NB-IoT基站天线挂高对居民区信号覆盖能力影响研究

中国电信股份有限公司南京分公司 常 昆

NB-IoT基站天线挂高对居民区信号覆盖能力影响研究

中国电信股份有限公司南京分公司 常 昆

本文研究了NB-IoT基站天线挂高与居民区楼宇不同落差对信号覆盖能力的影响.重点测试、分析单扇区条件下NB-IoT基站对不同质态居民区的道路、楼宇平层、地下室覆盖能力,为将来窄带物联网在居民区场景的业务发展提供参考.

物联网;NB-IoT;居民小区;深度覆盖

1 引言

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)是面向广覆盖、低功耗、低成本、大连接等物联网需求建立的全球统一标准.其典型特点有:(1)NB-IoT通过功率谱密度增益与重复发送增益,实现信号最大路损(Maximum Coupling Loss,MCL)比传统GPRS增强20dB[1].(2)NB-IoT协议新增PSM、eDRX、长TAU等节电特性,达到终端电池使用寿命大于10年的低功耗目标.(3)为了降低终端成本,NB-IoT终端采用半双工传输方式,使用一根天线收发数据,同时采用简化协议和降低基带复杂度的方式使每个终端低于5美元.(4)由于NB-IoT主要面向低速率、低移动性、低激活比的物联网业务,因此要求单小区能容纳5万个终端,系统新增拥塞控制实现大连接.本文从NB-IoT基站天线挂高与居民区楼宇落差对信号覆盖影响的角度出发,开展不同场景居民区室外路测与室内定点测试,并对测试结果进行分析总结,在此基础上为居民区场景下的NB-IoT业务选型提供合理建议.

2 覆盖等级特性

与LTE不同,NB-IoT针对其独特的覆盖需求,引入覆盖等级概念[2].NB-IoT eNodeB设定2个RSRP门限,划分3个覆盖等级:当UE实际RSRP测量值比RSRP一级门限值高时,UE选择覆盖等级0(CEL0)发起随机接入;当UE实际RSRP测量值介于RSRP一级门限值和RSRP二级门限值之间时,UE选择覆盖等级1(CEL1)发起随机接入;当UE实际RSRP测量值比RSRP二级门限值低时,UE选择覆盖等级2(CEL2)发起随机接入.NB-IoT从系统消息SIB2中确定PRACH信道配置和资源,不同覆盖等级下系统消息中会广播与之对应的NB-PRACH参数配置(见图1).

3 基站天线挂高对居民区覆盖能力评估

结合目前中国电信江苏南京NB-IoT基站开通情况,分别选取NB-IoT基站天线与小区楼宇挂高差17m、7m、基站天线挂高低于小区楼宇的3种典型场景,测试分析NB-IoT基站对居民区内道路、楼宇平层以及地下室的覆盖能力.

根据前期NB-IoT覆盖性能测试结果,本文中RSRP一级门限设置为-110dBm,RSRP二级门限设置为-120dBm;NB-IoT基站下行发射功率配置2*10W;为了避免其他NB-IoT基站对测试居民区重叠覆盖,造成结果失真,测试前已将小区周边5km范围内的其他NB-IoT基站闭锁,主覆盖居民区基站单扇区正打小区并激活,保证信号纯净与测试结果准确性.

图1 NB-IoT覆盖等级

3.1 基站天线挂高与小区楼宇落差17m场景

基站与居民区信息:西水湾花园基站位于南京市浦口区西水湾花园小区西南,距离小区90m,主覆盖西水湾花园小区.基站天线挂高35m,小区总计7排楼宇,均为6F多层,基站天线与楼宇落差17m.

表1 西水湾花园小区内部及小区外围路测指标

根据路测指标可知,天线挂高与小区楼宇高度差17m时,小区内道路NB-IoT信号覆盖良好,RSRP均值-71.09dBm,SINR均值28.59dB.

图2 西水湾花园小区室内定点测试指标

根据室内定点测试指标可知,天线挂高与小区楼宇高度差17m时,小区内22栋多层楼宇NB-IoT信号覆盖良好,RSRP均值-77.53dBm,SINR均值29.18dB.每隔一排楼,NB-IoT信号RSRP衰减2~8dB,SINR衰减2~3dB.

3.2 基站天线挂高与小区楼宇落差7m场景

基站与居民区信息:求雨山基站位于金珠花苑小区北面山坡,距离小区约110m,主覆盖金珠花苑小区.基站天线挂高25m,小区总计5排楼宇,均为6F多层,基站天线与楼宇落差7m.

表2 金珠花苑小区内部及外围路测指标

根据路测指标可知,天线挂高与小区楼宇高度差7m时,小区内道路NB-IoT信号覆盖良好,RSRP均值-76.81dBm,SINR均值27.91dB.

图3 金珠花苑小区室内定点测试指标

根据室内定点测试指标可知,天线挂高与小区楼宇高度差7m时,小区内12栋多层楼宇NB-IoT信号覆盖良好,RSRP均值-81.90dB,SINR均值19.75dB.每隔一排楼,NB-IoT信号RSRP衰减2~12dB,SINR衰减2~7dB.

3.3 基站天线挂高低于小区楼宇场景

基站与居民区信息:巩固基站位于亚东滨江馨园小区西南,距离小区约100m,主覆盖亚东滨江馨园小区.基站天线挂高35m,小区总计3排楼宇,均为33F高层,基站天线与楼宇落差-64m.

表3 亚东滨江馨园小区内部及外围路测指标

根据路测指标可知,天线挂高与小区楼宇高度差-64m时,小区内道路NB-IoT信号覆盖良好,RSRP均值-75.59dBm,SINR均值26.99dB.

图4 亚东滨江馨园小区室内定点测试指标

根据室内定点测试指标可知,天线挂高与小区楼宇高度差-64m时,小区内16栋高层楼宇NB-IoT信号覆盖良好,RSRP均值-84.83dBm,SINR均值24.54dB.

每隔一排楼,NB-IoT信号RSRP衰减7~14dB,SINR第一排至第二排楼衰减2.75dB,第二排至第三排楼衰减11.07dB.

小区地下室整体覆盖较弱,部分地下室脱网.未脱网区域RSRP均值-109.58dBm,SINR均值7.27dB,下载速率在10.95 kbit/s,终端全部满功率发射信号.

3.4 覆盖能力评估小结

在3种典型场景下,NB-IoT信号覆盖能力随着基站天线与小区楼宇落差降低而减弱.室外环境下,天线挂高与小区楼宇高度差17m覆盖最远,CEL0极限覆盖距离为1.4km,CEL1极限覆盖距离为1.8km,CEL2极限覆盖距离为3.3km;天线挂高与小区楼宇高度差-64m覆盖最近,CEL0极限覆盖距离为1.1km,CEL1极限覆盖距离为1.5km,CEL2极限覆盖距离为1.3km.

表4 天线挂高落差对室外信号覆盖影响

室内环境下,天线挂高与小区楼宇高度差17m覆盖最远,CEL0可覆盖小区全部7排楼;天线挂高与小区楼宇高度差-64m覆盖最近,CEL0可覆盖小区2排楼,第3排楼部分平层RSRP处于CEL1,地下室RSRP在3个覆盖等级均有取值,局部区域脱网.

表5 天线挂高落差对室内信号覆盖影响

由上述测试结果可知,NB-IoT信号覆盖能力随着基站天线与小区楼宇高度差下降而降低,因此在未来规划点选取时建议基站天线挂高比小区楼宇高10~20m,以提高覆盖效果;同时,为了避免天线挂高超高导致信号越区覆盖难以控制,建议基站天线挂高不超过50m.

4 基于NB-IoT的居民区业务选型

NB-IoT基站天线挂高与居民区楼宇落差17m、7m、-64m三种场景下,小区内道路以及小区外围道路信号覆盖良好:RSRP均值介于-76.81dBm~-71.09dBm;SINR均值介于26.99dB~28.59dB;室外CEL0覆盖距离约1.3km,CEL1覆盖距离约1.7km.因此,适宜发展居民区路面基于NB-IoT的智慧停车、智慧路灯业务[3],建议业务发展区域与基站距离不超过1.7km.

三种场景下,小区楼宇平层信号覆盖良好:RSRP均值介于-84.83dBm~-77.53dBm,SINR介于19.75~29.18dB.因此,适宜发展基于NB-IoT的楼宇消防监控、智能抄表、智能家居业务[4].基站天线挂高与居民区楼宇落差17m、7m时,能覆盖5~7排楼宇,天线挂高低于居民区楼宇时,能覆盖3排楼宇.后续业务发展前,可在此经验值基础上开展信号测试,提高规划效率.

NB-IoT基站天线挂高与居民区楼宇落差17m、7m时,小区楼宇平层信号与室外信号相比,RSRP均值衰减5dB~7dB;当NB-IoT基站天线挂高与居民区楼宇落差-64m时,小区楼宇平层信号与室外信号相比,RSRP均值衰减19.24dB.进一步分析发现,弱覆盖区域集中在33F高层,小区内7栋楼宇33F信号RSRP均值为-90.67dBm,信号最弱的33F平层RSRP仅为-112.42dBm.因此,后续发展高层居民小区NB-IoT业务时,需特别关注NB-IoT终端安装位置,避免在高层平层部署.

NB-IoT室外基站对居民区地下室覆盖较弱,地下室RSRP均值-109.58dBm,SINR均值7.27dB,甚至部分区域出现脱网现象.尤其需要关注的是,在NB-IoT室外基站信号覆盖地下室场景下,终端每次做业务时均满功率发射数据,这会大幅增加终端耗电量,与NB-IoT低功耗的设计初衷相违背[5].因此不建议用NB-IoT室外基站覆盖居民区地下室,如有业务需求,建议新建室内分布系统覆盖.

5 结束语

NB-IoT凭借180kHZ带宽增加的功率谱密度与特有的重传机制,实现了信号最大路损比GPRS增强20dB,在广覆盖与深度覆盖方面具有先天优势.随着NB-IoT商用网络的逐步规模部署,预计NB-IoT在未来几年将迎来业务发展大爆发.本文研究了NB-IoT基站天线挂高与居民区楼宇不同落差对NB-IoT覆盖能力的影响.结果表明,基站天线挂高高于小区楼宇场景下,能满足小区道路与平层覆盖需求;基站天线挂高低于小区楼宇场景下,能满足小区道路与中低层平层覆盖需求;高层楼宇平层与居民区地下室无法仅靠室外宏站覆盖,需进一步增加室内分布系统补盲.

[1]卢斌.NB-IoT物联网覆盖增强技术探讨[J].移动通信,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]童桦.窄带物联网(NB-IOT)商业应用探索[J].信息通信,2017(3):261-262.

[4]鲁娜,朱雪田,张成良.NB-Io T运营商面临的机遇与挑战[J].中兴通讯技术,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,硕士,毕业于南京邮电大学,现任职于中国电信股份有限公司南京分公司,主要研究方向为LTE无线网络优化、NB-IoT网络关键参数研究、NB-IoT典型业务建模.