打破行业困境,大麦如何引领 NB-IoT 技术的创新应用

阅读数:2 2020 年 3 月 16 日 11:00

打破行业困境,大麦如何引领NB-IoT 技术的创新应用

一、物联网 NB-IoT 技术简介

  1. 业务背景

受限于移动蜂窝网络(2G/3G/4G)容量问题,人流密集的场所会造成网络通信瘫痪,这种况下使用移动网络的业务就会受到灾难性的影响。因此解决移动网络问题,成为现场娱乐行业的首要任务和挑战。5G 通信技术虽说在设备容量上增加到每平方公里 100 万个,但其大规模部署和低廉的模组仍需时日。因此用于物与物通信的窄带物联网技术 NB-IoT 是否可以解决现场网络问题呢?

打破行业困境,大麦如何引领NB-IoT 技术的创新应用

图 1. NB-IoT 技术的优点
  1. NB-IoT 的技术特点

NB-IoT 是有电信级保障的物与物之间的长距离通信技术,相对于短距离通信和私有技术优势明显。因此在大型娱乐现场或者体育赛事中,NB-IoT 就像是一条救援通道,可以正常运行。

图中 1 描述,NB-IoT 带宽 200KHz,上下行最大传输速率 250kbps,单个基站网络容量在 4-5 万个 NB 设备,信号覆盖范围比传统通信网络有 20dB 的增强,因此可以有效覆盖室内,地下室等遮挡严重的环境。NB-IoT 另一个特性就是低功耗,通过使能 PSM(Power Saving Mode)和 eDRX(enhenced Discontinuous Reception)功能可以起到降低功耗的作用。该方法主要是通过减少 NB-IoT 设备和基站的信令交互以及数据上报的频率来达到降低功耗的目的,以上都是 NB-IoT 技术的一些优点。

二、NB-IoT 平台的选择

工程化的目的是针对项目的使用场景,合理和创新地使用已有技术的优缺点,将其业务性能发挥到最优。目前 NB-IoT 由三大运营商来运营,因此基础设施完善,通信质量有保障。我们选择 NB-IoT 原因如下:

  1. 运营商 NB-IoT 基站部署早,最先运营,覆盖地区范围最广

如下图所示 [1](数据来源于中国运营商)运营商 NB-IoT 覆盖全国 30 个省和直辖市,且区域覆盖率都在 93% 以上,可以满足全国多数大型场馆以及郊区户外场景,其中大麦的业务场景主要包括城市中的大型场馆,以及郊区的音乐节场地;

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图 2. NB-IoT 全国分布和覆盖率情况
  1. 平台有开放的 API 接口,支持第三方应用平台的接入

运营商物联网开放平台提供了海量 API 接口给第三方应用开发者。通过调用平台的接口,开发者可以开发出基于多种行业设备的应用,如公共事业、智慧家庭、智慧场馆等,从而实现对设备的管理(包括设备的增、删、查、改)、数据采集、命令下发和消息推送等功能。

三、NB-IoT 通信协议

NB-IoT 设备和运营商物联网开放平台之间采用 CoAP 协议通讯(注: 在设备侧,CoAP 协议栈一般由 NB-IOT 芯片模组实现),CoAP 消息的 payload 为应用层数据,应用层数据的格式由设备自行定义。由于 NB-IoT 设备一般对省电要求较高,所以应用层数据一般不采用流行的 json 格式,而是采用二进制格式。

NB-IoT 设备只能发送 ASCII 码,因此发送的数据需要先转换成对应的 ASCII。该数据需要通过物联网云平台的编解码插件转换成对应的 json 数据,通过运营商平台预留的回调接口发送给服务端;下行服务端发送的数据,需要对应的编解码插件转化成 NB-IoT 可以识别的 ASCII 码,设备通过串口接收解析数据。详细流程如下图 3 所示。

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图 3. NB-IoT 终端和物联网平台的交互流程

四、如何提高 NB-IoT 的实时性:

NB-IoT 的一个优点是低功耗,一块电池理论上可以使用 10 年,但低功耗是以牺牲实时性为代价。之所以能够实现低功耗,是由于 PSM 和 eDRX 功能的引入,目的是减小数据发送频次,减少和基站的信令交互。这种低功耗适用于检测类设备,对实时性要求不高,数据重复性大的场景。但我们要应用的场景是演唱会或赛事的新增票,对数据实时性要求很高,也就是不希望 NB-IoT 模块进入 PSM 或 eDRX 模式,设备始终保持和基站的连接。因此选择合适的 NB-IoT 业务模式,也是至关重要的。NB-IoT 的业务模式,决定了 NB-IoT 的使用场景,基站通过获取设备 SIM 卡 APN(Access Point Name)的业务参数,来对 NB-IoT 设备进行控制。

根据我们的业务场景,我们需要选择设备和基站始终处于交互状态,也就是一旦 NB 设备连接上基站后,不会进入空闲和睡眠模式,会始终和基站保持连接,随时进行数据交互,从而可以有效降低数据接收和发射的延时。其中 eDRX 周期很短,只有 2.56s,也就是在长时间没有数据交互的情况下,设备从 eDRX 跳出进入连接态,只需 2.56s。

五、赋能和创新带来的业务模式

利用 NB-IoT 这条稳定的通信链路,开发了新增票业务模式和现场大盘监控业务。新增票业务是指:当项目开始验票后,售票还在进行,为了确保客户新购买的票能够核验,需要将这些数据实时同步到核验设备上。新增票链路自上而下涉及:大麦服务端(新增票来源)、运营商云平台、麦小智(NB-IoT 设备)、PDA。

一张新增票通过服务端推送给运营商云平台,然后经过核心网,基站发送给麦小智中的 NB-IoT 设备,麦小智接收到 NB-IoT 的数据后经过解码,把新增票通过 MQTT 推送给 PDA,从而完成了一张新增票的流程。

大盘监控数据流程 PDA 将验票数据通过 MQTT 推送给麦小智,麦小智汇总完票务数据后,通过 NB-IoT 发送给物联网云平台,大麦服务端通过回调地址将上报的数据推送到数据大盘监控。其中还涉及到验票项目和 NB-IoT 设备的绑定和编号规则,用于给制定的项目设备组发送新增票,以及利用 NB-IoT 推送设备密钥用于连接阿里云 IoT 平台,这里就不再做详细描述。新增票和监控大盘流程图如下所示:

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图 4. 大麦 NB-IoT 的上下行业务

工程应用中对 NB-IoT 新增票链路的思考:

1)NB-IoT 只适合固定场景应用,如燃气表,路灯吗?

这些场景只是利用了 NB-IoT 高覆盖和低功耗的特点,而且目前市场上对 NB-IoT 的应用主要是一些重复数据的上报,并没有将 NB-IoT 其他技术特点去进行探索和创新,造成其应用没有任何突破和创新;因此结合自身业务以及合理利用技术本身的优势更为重要。

2)数据通过服务端下发给物联网平台,物联网云平台推送给 NB-IoT 设备,如何保证数据不丢失

除了要考虑物联网平台,基站的通信质量问题,我们还需要关注设备是否可以 100% 接收到数据,这就需要我们通过一些应用层的保障机制来确保数据的到达。

1)接收到的新增票通过什么方式推送给 PDA,保证 PDA 能够拿到所有新增票数据

针对不同场景,(如验票开始前后,新增数据开始推送时间点,以及新增加的验票设备 PDA)需要设计一套全面的同步机制,保障云端新增数据能够在验票项目周期中实时快速的将数据推送至 PDA,不影响现场的客户入场体验;

2)NB-IoT 的数据传输能力如何,是否满足业务场景,如何处理高并发业务场景

设备过多且集中注册在同一个基站下,数据收发频率较高时,就需要考虑并发机制,以免造成基站负载饱和问题。因此在多台设备连接同一个基站下,需要通过优化设备接入机制和数据发送 / 传输频率来解决高并发的冲突。通过实践证明,NB-IoT 的实际能力并没有理论描述的那么弱,并且可以满足我们目前新增票和监控数据的业务场景。

3)优化新增票效率和数据安全

针对 NB-IoT 数据的传输能力,如果用较小的带宽传输较多的有用数据,以及提高传输效率需要着重去设计,比如数据压缩方法;还有从安全的角度,通过加密的算法去保证数据的安全。因此为了保障设备数据的安全和重要信息的存储,需要一套安全的保障机制。

作者简介

阿里文娱高级开发工程师 智毅

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