打破行业困境，大麦如何引领 NB-IoT 技术创新应用？

2020 年 4 月 1 日 CSDN

作者 | 阿里文娱高级开发工程师智毅

责编 | 夕颜

头图 | CSDN 下载自视觉中国

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

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？

图 1. NB-IoT 技术的优点

2. 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。

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；

图 2. NB-IoT 全国分布和覆盖率情况

2. 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。

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。

图 3. NB-IoT 终端和物联网平台的交互流程

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。

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：

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。

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；
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。
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。