基于NB-IoT应用系统虚拟仿真实现

沈娟娟

（南京城市职业学院，江苏 南京 211200）

一、NB-IoT技术原理概述

窄带物联网（NarrowBandInternetofthings,NB-IoT）是3GPP标准组织针对大连接、广覆盖、低功耗、低成本业务定义的蜂窝物联网接入技术。随着5G技术的日益发展，万物互联成为信息交换和通信的发展需求。物联网的小数据传输和广覆盖需求与5G技术的mMTC应用场景一致。NB-IoT聚焦小数据业务，终端部署成本低且功耗低、网络覆盖广、网络容量大、网络部署灵活，可以与现有的4G LTE网络共存，复用4G LTE的核心网及传输系统，无线接入设备的部署可以采用单独部署和混合部署两种方式。单独部署方式是在BBU中采用单独的NB-IoT主控板，混合部署场景是与其他系统一起共用BBU、RRU进行软件升级。因此NB-IoT部署方式比较灵活，可以根据网络规划和工程实施成本综合分析。

二、NB-IoT物联网应用系统仿真

（一）NB-IoT网络架构仿真总体设计

NB-IoT物联网应用系统仿真采用NB-IoT全网规划部署与应用仿真系统，仿真环境针对窄带蜂窝物联网网络工程建设仿真设计，包含了端到端的网络建设过程，包括无线、核心网、IP承载网、光传输网等多个维度。该软件平台分为拓扑设计、网络规划、设备配置、数据配置、业务调度和管理平台六大模块，契合网络建设的不同阶段。[1]

NB-IoT窄带物联网应用系统虚拟仿真设计总体采用基于IP的扁平网络体系结构。NB-IoT核心网网元与LTE核心网结构协议标准基本一致，主要由无线用户层、无线接入层、核心层和应用层组成。无线用户层主要包含物联网应用终端，例如智能水表、共享单车、带有NB-IoT芯片的传感器等。无线接入层主要指NB-IoT基站，与现有的5G基站或4G基站采用共硬件共网管模式，作用是提供无线用户终端的控制接入和无线资源的分配管理。NB-IoT基站与核心层网元MME的S1对接方案采用NB-IoT与LTE共EPC模式。即核心层网元复用LTE核心层设备，由移动管理实体MME、服务网关SGW、PDN网关PGW和归属签约用户服务器HSS等设备组成。NB-IoT网络部署仿真总体设计如图1所示。

图1 NB-IoT网络部署仿真总体设计

NB-IoT窄带物联网应用系统虚拟仿真设计主要针对无线接入层部分的设计与仿真，可分为以下模块。

（1）无线覆盖规划：针对业务需求，对业务覆盖区域内无线覆盖和容量需求两方面进行分析计算，得出在该区域内所需部署的无线基站数目。[2]

（2）无线设备配置：无线接入部分的硬件仿真设计，包含基带处理单元BBU、射频单元RRU和天线的部署。

（3）无线数据配置：无线接入部分的数据配置仿真，包含4G网络规划和无线小区参数规划。

（4）业务调试及验证：无线接入层和核心层的对接调试，在管理模块中实现物联网业务。

（二）测试地区NB-IoT窄带物联网——智能水电表业务仿真设计应用

1.NB-IoT站点规划仿真设计

（1）无线规划仿真设计

选取测试地区为示例部署智能水电表物联网应用。无线覆盖规划根据无线网络中部署的天线数目、子载波带宽、发射功率、馈线损耗、天线增益、噪声功率、SINR、快衰落余量、阴影衰落余量、干扰余量、穿透损耗、OTA、人体损耗、区域面积[3]等参数，计算得出在该区内覆盖物联网业务所需无线小区数目。具体计算无线覆盖中各无线信道（NPRACH、NPUSCH、NPDSCH、NPBCH、NPDCCH）的覆盖面积，根据物联网业务覆盖需求和各信道无线覆盖面积就可以确定每个无线信道所需的小区数目，如表1所示。

表1 测试地区无线覆盖规划参数

（2）无线容量规划

根据NPRACH上行随机接入信道容量规划中每秒接入总次数，计算每秒接入成功次数，计算NPRACH信道实际容量。计算模型如表2所示。

表2 测试地区无线容量规划参数

NPRACH实际容量=每秒接入成功次数/单用户每小时接入次数*3600[4]；

NPUSCH实际容量=每小时NPUSCH信道容量/单用户每小时的接入次数[4]；

NPDSCH实际容量=每小时NPDSCH信道容量/单用户每小时的接入次数[5]。

（3）无线综合规划

无线覆盖规划和无线容量规划综合分析，比对各个无线信道规划覆盖小区数。根据物联网小区内移动终端数目需求，测试地区物联网小区内终端数目2000万个，网络负荷5%，单站小区数目为3。计算模型如下：

覆盖规划站点数目=MAX（覆盖规划各信道对应小区数目）/单站小区数目；

容量规划站点数目=MAX（NPRACH站点数目，NPUSCH站点数目，NPDSCH站点数目）；

无线网络规划站点数目=MAX（容量规划站点数目，覆盖规划站点数目）。

根据无线综合规划结果规划物联网小区内需要规划的无线站点数目。

2.NB-IoT无线接入层设备配置仿真设计

NB-IoT无线接入侧硬件设备与4G/5G基站采用共硬件共网管工作模式，主要包含室内设备和室外设备两部分。室内设备部署基带信号处理单元BBU、传输设备PTN；室外设备部署射频单元RRU、天馈系统和GPS天线。仿真模型参照NB-IoT无线接入侧硬件设备配置仿真原理图（图2）、无线接入侧设备部署思维导图（图3）所示，并且完成设备间的正确配线。

图2 NB-IoT无线接入侧硬件设备配置仿真原理

图3 无线接入侧设备部署思维导图

3.NB-IoT无线接入层数据配置仿真设计

NB-IoT无线接入层数据配置主要包含基带单元BBU、射频单元RRU 及无线小区配置。表3为NB-IoT窄带物联网网络规划表，主要规划核心网各个网元和无线NB基站的网络地址，用于核心网及无线接入部分网络拓扑设计。表4为无线参数规划表，主要规划无线接入NB基站的无线参数，包括全局移动参数PLMN、物理小区PCI、跟踪区码TAC、无线频点等参数，用于无线接入数据配置。

表3 NB-IoT 窄带物联网网络规划

（1）NB-IoT参数配置模块：MCC指移动国家码，MNC指移动网络码（运营商），同一国家不同运营商MNC值不同。跟踪区码TAC为PLMN内跟踪区域的标识，用于UE的位置管理[5]。图4为NB-IoT参数配置，图5为NB-IoT小区参数配置。根据表4的无线参数规划表，配置小区ID、小区覆盖属性、上下行链路的中心载频、RS参考信号功率和小区用户数接纳控制开关等参数。

表4 无线参数规划

图4 NB-IoT参数配置

图5 E-UTRANNB-IoT小区参数配置

（2）小区重选参数配置模块：无线终端通过测量服务小区和邻小区的属性实现小区重选。小区重选根据重选条件设置同频或异频的测量启动门限和判决定时器时长，确保系统能够正常判定小区是否重选。小区重选由系统设定准则进行判决，通过调整同频或异频的测量启动门限和判决定时器时长，保证系统的可靠性和稳定性。

无线用户驻留小区后首先持续小区测量，RRC层根据RSRP测量结果Srxlev（小区接收电平），并将其与小区设定的异频测量启动门限或同频测量触发门限进行分析比对，作为是否启动邻区测量的判断条件。同频小区及同优先级异频小区根据R准则进行重选判决。具体配置如图6所示。

图6 小区重选参数配置

4.业务调试验证

业务测试仿真主要分为核心/无线业务调试仿真和全网联调业务测试仿真。在核心/无线网业务测试仿真中，NB-IoT 智能水电表系统中终端设置MCC、MNC、APN、IMSI及KI参数后，测试地区覆盖区域内ATTACH测试、PING测试、上传下载测试以及遍历测试，确保核心/无线侧业务测试成功。在工程模式下进行核心/无线和承载部分的联调仿真测试，承载链路指核心侧和无线侧之间的传输通道，由于传输距离较远，因此需要引入光传输设备保证线路中的信号质量。光路和网络通信正常可实现无线侧终端的接入以及核心网对无线接入控制，实现智能水电表数据上传和下载功能（如图7）。

图7 业务测试仿真

在物联网管理仿真模块中实现以下表5内容：

表5 物联网管理模块

三、NB-IoT物联网系统虚拟仿真应用

5G新基建的加快部署和建设，带动了各类新型产业。5G网联不仅大幅提升了通信速率，而且大力推动了传统行业的数字化转型。未来5G和物联网、人工智能、云、边缘计算等多种技术的深度融合，将会为新的市场和应用拓展带来无限可能。

NB-IoT物联网系统面向海量终端，具有数据速率低、数据量小、对时延不敏感的业务特点，被广泛应用于现有的物联网业务部署中，如共享单车、智能水电表、自动泊车、智能家居等。本项目通过虚拟仿真的形式，在测试地区部署NB-IoT窄带物联网应用系统智能水电表业务，实现小区内水电表自动上报数据功能，为NB-IoT窄带物联网应用系统的建设与运维提供测试数据，并且今后可在系统仿真设计中进一步研究无线信号优化解决方案，为无线网络优化提供实践依据。