高校智慧消防NB-IOT技术应用和实践

作者简介：林长春（1973- ），男，汉族，福建福州人，工程师，本科，研究方向：光纤通讯传输、大数据和物联网技术。摘要：本文主要阐述了中国联通某分公司在某大学NB-IOT智慧消防用电安全项目具备“高密度、高频次、高可靠”业务特征需求，结合NB-IOT网络的特点，重点从容量、专网、错峰机制、频率组网、业务参数等“五个维度”应用分析，并在现网进行实践，有效实现了该NB-IOT项目的“三高”特征需求。

关键词：NB-IOT；容量计算；错峰机制；VPN专网；异频组网

一、概述

大学校园NB-IOT智慧消防项目的应用和实践，该NB-IOT项目主要是基于NB-IOT微型断路器实现学生与教师宿舍的消防、用电安全，是一种“高密度、高频次、高可靠”的典型应用场景。在实践中，通过“小区扩容、VPN专网组网、上行错峰、大话务参数实施、异频插花组网”等多种手段，有效的解决项目实施过程中的诸多问题，实现接入成功率99%、实时在线率99%的组网目标。

二、NB项目业务特点及挑战

NB智慧微型断路器主要应用于学生宿舍和教职工宿舍的智慧消防用电安全，根据业务要求和设备安装区域，形成与NB传统应用技术相背道的“三高”特征。

“三高”特征如下：

● 高密度：0.07平方公里（200米×300米）范围内安装2650+台NB设备；

● 高频次：间隔5分钟上报1次终端数据；

● 高可靠：所有终端均时时在线，并可随时查询和监控相关信息。

在调试过程中，存在终端在线不稳定、RRC连接成功率低等问题，通过终端侧、无线侧、组网结构、应用平台等端到端进行全面分析，定位以下原因：

● 高密度安装、高频次上报，小区容量不足；

● 数据并发冲突重传导致上行干扰抬升，进一步降低数据发送成功率；

● 终端频繁发送心跳包，加大网络负荷与并发冲突；

● 下行小区间干扰，降低容量，并影响数据发送成功率；

● NB终端不上报数据，导致部分时段出现离线。

（一）NB-IOT的小区容量估算

NB接入过程符合泊松分布模型，碰撞概率P与每秒接入次数G关系：

P＝1－e-G/（竞争前导数量×每秒物理随机接入信道数量）

NB共12个子载波即12个竞争前导，每秒物理随机接入信道（PRACH）数量=1000/PRACH周期（ms）。

按碰撞概率P=10%计算，每秒可接入次数：

G＝ln（1/（1-P）×竞争前导数量×1000/PRACH周期=ln（1/（1-10%））×12×（1000/PRACH周期）=1.264×1000/PRACH周期=1.975次/秒；

当用户分布处于典型场景，覆盖等级0/1/2用户分布比例为5∶3∶2时，PRACH周期可设置为640ms，保证各覆盖等级用户均有机会接入，按该用户模型：

每秒接入次数为G＝1.264×（1000/640）＝1.975

覆盖等级0每5分钟接入次数＝G×300≈592

覆盖等级1每5分钟接入次数＝G×300×3/5≈355

覆盖等级2每5分钟接入次数＝G×300×2/5＝237

NB在时间上离散接入时，PRACH周期为640ms，每5分钟最大可接入1184个用户。

通过对某大学无线信号覆盖测试，现网采用NB1800组网，小区覆盖范围内最大的设备数将达到800台左右，小区的理论连接数满足项目需求[1]。

（二）NB-IOT的休眠态

对时延不敏感是NB业务的一大特点，这样的设计可以让50K左右的终端同时在一个小区下，同一时刻大部分终端处于休眠态，为更多的用户提供接入、保存更多的用户信息。NB-IOT芯片进入PSM模式，该模式下终端可以通过AT命令主动唤醒，但不能被网络唤醒（即PSM终端只支持MO业务，不支持MT业务）。当网络侧有下行数据发送时，需要等待到终端主动发送上行数据唤醒后才可以接受。

大学智慧消防项目要求单位面积内高密度的终端实时在线，与NB网络的PSM模式设计相矛盾，需另行解决[2]。

（三）数据包的传输时延与单小区下的实际终端数

时延计算结果是商用参数理论值，未考虑应用层重传、无线侧重传、上行干扰、端到端定时器配合等多方面因素，这些影响场景复杂无法具体量化，结合商用项目经验，理论计算基础上考虑10秒冗余影响；

數据包传输时延=固定时延+上行传输时延+下行传输时延+UE不活动定时器+冗余时间。

NB智慧微型断路器通过设备终端抓包，其空口数据上报信令流程主要如下：空口6条信令交互消息，主要数据上行150字节，下行应答63字节，其它消息为协议消息。

根据上述NB终端数据业务包大小以及NB业务时延公式，本次NB终端每次上传所需的最小时延=<1（I-DRX主动上报）+1（上行数据按照200字节参考）+1（下行接收按照100字节）+0（不重传）<3秒。

因此按照最大上报最优原则为每个小区同时上报4个-6个终端并发上报，可有效达到终端分流以及小区的资源最优利用；每个小区所有NB设备完成1轮数据上报所需时间=3（秒）×800（台）/4（个）=600秒=10分钟[3]。

（四）无线侧的上行干扰

上行干扰来源于同频邻小区的UE上行发送的信号，A小区和B小区存在重叠区域（同频邻区必然会存在一定的切换区域），由于两个小区之间的信号不是一致、不正交，会形成干扰。随着边缘用户数增加，将在上行出现明显的PUCCH和PUSCH干扰[4]。

根据协议终端在PUSCH发送上行报文的时候，如果连续失败超过两次，为了保证报文发送，终端将按照最大功率发送。在NB网络中，小区仅有12个PRACH信道，如果同时并发接入用户数大于12个，将发生接入冲突，终端为了保证接入就会按照最大功率发射，导致RSSI迅速恶化。

在调试阶段，小区的无线侧指标发生不同程度的RSSI抬升，最大值达-74db。分析发现问题小区同时接入终端超过50台，需进行错峰处理[5]。

三、NB项目业务解决方案

（一）载波扩容

结合现网基站分布，通过NB小区分裂、新建NB900站点进行业务分担，以此满足业务需求。具体方案：对原2个合并扇区进行扇区分裂；新建1个NB900站点，并扩容NB900多，某大学覆盖区域内小区由9个提升到13个。

经复测，小区覆盖范围内最大设备容量在400台左右，综合考核上行干扰、接通成功率、资源利用等因素，以40%资源利用率预估，单小区并发终端为4～5个，每个小区所有NB设备完成1轮数据上报所需时间=3（秒）×400（台）/4（个）=300秒（5分钟），可满足“1次/5分钟/终端”的数据包上报周期。

（二）VPN组网

在调试过程中，通过对终端抓包，终端每间隔2分钟发送一次心跳包，大大增加了网络的负荷，导致设备连接成功率仅40%，实时在线率仅30%左右。

图2VPN组网网络结构示意图经与数通专业联合讨论，取消由NB终端心跳包实现“实时在线”功能，改用VPN专网方案，即互联网方式+GRE隧道为每个NB终端设备分配一个固定的私网IP地址，经NAT协议地址后，通过互联网GRE隧道模式访问物联网平台服务器。同时将SIM卡的APN由公网APN：snbiot改为专网APN：fjfrdz01s.nb.gziot。

采用VPN组网方案后，从后台信令跟踪来看，NB终端数据上报周期延长至5分钟，与业务上报周期一致。

（三）上行错峰设计，提升数据发送成功率

一个小区内，同一时刻上行并发终端数量，取决于上行包大小、NB模组工作模式、错峰配置参数。终端按照设置的时间周期性上报数据，一般设定的基准时间为0点（需计算错峰延时）。

错峰计算方法：基础时间+（表号后2位×错峰系数+x）；其中基础时间一般为0点，后台可配。表号后2位决定了同一时刻可能接入的終端数据，错峰系数为分钟级，可通过后台远程调整。举例：分组编号为“099”的表，错峰系数为3（秒级），微调系数为3，则智能电表主动上送时间为：0+（99×3s+3秒）=300秒=5分钟[6]。

由于NB终端上行数据包周期为1次/5分钟/终端，每台终端3秒的上报间隔，采用上行错峰，每组需至少100台终端；按单小区并发终端为4～5个预估，单小区下每5分钟可采集400台终端上行数据，与实际测试情况相符[7]。图3错峰示意图

实施错峰机制后，小区的设备连接成功率由40%左右，稳定到80%左右；NB小区上行底噪由平均-74dBm改善到-95dBm。

（四）大话务参数实施，提升网络容量

结合上文，单小区最大终端达到400个左右，若发生特殊情况导致上行拥塞时，易发生业务风暴，造成终端无法上线。

在无线侧通过减少上行重发次数、加大冲突解决定时器时长、加大上行失败后的惩罚时间、加大前导传送最大次数及终端反复接入失败的惩罚时长，使得用户接入离散化，减少业务风暴风险。参数实施后，小区的设备连接成功率由80%提升稳定到92%左右。

（五）异频插花组网，减少同频干扰

调测阶段，在实施无线参数优化后终端的上线率在92%，分析发现离线终端聚集在同频小区重叠覆盖区域；网络侧统计发现信号覆盖等级“1”占比较高，达到60%左右。现场测试发现NB网络的重叠覆盖及MOD3问题较LTE更加严重，现场受限于站点密度高（平均站间距100米左右）、与LTE网络共天馈等因素，无法进行大幅度RF调整。

考虑到项目中的NB终端无移动性，尝试在某大学区域进行NB1800异频插花组网。方案实施后，信号覆盖等级“1”占比由60%左右下降到25%左右，NB小区上行平均底噪由-95dBm改善到-110dBm，设备连接成功率由92%提升到99%以上，实时在线率由80%左右提升并稳定在99%以上。

（六）平台升级精准定位离线

结合上文，NB智慧微型断路器实时在线率稳定在99%，仍有部分终端会出现离线状态，抽查离线终端，发现其主要是用户通过APP平台下发下电指令，导致设备终端未上报数据，从而监控应用平台判定为离线。

针对用户下发下电或者现场断电导致的设备离线，应用平台需增加该操作的查询判断设备离线是正常还是异常离线。

四、总结

NB-IOT项目主要是基于NB-IOT微型断路器实现学生与教师宿舍的消防、用电安全，是一种“高密度、高频次、高可靠”的典型应用场景，与传统的NB-IOT“低时延、大连接高休眠”等业务特性相背道，导致存在“容量不足”、“数据并发冲突”、“网络负荷高”、“小区间干扰强”、“终端离线率高”等问题。

我们采用NB-IOT“小区扩容、VPN专网、上行错峰、大话务参数实施、异频插花组网”、后续终端厂家应用平台升级等方式，有效的解决本次“智慧用电”项目的“三高”特性出现的问题，项目区域内的NB-IOT接入成功率达到99%，设备终端时时在线率超过95%[8]。

参考文献

[1]蒙东刚，周武汉，钟盛壮.高校建设智慧消防物联网远程监控系统的必要性研究[J].消防界（电子版），2022，8（23）：64-66.

[2]胡长玉，王爱义.高校消防三级报警体系的路径研究——高校场景下消防数字平台与网格化管理刍议[J].今日消防，2022，7（07）：4-6.

[3]傅少玲.利用智慧消防系统筑牢高校档案消防安全防线[J].现代交际，2021（19）：130-132.

[4]胡长玉，王爱义.建设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层次技术建构刍议[J].消防界（电子版），2021，7（09）：68-70.

[5]高云，杨震.现代消防专业人才培养与市场人才需求接轨的教学创新研究[J].大学，2021（19）：72-75.

[6]徐星辰，郑世超.高校智慧消防平台的设计分析及实现[J].宜宾学院学报，2021，21（06）：51-56.

[7]杨梅蓉.“互联网+”视域下高校智慧宿舍应用研究[J].职业技术，2020，19（03）：1-7.

[8]陈长坤，聂艳玲.消防工程专业《智慧消防》课程建设及对人才培养的作用分析[J].科技创新导报，2019，16（25）：227-230.