NB-IoT共享單車端到端優(yōu)化研究

葉鑫華

摘 要：江西鷹潭為建設(shè)智慧新城，全力發(fā)展NB-IoT業(yè)務(wù)，目前除了拾萬(wàn)量級(jí)的NB-IoT水表業(yè)務(wù)、10 000+量級(jí)的NB-IoT路燈業(yè)務(wù)外，還投放了一定數(shù)量的基于NB-IoT技術(shù)的共享單車，開啟了基于NB-IoT的移動(dòng)類業(yè)務(wù)應(yīng)用。文中就NB-IoT智慧單車的總體解決方案、業(yè)務(wù)模型、投放后存在的問(wèn)題進(jìn)行研究，重點(diǎn)針對(duì)心跳成功率不高的問(wèn)題進(jìn)行探討，從網(wǎng)絡(luò)、終端、業(yè)務(wù)模型等方面進(jìn)行分析，提出解決方法與端到端優(yōu)化建議，對(duì)類似移動(dòng)類NB-IoT應(yīng)用有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;智慧單車;業(yè)務(wù)模型;心跳成功率;端到端;智能鎖

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-0-05

0 引 言

傳統(tǒng)單車智能鎖使用2G模組進(jìn)行通信，功耗較大，電池?zé)o法滿足智能鎖全生命周期（2年）的使用，且2G網(wǎng)絡(luò)接入容量存在瓶頸。而NB-IoT憑借低功耗、穿透力強(qiáng)、大容量等優(yōu)勢(shì)，與共享單車的應(yīng)用場(chǎng)景完美契合。功耗低，可以保障單車在2～3年無(wú)需充電，穿透力強(qiáng)讓用戶在樓道、地下室等信號(hào)不好的地方也能實(shí)現(xiàn)解鎖，大容量連接可以解決一些地鐵口、高校等區(qū)域的接入問(wèn)題。NB-IoT共享單車總體架構(gòu)如圖1所示。

1 總體解決方案

終端層：終端設(shè)備的核心為ofo智能車鎖，智能車鎖由GPS模塊、三軸傳感器、NB-IoT通信模組、MCU和電池、藍(lán)牙等組成的智能模塊和機(jī)械裝置組成。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)側(cè)采用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，需要芯片支持在終端側(cè)設(shè)置進(jìn)入PSM模式（關(guān)鎖后省電）和DRX模式（開鎖后保障實(shí)時(shí)性）。

平臺(tái)層：IoT平臺(tái)通過(guò)安裝插件的方式對(duì)上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并上報(bào)給上層應(yīng)用。后續(xù)平臺(tái)將支持終端軟件升級(jí)。

應(yīng)用層：主要負(fù)責(zé)單車上報(bào)的開鎖/關(guān)鎖時(shí)間進(jìn)行資費(fèi)結(jié)算，以及統(tǒng)計(jì)單車位置等信息。后續(xù)將根據(jù)政府規(guī)定支持電子圍欄等功能。

2 鷹潭ofo業(yè)務(wù)模型

2.1 總體流程簡(jiǎn)述

車輛停放時(shí)終端處于PSM狀態(tài)，打開車鎖后，車輛需要通過(guò)TAU流程從PSM狀態(tài)切換到DRX狀態(tài)。騎行過(guò)程中，終端保持在DRX狀態(tài)。關(guān)鎖后，終端通過(guò)TAU切換到PSM狀態(tài)。

ofo業(yè)務(wù)包括關(guān)鎖時(shí)依次進(jìn)行上行鎖車信息上報(bào)（結(jié)單數(shù)據(jù)）、下行密碼更新指示、上行密碼更新確認(rèn)、上報(bào)位置信息（取決于是否有GPS信息，上報(bào)時(shí)間待ofo確認(rèn)）。此外，ofo每間隔一個(gè)小時(shí)上報(bào)一次心跳包（當(dāng)前部署的鎖的心跳包周期后續(xù)可能會(huì)改變）。

ofo與服務(wù)器交互的數(shù)據(jù)流程主要包括心跳運(yùn)維類數(shù)據(jù)上報(bào)和關(guān)鎖結(jié)算類流程。

2.2 單車心跳運(yùn)維數(shù)據(jù)上報(bào)

單車心跳和運(yùn)維數(shù)據(jù)上報(bào)的條件如下：

（1）從最后一次單車鎖車結(jié)算開始，若24小時(shí)無(wú)人使用，則觸發(fā)單車心跳運(yùn)維數(shù)據(jù)上報(bào)。

（2）單車在鎖車狀態(tài)時(shí)，根據(jù)三軸傳感器檢測(cè)到的單車持續(xù)運(yùn)動(dòng)若超過(guò)3 min（ofo需要根據(jù)實(shí)際使用情況調(diào)整具體時(shí)間），則觸發(fā)運(yùn)維數(shù)據(jù)上報(bào)。單車運(yùn)維人員在搬送車輛時(shí)會(huì)通過(guò)手機(jī)APP通知單車，不進(jìn)行此檢測(cè)。

2.3 單車關(guān)鎖結(jié)算流程

單車結(jié)算流程在用戶鎖車時(shí)觸發(fā)，單車需要上報(bào)開鎖時(shí)間、關(guān)鎖時(shí)間等信息，結(jié)算后ofo應(yīng)用將下發(fā)新的密碼至單車。為了保障結(jié)算實(shí)時(shí)性，單車的位置信息在結(jié)算完成后上報(bào)。

（1）單車用戶到達(dá)目的地后，關(guān)閉單車鎖，單車鎖將記錄開鎖時(shí)間和關(guān)鎖時(shí)間，并上報(bào)至ofo應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)GPS位置搜索。

（2）ofo應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)單車的開鎖時(shí)間和關(guān)鎖時(shí)間與手機(jī)APP進(jìn)行資費(fèi)計(jì)算，ofo要求從關(guān)鎖到手機(jī)APP收到結(jié)算信息的時(shí)間不超過(guò)5 s。

（3）ofo應(yīng)用系統(tǒng)將新的密碼下發(fā)至單車，單車進(jìn)行密碼更新，此時(shí)命令需要設(shè)置為立即下發(fā)。另外，平臺(tái)側(cè)有上行觸發(fā)下行消息下發(fā)的超時(shí)定時(shí)器，如果超過(guò)定時(shí)器則時(shí)間緩存下發(fā)，定時(shí)器默認(rèn)值為6 s（建議修改為20 s或以上）。密碼更新的執(zhí)行關(guān)系ofo應(yīng)用系統(tǒng)與終端密碼的一致性，所以ofo應(yīng)用需要獲取終端命令執(zhí)行結(jié)果，因此下發(fā)配置時(shí)設(shè)置回調(diào)URL，平臺(tái)將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給ofo應(yīng)用。應(yīng)用層超時(shí)未收到命令執(zhí)行結(jié)果則認(rèn)為密碼更新失敗，使用原有密碼;終端側(cè)上報(bào)消息失敗，則使用原有密碼。

（4）GPS位置搜索成功后將位置數(shù)據(jù)上報(bào)給ofo應(yīng)用系統(tǒng)。

（5）終端設(shè)置模組進(jìn)入PSM模式，模組通過(guò)TAU與核心網(wǎng)協(xié)商進(jìn)入PSM態(tài)。

異常流程如下：

（1）如果終端鎖車時(shí)間數(shù)據(jù)上報(bào)失敗，則嘗試進(jìn)行2次數(shù)據(jù)重發(fā)。重傳失敗，則緩存開關(guān)鎖時(shí)間，在下一次啟動(dòng)關(guān)鎖業(yè)務(wù)流程時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)。

（2）應(yīng)用層收到終端關(guān)鎖數(shù)據(jù)后下發(fā)密碼;如果未收到終端密碼更新成功消息，則認(rèn)為密碼更新失敗，保持原有密碼，且不重發(fā)。

（3）智能鎖收到新的密碼后便更新密碼，但仍需保存原有密碼。密碼更新結(jié)果上報(bào)失敗，則立即重發(fā)，若嘗試2次均失敗，則不再上報(bào)，智能鎖需要恢復(fù)為原有密碼。

（4）智能鎖上報(bào)GPS位置信息，若上報(bào)失敗，則嘗試進(jìn)行2次重傳，重傳失敗則不再上報(bào)。

3 NB-IoT單車端到端應(yīng)用問(wèn)題研究

鷹潭ofo單車主要投放在江西師專地區(qū)，用于小批量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)存在ofo服務(wù)器概率性無(wú)法收到單車定期上報(bào)心跳數(shù)據(jù)的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題我們分別從平臺(tái)、核心網(wǎng)、基站、終端進(jìn)行端到端隔離定界，分步解決問(wèn)題，總結(jié)應(yīng)用案例。

3.1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)無(wú)線環(huán)境優(yōu)化

NB-IoT應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)，首要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化，提升RSRP及SINR值。當(dāng)前鷹潭ofo智能單車均部署在鷹潭新師范校園內(nèi)，校園內(nèi)部信號(hào)偏弱，距離校園區(qū)域最近的站點(diǎn)貴溪周塘扇區(qū)未正向覆蓋，信號(hào)較差。由于無(wú)主服務(wù)小區(qū)導(dǎo)致整體SINR較差，僅為7.55。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定相應(yīng)的NB-IoT基站優(yōu)化方案：

（1）調(diào)整貴溪周塘9小區(qū)方位角340°至55°，7小區(qū)調(diào)整方位角100°至145°，調(diào)整9小區(qū)RS功率至352，調(diào)整7小區(qū)RS功率至212;

（2）貴溪夏家?guī)X8小區(qū)調(diào)整方位角240°至190°，RS功率調(diào)整至352;

（3）鷹潭童家官山瑤山徐家7小區(qū)RS功率調(diào)整至352

（由于原先角度有密集村莊，為保證LTE信號(hào)覆蓋方位角未做調(diào)整）。

優(yōu)化后覆蓋指標(biāo)改善明顯，詳細(xì)覆蓋指標(biāo)見(jiàn)表1所列。RSRP覆蓋圖對(duì)比如圖2所示，SINR覆蓋圖對(duì)比如圖3所示。

3.2 NB-IoT終端側(cè)問(wèn)題研究

通過(guò)心跳壓力測(cè)試進(jìn)行問(wèn)題復(fù)現(xiàn)，定位排查發(fā)現(xiàn)終端存在如下7個(gè)主要問(wèn)題，具體見(jiàn)表2所列。

問(wèn)題1：MCU設(shè)計(jì)不合理

問(wèn)題描述：在信號(hào)較差區(qū)域終端注冊(cè)時(shí)間較長(zhǎng)場(chǎng)景下，MCU發(fā)送心跳包、模組返回ERROR，MCU連續(xù)嘗試4次發(fā)送心跳包均返回失敗后，則復(fù)位模組心跳包發(fā)送失敗，需要ofo MCU側(cè)優(yōu)化發(fā)送心跳包邏輯。

MCU發(fā)送過(guò)于頻繁，存在設(shè)計(jì)不合理問(wèn)題。終端返回ERROR：513并非表示注冊(cè)失敗，但MCU認(rèn)為任務(wù)失敗，將重新發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致10多秒鐘內(nèi)4次嘗試耗盡，業(yè)務(wù)重啟。

存在影響：深度覆蓋下可能丟失心跳包;心跳包可能延時(shí)。

優(yōu)化建議：修改業(yè)務(wù)模型，發(fā)送完數(shù)據(jù)包后忽略異常返回，只對(duì)正確返回敏感，等待固定時(shí)間（發(fā)包間隔時(shí)間內(nèi)若收到回包，則此間隔時(shí)間無(wú)效）。

問(wèn)題2：車鎖未占用最強(qiáng)小區(qū)

問(wèn)題描述：車鎖所在主服務(wù)區(qū)存在強(qiáng)鄰區(qū)，當(dāng)芯片從PSM態(tài)退出發(fā)送心跳包時(shí)會(huì)觸發(fā)芯片B657SP2已知bug，導(dǎo)致芯片接入失敗。

問(wèn)題分析：當(dāng)芯片從PSM狀態(tài)跳出來(lái)，會(huì)恢復(fù)主服務(wù)小區(qū)，但由于存在強(qiáng)鄰區(qū)，因此搜索小區(qū)時(shí)鄰區(qū)排在主服務(wù)小區(qū)前，導(dǎo)致主服務(wù)小區(qū)與基站時(shí)域不同步，從而讀取主服務(wù)小區(qū)系統(tǒng)消息失敗，致使主小區(qū)（149）被bar;然后選擇較遠(yuǎn)鄰區(qū)（234），因?yàn)檫h(yuǎn)區(qū)信號(hào)質(zhì)量差，所以駐留該小區(qū)失敗;芯片再次搜索小區(qū)，只搜索到主服務(wù)小區(qū)時(shí)，因主服務(wù)小區(qū)已被bar，所以等同于未搜到小區(qū)，此時(shí)芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)（約10 min）;MCU側(cè)隨機(jī)接入失敗（無(wú)法駐留遠(yuǎn)端小區(qū)），發(fā)送心跳包無(wú)反應(yīng)（芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)），當(dāng)MCU 4次心跳嘗試均失敗后，芯片重啟，重新發(fā)送心跳包。

優(yōu)化建議：此問(wèn)題已在終端B657SP3版本解決，升級(jí)終端即可。

問(wèn)題3：CDMA帶外干擾大導(dǎo)致芯片高概率解析失敗

問(wèn)題描述：在鷹潭師范校園信號(hào)質(zhì)量RSRP-100 dbm，SNR 0條件下，芯片DCI解析失敗概率較高。

問(wèn)題分析：由于芯片AGC鎖的檔位設(shè)置存在問(wèn)題，進(jìn)一步提取芯片日志后發(fā)現(xiàn)芯片AGC解調(diào)失敗，當(dāng)RSSI約為-90時(shí)，AGC檔位選擇為6（異常），理論應(yīng)選值約為10。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)網(wǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，分別排除芯片版本、模組版本、模組版本燒制等問(wèn)題，問(wèn)題定位到空口。通過(guò)掃頻儀對(duì)問(wèn)題車輛停放位置進(jìn)行干擾排查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題區(qū)域存在CDMA室分，且附近有CDMA直放站，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)CDMA信號(hào)比NB信號(hào)強(qiáng)約40 dB，如圖4所示，帶外阻塞干擾大，導(dǎo)致芯片AGC解調(diào)失敗，終端無(wú)法接入，心跳包發(fā)送失敗。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題場(chǎng)景下存在CDMA室分，NB信號(hào)相對(duì)較弱（比CDMA信號(hào)低約40 dB），導(dǎo)致NB車鎖無(wú)法接入，心跳發(fā)送失敗（在考慮路損情況下，當(dāng)CDMA信號(hào)與NB信號(hào)相差36～46 dB時(shí)，NB終端無(wú)法接入）。

優(yōu)化建議：在不新建NB站的情況下，對(duì)問(wèn)題區(qū)域的C網(wǎng)站點(diǎn)進(jìn)行降功率操作，掃頻復(fù)測(cè)后效果明顯，能夠抑制鄰頻干擾。

差值對(duì)比見(jiàn)表3所列。

優(yōu)化效果評(píng)估：解決主要問(wèn)題后，ofo再次投放53輛NB單車于鷹潭，統(tǒng)計(jì)的心跳成功率達(dá)97.5%，5 s結(jié)單率超98%，優(yōu)化效果明顯，基本可滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

優(yōu)化效果對(duì)比如圖5所示。

3.3 多場(chǎng)景業(yè)務(wù)性能驗(yàn)證測(cè)試

為了測(cè)試優(yōu)化后NB單車在不同場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)性能，我們?cè)谌缦聢?chǎng)景做了業(yè)務(wù)開關(guān)鎖測(cè)試以測(cè)試結(jié)單時(shí)延，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果基本可滿足業(yè)務(wù)需求。

3.3.1 基站間切換測(cè)試

在兩個(gè)基站間來(lái)回騎行測(cè)試，不斷測(cè)試關(guān)鎖、開鎖，統(tǒng)計(jì)成功率和時(shí)延，共測(cè)試樣本17次，平均端到端時(shí)延為3.49 s，

最大時(shí)延不超過(guò)4 s。人工計(jì)時(shí)關(guān)鎖結(jié)單時(shí)延如圖6所示。

3.3.2 深度覆蓋、淺覆蓋切換測(cè)試

測(cè)試主要場(chǎng)景如下：

（1）從非深度覆蓋區(qū)域移動(dòng)至深度覆蓋區(qū)域;

（2）在深度覆蓋區(qū)域定點(diǎn)測(cè)試;

（3）從深度覆蓋區(qū)域移動(dòng)至非深度覆蓋區(qū)域。

測(cè)試樣本次數(shù)為13，平均時(shí)延3.58 s，最長(zhǎng)時(shí)延不超過(guò)5.3 s。人工計(jì)時(shí)結(jié)算時(shí)延如圖7所示。

上行發(fā)包時(shí)延統(tǒng)計(jì)多為上行心跳以及位置上報(bào)等數(shù)據(jù)，不影響用戶直接體驗(yàn)，時(shí)延最大3.88 s。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)ofo應(yīng)用的優(yōu)化，解決了ofo SIM卡座硬件bug、業(yè)務(wù)時(shí)序等關(guān)鍵問(wèn)題，ofo心跳成功率由82%提升至98%，10 s開鎖成功率已超過(guò)98%，共閉環(huán)ofo端到端問(wèn)題28個(gè)，針對(duì)近期的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，相關(guān)端到端部署建議見(jiàn)表4所列。

在考慮路損的情況下，由于阻塞干擾，當(dāng)CDMA信號(hào)與NB信號(hào)相差36～46 dB時(shí)，NB終端無(wú)法接入，故建議NB與CDMA網(wǎng)絡(luò)一比一建站，相同覆蓋，減少鄰頻干擾。

參 考 文 獻(xiàn)

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