NB-IoT共享單車端到端優化研究

葉鑫華

摘 要：江西鷹潭為建設智慧新城，全力發展NB-IoT業務，目前除了拾萬量級的NB-IoT水表業務、10 000+量級的NB-IoT路燈業務外，還投放了一定數量的基于NB-IoT技術的共享單車，開啟了基于NB-IoT的移動類業務應用。文中就NB-IoT智慧單車的總體解決方案、業務模型、投放后存在的問題進行研究，重點針對心跳成功率不高的問題進行探討，從網絡、終端、業務模型等方面進行分析，提出解決方法與端到端優化建議，對類似移動類NB-IoT應用有很好的借鑒意義。

關鍵詞：NB-IoT;智慧單車;業務模型;心跳成功率;端到端;智能鎖

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-0-05

0 引 言

傳統單車智能鎖使用2G模組進行通信，功耗較大，電池無法滿足智能鎖全生命周期（2年）的使用，且2G網絡接入容量存在瓶頸。而NB-IoT憑借低功耗、穿透力強、大容量等優勢，與共享單車的應用場景完美契合。功耗低，可以保障單車在2～3年無需充電，穿透力強讓用戶在樓道、地下室等信號不好的地方也能實現解鎖，大容量連接可以解決一些地鐵口、高校等區域的接入問題。NB-IoT共享單車總體架構如圖1所示。

1 總體解決方案

終端層：終端設備的核心為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、藍牙等組成的智能模塊和機械裝置組成。

網絡層：網絡側采用NB-IoT網絡，需要芯片支持在終端側設置進入PSM模式（關鎖后省電）和DRX模式（開鎖后保障實時性）。

平臺層：IoT平臺通過安裝插件的方式對上報數據進行解析，并上報給上層應用。后續平臺將支持終端軟件升級。

應用層：主要負責單車上報的開鎖/關鎖時間進行資費結算，以及統計單車位置等信息。后續將根據政府規定支持電子圍欄等功能。

2 鷹潭ofo業務模型

2.1 總體流程簡述

車輛停放時終端處于PSM狀態，打開車鎖后，車輛需要通過TAU流程從PSM狀態切換到DRX狀態。騎行過程中，終端保持在DRX狀態。關鎖后，終端通過TAU切換到PSM狀態。

ofo業務包括關鎖時依次進行上行鎖車信息上報（結單數據）、下行密碼更新指示、上行密碼更新確認、上報位置信息（取決于是否有GPS信息，上報時間待ofo確認）。此外，ofo每間隔一個小時上報一次心跳包（當前部署的鎖的心跳包周期后續可能會改變）。

ofo與服務器交互的數據流程主要包括心跳運維類數據上報和關鎖結算類流程。

2.2 單車心跳運維數據上報

單車心跳和運維數據上報的條件如下：

（1）從最后一次單車鎖車結算開始，若24小時無人使用，則觸發單車心跳運維數據上報。

（2）單車在鎖車狀態時，根據三軸傳感器檢測到的單車持續運動若超過3 min（ofo需要根據實際使用情況調整具體時間），則觸發運維數據上報。單車運維人員在搬送車輛時會通過手機APP通知單車，不進行此檢測。

2.3 單車關鎖結算流程

單車結算流程在用戶鎖車時觸發，單車需要上報開鎖時間、關鎖時間等信息，結算后ofo應用將下發新的密碼至單車。為了保障結算實時性，單車的位置信息在結算完成后上報。

（1）單車用戶到達目的地后，關閉單車鎖，單車鎖將記錄開鎖時間和關鎖時間，并上報至ofo應用系統，同時啟動GPS位置搜索。

（2）ofo應用系統根據單車的開鎖時間和關鎖時間與手機APP進行資費計算，ofo要求從關鎖到手機APP收到結算信息的時間不超過5 s。

（3）ofo應用系統將新的密碼下發至單車，單車進行密碼更新，此時命令需要設置為立即下發。另外，平臺側有上行觸發下行消息下發的超時定時器，如果超過定時器則時間緩存下發，定時器默認值為6 s（建議修改為20 s或以上）。密碼更新的執行關系ofo應用系統與終端密碼的一致性，所以ofo應用需要獲取終端命令執行結果，因此下發配置時設置回調URL，平臺將執行結果發送給ofo應用。應用層超時未收到命令執行結果則認為密碼更新失敗，使用原有密碼;終端側上報消息失敗，則使用原有密碼。

（4）GPS位置搜索成功后將位置數據上報給ofo應用系統。

（5）終端設置模組進入PSM模式，模組通過TAU與核心網協商進入PSM態。

異常流程如下：

（1）如果終端鎖車時間數據上報失敗，則嘗試進行2次數據重發。重傳失敗，則緩存開關鎖時間，在下一次啟動關鎖業務流程時上報數據。

（2）應用層收到終端關鎖數據后下發密碼;如果未收到終端密碼更新成功消息，則認為密碼更新失敗，保持原有密碼，且不重發。

（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。密碼更新結果上報失敗，則立即重發，若嘗試2次均失敗，則不再上報，智能鎖需要恢復為原有密碼。

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

3 NB-IoT單車端到端應用問題研究

鷹潭ofo單車主要投放在江西師專地區，用于小批量測試，發現存在ofo服務器概率性無法收到單車定期上報心跳數據的問題。針對該問題我們分別從平臺、核心網、基站、終端進行端到端隔離定界，分步解決問題，總結應用案例。

3.1 NB-IoT網絡無線環境優化

NB-IoT應用中網絡是基礎，首要進行網絡覆蓋優化，提升RSRP及SINR值。當前鷹潭ofo智能單車均部署在鷹潭新師范校園內，校園內部信號偏弱，距離校園區域最近的站點貴溪周塘扇區未正向覆蓋，信號較差。由于無主服務小區導致整體SINR較差，僅為7.55。

根據現場實際情況制定相應的NB-IoT基站優化方案：

（1）調整貴溪周塘9小區方位角340°至55°，7小區調整方位角100°至145°，調整9小區RS功率至352，調整7小區RS功率至212;

（2）貴溪夏家嶺8小區調整方位角240°至190°，RS功率調整至352;

（3）鷹潭童家官山瑤山徐家7小區RS功率調整至352

（由于原先角度有密集村莊，為保證LTE信號覆蓋方位角未做調整）。

優化后覆蓋指標改善明顯，詳細覆蓋指標見表1所列。RSRP覆蓋圖對比如圖2所示，SINR覆蓋圖對比如圖3所示。

3.2 NB-IoT終端側問題研究

通過心跳壓力測試進行問題復現，定位排查發現終端存在如下7個主要問題，具體見表2所列。

問題1：MCU設計不合理

問題描述：在信號較差區域終端注冊時間較長場景下，MCU發送心跳包、模組返回ERROR，MCU連續嘗試4次發送心跳包均返回失敗后，則復位模組心跳包發送失敗，需要ofo MCU側優化發送心跳包邏輯。

MCU發送過于頻繁，存在設計不合理問題。終端返回ERROR：513并非表示注冊失敗，但MCU認為任務失敗，將重新發送業務數據，導致10多秒鐘內4次嘗試耗盡，業務重啟。

存在影響：深度覆蓋下可能丟失心跳包;心跳包可能延時。

優化建議：修改業務模型，發送完數據包后忽略異常返回，只對正確返回敏感，等待固定時間（發包間隔時間內若收到回包，則此間隔時間無效）。

問題2：車鎖未占用最強小區

問題描述：車鎖所在主服務區存在強鄰區，當芯片從PSM態退出發送心跳包時會觸發芯片B657SP2已知bug，導致芯片接入失敗。

問題分析：當芯片從PSM狀態跳出來，會恢復主服務小區，但由于存在強鄰區，因此搜索小區時鄰區排在主服務小區前，導致主服務小區與基站時域不同步，從而讀取主服務小區系統消息失敗，致使主小區（149）被bar;然后選擇較遠鄰區（234），因為遠區信號質量差，所以駐留該小區失敗;芯片再次搜索小區，只搜索到主服務小區時，因主服務小區已被bar，所以等同于未搜到小區，此時芯片進入休眠狀態（約10 min）;MCU側隨機接入失敗（無法駐留遠端小區），發送心跳包無反應（芯片進入休眠狀態），當MCU 4次心跳嘗試均失敗后，芯片重啟，重新發送心跳包。

優化建議：此問題已在終端B657SP3版本解決，升級終端即可。

問題3：CDMA帶外干擾大導致芯片高概率解析失敗

問題描述：在鷹潭師范校園信號質量RSRP-100 dbm，SNR 0條件下，芯片DCI解析失敗概率較高。

問題分析：由于芯片AGC鎖的檔位設置存在問題，進一步提取芯片日志后發現芯片AGC解調失敗，當RSSI約為-90時，AGC檔位選擇為6（異常），理論應選值約為10。經過多次現網和實驗室測試，分別排除芯片版本、模組版本、模組版本燒制等問題，問題定位到空口。通過掃頻儀對問題車輛停放位置進行干擾排查，發現問題區域存在CDMA室分，且附近有CDMA直放站，經測試發現CDMA信號比NB信號強約40 dB，如圖4所示，帶外阻塞干擾大，導致芯片AGC解調失敗，終端無法接入，心跳包發送失敗。

經分析發現，問題場景下存在CDMA室分，NB信號相對較弱（比CDMA信號低約40 dB），導致NB車鎖無法接入，心跳發送失敗（在考慮路損情況下，當CDMA信號與NB信號相差36～46 dB時，NB終端無法接入）。

優化建議：在不新建NB站的情況下，對問題區域的C網站點進行降功率操作，掃頻復測后效果明顯，能夠抑制鄰頻干擾。

差值對比見表3所列。

優化效果評估：解決主要問題后，ofo再次投放53輛NB單車于鷹潭，統計的心跳成功率達97.5%，5 s結單率超98%，優化效果明顯，基本可滿足業務應用需求。

優化效果對比如圖5所示。

3.3 多場景業務性能驗證測試

為了測試優化后NB單車在不同場景下的業務性能，我們在如下場景做了業務開關鎖測試以測試結單時延，發現測試結果基本可滿足業務需求。

3.3.1 基站間切換測試

在兩個基站間來回騎行測試，不斷測試關鎖、開鎖，統計成功率和時延，共測試樣本17次，平均端到端時延為3.49 s，

最大時延不超過4 s。人工計時關鎖結單時延如圖6所示。

3.3.2 深度覆蓋、淺覆蓋切換測試

測試主要場景如下：

（1）從非深度覆蓋區域移動至深度覆蓋區域;

（2）在深度覆蓋區域定點測試;

（3）從深度覆蓋區域移動至非深度覆蓋區域。

測試樣本次數為13，平均時延3.58 s，最長時延不超過5.3 s。人工計時結算時延如圖7所示。

上行發包時延統計多為上行心跳以及位置上報等數據，不影響用戶直接體驗，時延最大3.88 s。

4 結 語

通過對ofo應用的優化，解決了ofo SIM卡座硬件bug、業務時序等關鍵問題，ofo心跳成功率由82%提升至98%，10 s開鎖成功率已超過98%，共閉環ofo端到端問題28個，針對近期的研究工作進行了總結，相關端到端部署建議見表4所列。

在考慮路損的情況下，由于阻塞干擾，當CDMA信號與NB信號相差36～46 dB時，NB終端無法接入，故建議NB與CDMA網絡一比一建站，相同覆蓋，減少鄰頻干擾。

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