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打破行業困境,大麥如何引領NB-IoT 技術的創新應用


一、物聯網 NB-IoT 技術簡介

  1. 業務背景

受限於移動蜂窩網絡(2G/3G/4G)容量問題,人流密集的場所會造成網絡通信癱瘓,這種況下使用移動網絡的業務就會受到災難性的影響。因此解決移動網絡問題,成為現場娛樂行業的首要任務和挑戰。 5G 通信技術雖說在設備容量上增加到每平方公里 100 萬個,但其大規模部署和低廉的模組仍需時日。因此用於物與物通信的窄帶物聯網技術 NB-IoT 是否可以解決現場網絡問題呢?

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圖 1. NB-IoT 技術的優點

  1. NB-IoT 的技術特點

NB-IoT 是有電信級保障的物與物之間的長距離通信技術,相對於短距離通信和私有技術優勢明顯。因此在大型娛樂現場或者體育賽事中,NB-IoT 就像是一條救援通道,可以正常運行。

圖中1 描述,NB-IoT 帶寬200KHz,上下行最大傳輸速率250kbps,單個基站網絡容量在4-5 萬個NB 設備,信號覆蓋範圍比傳統通信網絡有20dB 的增強,因此可以有效覆蓋室內,地下室等遮擋嚴重的環境。 NB-IoT 另一個特性就是低功耗,通過使能 PSM(Power Saving Mode)和 eDRX(enhenced Discontinuous Reception)功能可以起到降低功耗的作用。該方法主要是通過減少 NB-IoT 設備和基站的信令交互以及數據上報的頻率來達到降低功耗的目的,以上都是 NB-IoT 技術的一些優點。

二、NB-IoT 平台的選擇

工程化的目的是針對項目的使用場景,合理和創新地使用已有技術的優缺點,將其業務性能發揮到最優。目前 NB-IoT 由三大運營商來運營,因此基礎設施完善,通信質量有保障。我們選擇 NB-IoT 原因如下:

  1. 運營商 NB-IoT 基站部署早,最先運營,覆蓋地區範圍最廣

如下圖所示[1](數據來源於中國運營商)運營商NB-IoT 覆蓋全國30 個省和直轄市,且區域覆蓋率都在93%以上,可以滿足全國多數大型場館以及郊區戶外場景,其中大麥的業務場景主要包括城市中的大型場館,以及郊區的音樂節場地;

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圖 2. NB-IoT 全國分佈和覆蓋率情況

  1. 平台有開放的 API 接口,支持第三方應用平台的接入

運營商物聯網開放平台提供了海量 API 接口給第三方應用開發者。通過調用平台的接口,開發者可以開發出基於多種行業設備的應用,如公共事業、智慧家庭、智慧場館等,從而實現對設備的管理(包括設備的增、刪、查、改)、數據採集、命令下發和消息推送等功能。

三、NB-IoT 通信協議

NB-IoT 設備和運營商物聯網開放平台之間採用CoAP 協議通訊(注:在設備側,CoAP 協議棧一般由NB-IOT 芯片模組實現),CoAP 消息的payload 為應用層數據,應用層數據的格式由設備自行定義。由於 NB-IoT 設備一般對省電要求較高,所以應用層數據一般不採用流行的 json 格式,而是採用二進制格式。

NB-IoT 設備只能發送 ASCII 碼,因此發送的數據需要先轉換成對應的 ASCII。該數據需要通過物聯網雲平台的編解碼插件轉換成對應的json 數據,通過運營商平台預留的回調接口發送給服務端;下行服務端發送的數據,需要對應的編解碼插件轉化成NB- IoT 可以識別的ASCII 碼,設備通過串口接收解析數據。詳細流程如下圖 3 所示。

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圖 3. NB-IoT 終端和物聯網平台的交互流程

四、如何提高 NB-IoT 的實時性:

NB-IoT 的一個優點是低功耗,一塊電池理論上可以使用 10 年,但低功耗是以犧牲實時性為代價。之所以能夠實現低功耗,是由於 PSM 和 eDRX 功能的引入,目的是減小數據發送頻次,減少和基站的信令交互。這種低功耗適用於檢測類設備,對實時性要求不高,數據重複性大的場景。但我們要應用的場景是演唱會或賽事的新增票,對數據實時性要求很高,也就是不希望 NB-IoT 模塊進入 PSM 或 eDRX 模式,設備始終保持和基站的連接。因此選擇合適的 NB-IoT 業務模式,也是至關重要的。 NB-IoT 的業務模式,決定了 NB-IoT 的使用場景,基站通過獲取設備 SIM 卡 APN(Access Point Name)的業務參數,來對 NB-IoT 設備進行控制。

根據我們的業務場景,我們需要選擇設備和基站始終處於交互狀態,也就是一旦NB 設備連接上基站後,不會進入空閒和睡眠模式,會始終和基站保持連接,隨時進行數據交互,從而可以有效降低數據接收和發射的延時。其中 eDRX 週期很短,只有 2.56s,也就是在長時間沒有數據交互的情況下,設備從 eDRX 跳出進入連接態,只需 2.56s。

五、賦能和創新帶來的業務模式

利用 NB-IoT 這條穩定的通信鏈路,開發了新增票業務模式和現場大盤監控業務。新增票業務是指:當項目開始驗票後,售票還在進行,為了確保客戶新購買的票能夠核驗,需要將這些數據實時同步到核驗設備上。新增票鏈路自上而下涉及:大麥服務端(新增票來源)、運營商雲平台、麥小智(NB-IoT 設備)、PDA。

一張新增票通過服務端推送給運營商雲平台,然後經過核心網,基站發送給麥小智中的NB-IoT 設備,麥小智接收到NB-IoT 的數據後經過解碼,把新增票通過MQTT 推送給PDA,從而完成了一張新增票的流程。

大盤監控數據流程PDA 將驗票數據通過MQTT 推送給麥小智,麥小智匯總完票務數據後,通過NB-IoT 發送給物聯網雲平台,大麥服務端通過回調地址將上報的數據推送到數據大盤監控。其中還涉及到驗票項目和NB-IoT 設備的綁定和編號規則,用於給制定的項目設備組發送新增票,以及利用NB-IoT 推送設備密鑰用於連接阿里雲IoT 平台,這裡就不再做詳細描述。新增票和監控大盤流程圖如下所示:

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圖 4. 大麥 NB-IoT 的上下行業務

工程應用中對 NB-IoT 新增票鏈路的思考:

1)NB-IoT 只適合固定場景應用,如燃氣表,路燈嗎?

這些場景只是利用了NB-IoT 高覆蓋和低功耗的特點,而且目前市場上對NB-IoT 的應用主要是一些重複數據的上報,並沒有將NB-IoT 其他技術特點去進行探索和創新,造成其應用沒有任何突破和創新;因此結合自身業務以及合理利用技術本身的優勢更為重要。

2)數據通過服務端下發給物聯網平台,物聯網雲平台推送給 NB-IoT 設備,如何保證數據不丟失

除了要考慮物聯網平台,基站的通信質量問題,我們還需要關注設備是否可以 100%接收到數據,這就需要我們通過一些應用層的保障機制來確保數據的到達。

1)接收到的新增票通過什麼方式推送給 PDA,保證 PDA 能夠拿到所有新增票數據

針對不同場景,(如驗票開始前後,新增數據開始推送時間點,以及新增加的驗票設備PDA)需要設計一套全面的同步機制,保障雲端新增數據能夠在驗票項目週期中實時快速的將數據推送至PDA,不影響現場的客戶入場體驗;

2)NB-IoT 的數據傳輸能力如何,是否滿足業務場景,如何處理高並發業務場景

設備過多且集中註冊在同一個基站下,數據收發頻率較高時,就需要考慮並發機制,以免造成基站負載飽和問題。因此在多台設備連接同一個基站下,需要通過優化設備接入機制和數據發送/傳輸頻率來解決高並發的衝突。通過實踐證明,NB-IoT 的實際能力並沒有理論描述的那麼弱,並且可以滿足我們目前新增票和監控數據的業務場景。

3)優化新增票效率和數據安全

針對NB-IoT 數據的傳輸能力,如果用較小的帶寬傳輸較多的有用數據,以及提高傳輸效率需要著重去設計,比如數據壓縮方法;還有從安全的角度,通過加密的算法去保證數據的安全。因此為了保障設備數據的安全和重要信息的存儲,需要一套安全的保障機制。

作者簡介

阿里文娛高級開發工程師 智毅

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