上行數據包周期為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臺終端上行數據，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）大話務參數實施，提升網絡容量

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、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，減少同頻干擾

調測階段，在實施無線參數優(yōu)化后終端的上線率在92%，分析發(fā)現離線終端聚集在同頻小區(qū)重疊覆蓋區(qū)域；網絡側統(tǒng)計發(fā)現信號覆蓋等級“1”占比較高，達到60%左右?，F場測試發(fā)現NB網絡的重疊覆蓋及MOD3問題較LTE更加嚴重，現場受限于站點密度高（平均站間距100米左右）、與LTE網絡共天饋等因素，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。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離線狀態(tài)，抽查離線終端，發(fā)現其主要是用戶通過APP平臺下發(fā)下電指令，導致設備終端未上報數據，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”、“數據并發(fā)沖突”、“網絡負荷高”、“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、上行錯峰、大話務參數實施、異頻插花組網”、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]。

參考文獻

[1]蒙東剛，周武漢，鐘盛壯.高校建設智慧消防物聯(lián)網遠程監(jiān)控系統(tǒng)的必要性研究[J].消防界（電子版），2022，8（23）：64-66.

[2]胡長玉，王愛義.高校消防三級報警體系的路徑研究——高校場景下消防數字平臺與網格化管理芻議[J].今日消防，2022，7（07）：4-6.

[3]傅少玲.利用智慧消防系統(tǒng)筑牢高校檔案消防安全防線[J].現代交際，2021（19）：130-132.

[4]胡長玉，王愛義.建設高校智慧消防提升安全治理能力——基于高校消防安全治理能力的多層次技術建構芻議[J].消防界（電子版），2021，7（09）：68-70.

[5]高云，楊震.現代消防專業(yè)人才培養(yǎng)與市場人才需求接軌的教學創(chuàng)新研究[J].大學，2021（19）：72-75.

[6]徐星辰，鄭世超.高校智慧消防平臺的設計分析及實現[J].宜賓學院學報，2021，21（06）：51-56.

[7]楊梅蓉.“互聯(lián)網+”視域下高校智慧宿舍應用研究[J].職業(yè)技術，2020，19（03）：1-7.

[8]陳長坤，聶艷玲.消防工程專業(yè)《智慧消防》課程建設及對人才培養(yǎng)的作用分析[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（25）：227-230.