便攜式NB-IoT設(shè)備的低功耗SOTA方法與實現(xiàn)

童樹衛(wèi) 戚一

摘 要：NB-IoT終端現(xiàn)有版本存在軟件問題或功能增加，需要通過SOTA來解決，然而在SOTA過程中，不可避免地出現(xiàn)持續(xù)的高功耗存在，且信號質(zhì)量得不到保障的前提下持續(xù)升級，會降低升級質(zhì)量。面對此類問題，該文提出一種低功耗升級方法，升級時能夠降低設(shè)備功耗的同時又保證設(shè)備通信可靠性。經(jīng)過試驗驗證及結(jié)果顯示，該方法能夠有效地降低功耗，保證產(chǎn)品的使用壽命，且有效地保證了升級的可靠性。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;SOTA;信號質(zhì)量;低功耗;設(shè)備升級;物聯(lián)網(wǎng)平臺

0 引 言

SOTA（Software Over The Air）是通過華為自研的PCP升級協(xié)議，加上內(nèi)置LwM2M協(xié)議的NB-IoT模組，實現(xiàn)對第三方MCU的升級[1]。

NB-IoT技術(shù)是3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的一種低功耗廣域網(wǎng)解決方案，可支持人與物及物與物之間的連接[2]。隨著NB-IoT設(shè)備紅利期的到來，其應(yīng)用范圍也越來越廣，尤其是帶電池工作的NB-IoT終端設(shè)備運(yùn)用日益廣泛。隨著海量物聯(lián)網(wǎng)終端的部署，通過遠(yuǎn)程方式來對終端軟件進(jìn)行升級，日益重要，遠(yuǎn)程方式能大大降低通過人工近端進(jìn)行升級所投入的成本[1，3]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)終端硬件運(yùn)算能力和存儲能力的不斷提升，硬件日益趨向同質(zhì)化。終端軟件的差異化將是構(gòu)建未來物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品的核心競爭力的關(guān)鍵因素。通過在物聯(lián)網(wǎng)終端中引入SOTA，持續(xù)通過遠(yuǎn)程方式構(gòu)建終端軟件的差異化競爭力，使得終端廠商在競爭中脫穎而出。

現(xiàn)有的SOTA技術(shù)雖然能夠解決大部分問題，但在升級過程中也存在著很大隱患：

（1）連續(xù)長時間通信造成功耗急劇增加，根據(jù)電池輸出特性，長時間大電流工作會導(dǎo)致電池電壓急劇下降，若低于NB-IoT模組工作電壓下限，就會導(dǎo)致模組復(fù)位，從而更新失敗，重新啟動后又再次增加能量的損耗，由此造成產(chǎn)品使用壽命的縮減。

（2）在升級過程中會高度依賴網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，由于差分包的體積比較大，升級指令較為復(fù)雜，若在基站信號質(zhì)量不穩(wěn)定的情況下升級，將導(dǎo)致升級率并不是很高的技術(shù)問題。因此，本文提出一種低功耗SOTA方法徹底解決上述問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

本文設(shè)計一種NB-IoT終端SOTA方法，主要涉及兩個部分：終端和服務(wù)器端[4]。NB-IoT終端升級模型如圖1所示。利用華為自帶工具生產(chǎn)差分包，對新舊兩個版本的差異進(jìn)行比較并生成差分包，將生成的差分包上傳至對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺中。物聯(lián)網(wǎng)平臺通過平臺設(shè)置，進(jìn)行軟件包的制作與上傳。根據(jù)需求，進(jìn)行設(shè)備profile里增加軟件升級能力的定義，升級協(xié)議選擇“PCP”。最后通過物聯(lián)網(wǎng)平臺相應(yīng)的軟件升級設(shè)置“創(chuàng)建批量任務(wù)”。由此完成物聯(lián)網(wǎng)平臺的基本設(shè)置。

NB-IoT終端設(shè)備通過NB-IoT通信模組直接與基站連接，在附著核心網(wǎng)成功后即可與服務(wù)器端更新軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以此完成更新代碼的傳遞。

2 物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計

3GPP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義。NB-IoT制式帶寬為200 kHz，目前市面上部署的網(wǎng)絡(luò)子載波為15 kHz，其保護(hù)帶為20 kHz，根據(jù)公式（200 kHz-20 kHz）/15 kHz=12，因此NB-IoT的并發(fā)網(wǎng)絡(luò)容量[5]為12個。NB-IoT終端設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)到同一個基站時，最多允許12個NB-IoT模組同時接入。因此若大量NB-IoT終端設(shè)備同時同步升級，會造成信道堵塞，從而延遲通信，不僅造成NB-IoT終端設(shè)備通信慢，也在等待過程中消耗電池能量，進(jìn)一步降低電池使用壽命。

因此，本文設(shè)計一種離散心跳升級法，即在NB-IoT終端設(shè)備發(fā)送心跳期間，發(fā)送查詢指令或升級包，從而達(dá)到遠(yuǎn)程升級的目的。

物聯(lián)網(wǎng)平臺端處理如圖2所示，用戶通過登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺賬號，根據(jù)要求生成并上傳對應(yīng)的公鑰信息，選擇相應(yīng)的功能添加升級包進(jìn)行上傳處理。當(dāng)平臺判斷差分包版本更改后，在接收到心跳包后第一時間下發(fā)給相對應(yīng)的NB-IoT終端設(shè)備。終端設(shè)備會在發(fā)送心跳包后進(jìn)入IDLE模式，等待數(shù)據(jù)下發(fā)，當(dāng)收到版本更新通知后，立刻進(jìn)入更新程序包準(zhǔn)備工作。平臺會在下一次心跳包到來時判斷NB-IoT終端設(shè)備主動發(fā)送分片升級包請求，請求到來后，升級包分片發(fā)送，直到最后心跳包全部發(fā)送完畢。

3 NB-IoT終端設(shè)備升級設(shè)計

本文設(shè)計的離散心跳升級法在NB-IoT終端設(shè)備中的應(yīng)用，具體流程如圖3所示，在心跳期間接收升級包，并將升級包存入相應(yīng)的地址空間中。NB-IoT終端設(shè)備通過初始化完成后立即進(jìn)入NB模組入網(wǎng)配置環(huán)節(jié)，配置入網(wǎng)后會進(jìn)行休眠模式，并開始計時準(zhǔn)備下一次心跳發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一次心跳收到新版本更新信息時，進(jìn)入軟件更新心跳包模式，每次心跳后發(fā)送接收升級分包片請求，接收完后立即休眠計數(shù)，等待下一次心跳繼續(xù)接收升級包直至升級包下載完成。在升級完成后，再次發(fā)送確認(rèn)信息給物聯(lián)網(wǎng)平臺，進(jìn)入正常心跳模式。

NB-IoT設(shè)備終端MCU中包含兩部分程序，首先要劃分好兩部分程序的存儲位置和空間，可以保證兩部分程序獨(dú)立運(yùn)行，不會相互影響。

MCU程序FLASH地址劃分區(qū)間如圖4所示。除復(fù)位向量中斷以外，其他中斷全部映射到用戶程序當(dāng)中，也就是說引導(dǎo)程序中無法使用中斷向量的方式來處理中斷。

NB模組是通過串口和MCU進(jìn)行相關(guān)交互的，引導(dǎo)程序中無法使用相關(guān)中斷向量來處理中斷，所以在引導(dǎo)程序中是通過循環(huán)檢測的形式來檢測相關(guān)中斷標(biāo)志，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)接收處理機(jī)制。其中，NB模組在引導(dǎo)程序中進(jìn)行相關(guān)配置后，在跳轉(zhuǎn)到用戶程序時無需再進(jìn)行相關(guān)配置，但是務(wù)必注意要保持NB模組的復(fù)位腳一直處于一種電平狀態(tài)（和引導(dǎo)程序中設(shè)定的引腳電平一致）。根據(jù)不同廠家的MCU進(jìn)行不同鏈文件修改，具體方法本文不再贅述。

4 試驗驗證與評估

搭建STM32F103和NB86-G為硬件平臺，對本文設(shè)計的低功耗SOTA方法進(jìn)行試驗驗證，同時驗證本文SOTA方法的消耗功耗以及升級成功率。

試驗設(shè)置如下：更改控制燈光閃爍，并添加采集溫度信息、數(shù)據(jù)上傳或下載失敗紅燈閃爍燈功能。為了保證產(chǎn)品的一致性，更改個別指示燈參數(shù)，讓其閃爍次數(shù)不同，升級差分包字節(jié)為10 KB。為保證通信可靠性，每次分片大小限制在256 B，且基站信號持續(xù)穩(wěn)定。

試驗結(jié)果見表1所列。試驗期間使用全新電池供電，為了能夠?qū)崿F(xiàn)快速升級，試驗設(shè)置的心跳速度為30 min/次。表1中功耗為該試驗組所有次數(shù)消耗能量的總和。

通過表1實驗對比可以發(fā)現(xiàn)，NB-IoT終端設(shè)備利用傳統(tǒng)SOTA方法在升級過程中功耗消耗劇烈，且若長期處于升級狀態(tài)，對電池的供電能力考驗很大。第三組實驗測試過程中，發(fā)現(xiàn)由于設(shè)備長期處于大電流工作模式，導(dǎo)致電池電壓被拉低，從而導(dǎo)致設(shè)備重啟，最終造成設(shè)備升級失敗。

如圖5所示，硬件平臺休眠待機(jī)電流小于10 μA。傳統(tǒng)升級方法每次升級過程中，工作電流會持續(xù)在60 mA左右，且還有更高的脈沖電流存在，每次接收升級包的時間為2 min。

5 結(jié) 語

本文在SOTA的升級策略上進(jìn)行優(yōu)化處理，升級策略與傳統(tǒng)的持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)方法不同，采用離散型心跳升級法，不僅能夠緩解基站信道通信壓力，也能夠降低產(chǎn)品持續(xù)通信產(chǎn)生的功耗問題。通過上述實驗數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)的持續(xù)升級方法在實際應(yīng)用過程中存在不足，而采用本文的離散心跳升級法，能夠避免基站信號通道堵塞，增加升級成功率，降低產(chǎn)品SOTA帶來的功耗損失，從而延遲了產(chǎn)品在實際工程中的使用壽命。

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