基于NB-IoT技術(shù)的智能停車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任小強(qiáng)（中國移動(dòng)通信集團(tuán)甘肅有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州730000）

0 引言

近年來，我國私家車數(shù)量增長(zhǎng)迅速，然而停車位數(shù)量卻增長(zhǎng)緩慢，停車難問題正愈演愈烈，主要有以下幾個(gè)方面。

a）停車位不足，據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車保有量與停車位比例應(yīng)在1∶（1.2～1.4），我國大城市比例約1∶0.8，中小城市1∶0.5，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，停車位缺5 000萬左右。

b）停車位利用率低，車主無法實(shí)時(shí)找到空閑的停車位導(dǎo)致平均停車時(shí)間長(zhǎng)達(dá)18 min，從而導(dǎo)致違規(guī)停車，引發(fā)交通擁堵等問題，調(diào)查顯示，約30%的擁堵是由于車主四處尋找停車位導(dǎo)致。

c）管理運(yùn)營(yíng)成本高，目前停車位管理多為人員監(jiān)督，采取管理員收費(fèi)機(jī)制，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本高、停車費(fèi)管理混亂、運(yùn)營(yíng)效率低下等問題［1］。依靠信息化技術(shù)提高停車位的使用率將是緩解停車難問題的重要途徑。本文設(shè)計(jì)的基于NB-IoT的共享停車位管理系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)車位鎖相結(jié)合，將私人停車位和路邊停車位通過車位鎖設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理，實(shí)現(xiàn)了停車位的信息化，為城市停車位的分時(shí)共享提供技術(shù)解決方案。智能車位鎖控制器能夠接收云服務(wù)器發(fā)送的命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開鎖功能，同時(shí)能夠自動(dòng)檢測(cè)車輛是否駛離，在車輛駛離后，向云服務(wù)器發(fā)送“車已駛離”信息，并自動(dòng)升起車位鎖，解除車位資源占用，讓個(gè)人停車變得輕松、簡(jiǎn)單，提高空閑車位的使用率，統(tǒng)一監(jiān)管城市路側(cè)停車，解決亂停車、亂收費(fèi)等問題，同時(shí)由于全程線上作業(yè)，可有效減少停車場(chǎng)人工成本投入和監(jiān)管壓力。

1 NB-IoT技術(shù)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)根據(jù)覆蓋效果主要分為2類：一類是以Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee為主的短距離通信技術(shù)；另一類是以NB-IoT、eMTC、LoRa和SigFox為主的長(zhǎng)距離通信技術(shù)，該類技術(shù)一般具備強(qiáng)覆蓋、小功耗、低成本和大連接等特性，又稱LPWA。另外物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景分為高速率、低速率和中速率場(chǎng)景3種，低速率場(chǎng)景就是以NB-IoT技術(shù)為主的電力抄表、智能水表、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能門禁、智能停車、智能路燈和資產(chǎn)標(biāo)簽為主的應(yīng)用場(chǎng)景?；诜涓C的NB-IoT只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，大大降低了部署成本。NB-IoT基本特點(diǎn)如下。

a）超強(qiáng)覆蓋：NB-IoT上行傳輸有3.75和15 kHz 2種帶寬可供選擇，帶寬越小，功率譜密度越大，覆蓋增益越大，NB-IoT的功率譜密度相比GSM增強(qiáng)7 dB，相比LTE增強(qiáng)17 dB。另外NB-IoT通過重復(fù)發(fā)送，獲得時(shí)間分集增益，并采用低階調(diào)制方式，提高解調(diào)性能，增強(qiáng)覆蓋，NB-IoT的所有信道都可以重傳，協(xié)議規(guī)定，上行最大重傳128次，下行最大重傳2 048次。重傳1次，理論上覆蓋增強(qiáng)3 dB，但是降低了傳輸碼率，重復(fù)的本質(zhì)是以資源利用率的降低來換取可靠性的提升，重復(fù)次數(shù)越多，性價(jià)比越低。

b）超大連接：在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，直接利用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)容易造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過高，NB-IoT采用無連接設(shè)計(jì)、NAS簡(jiǎn)化、基站1T2R/2T2R、終端1T1R和15 kHz的小粒度調(diào)度算法等技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行優(yōu)化，使200 kHz的頻率可以提供10萬個(gè)連接，具有海量設(shè)備連接能力。

c）超低成本：NB-IoT基于成本考慮，對(duì)FDD-LTE的全雙工方式進(jìn)行改造，僅支持半雙工方式，只保留一套收發(fā)信機(jī)，節(jié)省雙工器的成本。協(xié)議棧上對(duì)物理層、MAC層等進(jìn)行了重大簡(jiǎn)化，降低運(yùn)算能力。另外產(chǎn)業(yè)鏈及運(yùn)營(yíng)預(yù)期的單個(gè)接連模塊不超過5美元，芯片價(jià)格為1～2美元，隨著網(wǎng)絡(luò)部署成本的降低，每個(gè)模組的批量成本價(jià)格預(yù)計(jì)可以降到2美元左右。

圖1 共享停車系統(tǒng)體系架構(gòu)組成

2 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)不同，主要特點(diǎn)是終端數(shù)量眾多，節(jié)能要求高，小包收發(fā)業(yè)務(wù)為主，非格式化的Non-IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。為了適應(yīng)NB-IoT終端的接入需求，3GPP對(duì)LTE/EPC進(jìn)行了較大的改進(jìn)，一個(gè)典型的共享停車系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示，它由通信終端、NB-IoT基站、PTN、NB-IoT核心網(wǎng)和NB-IoT業(yè)務(wù)平臺(tái)、應(yīng)用服務(wù)器和應(yīng)用層等幾部分組成。

a）物聯(lián)網(wǎng)終端。物聯(lián)網(wǎng)終端主要由控制器、地磁傳感器模塊、NB-IoT模組、USIM卡及電池模塊組成?？刂破髦饕?fù)責(zé)地磁傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理及分析，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)車輛的狀態(tài)進(jìn)行精確識(shí)別，進(jìn)而控制NB-IoT模組進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸；地磁傳感器周期性測(cè)量停車位區(qū)域磁場(chǎng)的變化來感知車輛的狀態(tài)；NB-IoT模組負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送和云端系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收；USIM用于對(duì)終端的授權(quán)、加密和計(jì)費(fèi)；電池模塊主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源，物聯(lián)網(wǎng)終端通過空口連接到基站。

b）eNodeB。NB-IoT基站主要負(fù)責(zé)空口接入和小區(qū)管理等相關(guān)功能，通過S1-lite接口與IoT核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。NBIoT可以獨(dú)立組網(wǎng)，也可以通過升級(jí)改造現(xiàn)有的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)達(dá)到支持NB-IoT的目的，以中國移動(dòng)為例，900 MHz里面有一個(gè)比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2G的頻段，就可以同時(shí)部署LTE和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

c）PTN傳輸網(wǎng)。在IP業(yè)務(wù)和底層光傳輸媒質(zhì)之間設(shè)置了一個(gè)層面，它針對(duì)分組業(yè)務(wù)流量的突發(fā)性和統(tǒng)計(jì)復(fù)用傳送的要求而設(shè)計(jì)，以分組業(yè)務(wù)為核心并支持多業(yè)務(wù)提供，具有更低的總體使用成本（TCO），同時(shí)秉承光傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)優(yōu)勢(shì)，包括高可用性和可靠性、高效的帶寬管理機(jī)制和流量工程、便捷的OAM和網(wǎng)管、可擴(kuò)展、較高的安全性等。

d）NB-IoT核心網(wǎng)。NB-IoT核心網(wǎng)與現(xiàn)有的EPC核心網(wǎng)不同，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使其更好地支持低速率、大連接、廣覆蓋的通信業(yè)務(wù)，主要承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，并將NB-IoT相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺(tái)進(jìn)行處理。NB-IoT可以獨(dú)立組網(wǎng)，也可以與LTE共用核心網(wǎng)。

e）NB-IoT平臺(tái)。業(yè)務(wù)平臺(tái)對(duì)通信終端采集到的數(shù)據(jù)做綜合處理，包括設(shè)備故障告警、數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)以及趨勢(shì)分析等，它的主要功能是匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用器進(jìn)行處理。

f）應(yīng)用服務(wù)器。IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用雙機(jī)熱備份，為了支持海量設(shè)備接入而不影響性能，安裝工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫OpenPlant。該平臺(tái)基于B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶通過瀏覽器訪問平臺(tái)門戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維、遠(yuǎn)程服務(wù)，實(shí)現(xiàn)門戶展示和告警管理。

g）用戶層。車主可以使用手機(jī)APP、瀏覽器、微信小程序等查看、預(yù)定車位及在線計(jì)費(fèi)等。目前應(yīng)用層手機(jī)APP主要集成車位查詢、車位預(yù)訂及導(dǎo)航功能，商用時(shí)可將部分同意合作的小區(qū)加入共享車位功能。

3 業(yè)務(wù)測(cè)試及分析

智慧停車系統(tǒng)業(yè)務(wù)測(cè)試主要從覆蓋、時(shí)延、功耗、干擾和穿損等5個(gè)方面展開，總體測(cè)試結(jié)果表明，在極好點(diǎn)（RSRP＜-100 dBm，SINR＞20 dB）時(shí)，車輛到達(dá)時(shí)延平均值為13.87 s，車輛離開時(shí)延平均值為15.75 s，車輛到達(dá)成功率和離開成功率均為100%，業(yè)務(wù)測(cè)試完全正常，在好點(diǎn)和中點(diǎn)，該系統(tǒng)業(yè)務(wù)不能正常使用。

a）覆蓋測(cè)試。當(dāng)RSRP＜-100 dBm時(shí)，車位檢測(cè)器無法注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)。與RDA測(cè)試終端相比，業(yè)務(wù)終端接收性能差。因此對(duì)于實(shí)測(cè)信號(hào)電平小于-100 dBm的地下停車場(chǎng)，建議引入傳統(tǒng)室分或者新型室分設(shè)備提升覆蓋后再進(jìn)行部署。

b）時(shí)延測(cè)試。極好點(diǎn)的16次時(shí)延測(cè)試結(jié)果表明，時(shí)延最小值和平均值均表現(xiàn)良好，時(shí)延最小值為4 s，平均值為20 s；在所有超過30 s以上的異常時(shí)延中，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理，在沒有收到ACK時(shí)，終端會(huì)有重傳，保證成功率。

c）功耗測(cè)試。以智能停車為代表的部分NB業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延有較高要求，智能停車首次演示時(shí)延達(dá)到15 s以上，經(jīng)過多次調(diào)整模組心跳周期并排除網(wǎng)絡(luò)干擾問題后，達(dá)到6 s左右的水平，但隨之功耗也明顯上升。在極好點(diǎn)進(jìn)行功耗測(cè)試，連接態(tài)為50 mA，空閑態(tài)為21 mA，通信態(tài)為270 mA，休眠態(tài)為600 μA。使用專用停車電池：60 000 mAH電池，可以用60 000/26.4=2 273天=6.23年。對(duì)于人流量大的停車場(chǎng)，犧牲休眠機(jī)制，模組心跳周期設(shè)為秒級(jí)，為保證使用壽命，本次測(cè)試使用了業(yè)界最大的20 000 mAH電池，按照現(xiàn)在犧牲休眠機(jī)制的做法可以使用4年左右。如果既要滿足隨機(jī)性的停車需求，又要滿足休眠機(jī)制降低能耗，可以通過移動(dòng)基站發(fā)送喚醒命令來喚醒硬件設(shè)備。實(shí)際部署可根據(jù)車場(chǎng)使用頻繁度優(yōu)化電池方案，如集成式電池方便更換、大容量電池、優(yōu)化設(shè)備喚醒算法。此外系統(tǒng)電平與功耗也存在一定關(guān)系，隨著電平的減弱，系統(tǒng)功耗不斷增加。

d）穿損測(cè)試。從測(cè)試數(shù)據(jù)看，水泥道路信號(hào)衰減最大且越厚越明顯，較厚的水泥的穿透損耗與球磨鑄鐵相當(dāng)。一般情況下，穿透損耗在6～10 dB。

e）干擾測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)干擾小時(shí)，地鎖的時(shí)延可控制2 s以內(nèi)；若出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾導(dǎo)致重傳次數(shù)增加時(shí)，時(shí)延達(dá)到9～10 s。分析發(fā)現(xiàn)，在近點(diǎn)，干擾噪聲-110 dBm是重要分水嶺。當(dāng)干擾小于-110 dBm時(shí)業(yè)務(wù)正常，高于-110 dBm時(shí)會(huì)頻繁出現(xiàn)指令重傳的情況，該經(jīng)驗(yàn)可用于指導(dǎo)后續(xù)NB網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。該系統(tǒng)對(duì)鄰頻干擾非常明顯，特別是不共站場(chǎng)景造成鄰頻遠(yuǎn)近效應(yīng)干擾和G網(wǎng)室分干擾，對(duì)于有C網(wǎng)室分場(chǎng)景需要部署地下停車系統(tǒng)，NB-IoT需要同步部署室分信號(hào)。此外室外拉遠(yuǎn)非1∶1組網(wǎng)場(chǎng)景也會(huì)有遠(yuǎn)近效應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)NB阻塞干擾的情況。

f）地磁安裝測(cè)試。系統(tǒng)的性能與地磁設(shè)備的安裝有關(guān)，一般的停車位主要有3種：水平、垂直和傾斜車位。3種車位的地磁設(shè)備安裝位置建議如圖2所示。

圖2地磁設(shè)備安裝位置示意圖

4 結(jié)論

利用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)整合城市停車資源、采用地磁加地鎖的方式實(shí)現(xiàn)停車位的統(tǒng)一發(fā)布和管理，從而實(shí)現(xiàn)停車位的資源共享，有效減輕城市交通管理壓力，具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。未來將傳統(tǒng)停車場(chǎng)的有限資源物聯(lián)網(wǎng)化，經(jīng)云端管理并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，獲取閑置車位資源和最優(yōu)路徑，經(jīng)OTT平臺(tái)實(shí)時(shí)推送，在場(chǎng)外對(duì)車輛進(jìn)行停車場(chǎng)引導(dǎo)，在場(chǎng)內(nèi)根據(jù)泊位信息指引車主停車和快速尋車。使用光學(xué)識(shí)別和身份綁定技術(shù)進(jìn)行快捷支付，實(shí)現(xiàn)無人值守的智能停車引導(dǎo)系統(tǒng)。