案例NBIoT智慧单车端到端优化总结报告.docx
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案例NBIoT智慧单车端到端优化总结报告
NB-IoT智慧单车端到端优化总结报告
摘要
鹰潭为建设智慧新城,全力支持NB—IOT业务,除了万量级的水表业务、千量级的路灯业务,截止目前为止鹰潭已投放OFO的NB单车超过100辆。
NB小黄车的投放是NB的移动类业务广泛应用的开始。
NB-IoT物联网智能锁是由ofo小黄车与中国电信、华为共同研发而成,其具备广覆盖、大容量、低功耗的三大特点。
共享单车具有高频刚需的特点,成为重要的移动物联网入口。
去年11月初NB智能锁在ofo小黄车正式普及,不仅实现了共享单车行业内的率先落地商用,更是NB-IoT物联网技术在移动场景的首次商用。
一方面,NB-IoT物联网锁的落地应用,实现了设备和数据的智能化管理,对于城市智慧交通体系的建设功不可没,另一方面,ofo小黄车将NB-IoT技术商用的同时还帮助解决了网络适配问题,带动了产业链升级,使物联网迈入高速发展的良性态势。
本文就NB-IoT智慧单车的总体解决方案、业务模型、投放后存在的问题进行研究,并对端到端的解决方法和优化手段进行了详细的描述,给出了相关的端到端优化建议,对后期移动类物联网应用有很好的借鉴意义。
关键字:
NB-IoT智慧单车业务模型干扰端到端解决方案
(一)背景概述
由于传统单车智能锁使用2G模组进行通讯,2G通讯芯片没有节能考虑,长期处于工作状态功耗非常大,导致电池无法满足智能锁全生命周期(2年)的使用,同时在共享单车密集放置的区域由于2G网络接入容量限制也导致共享单车智能锁使用的网络不稳定而开锁慢甚至无法开锁的情况。
NB-IoT低功耗、穿透力强、大容量等先天特性与共享单车的应用场景堪称“天生绝配”。
功耗更低可以保障单车在2-3年无需充电而顺畅解锁;穿透力强让用户在楼道、地下室等信号不好的地方也能实时记忆跟踪单车位置,并能实现解锁;大容量连接可以避免信号掉线现象。
万物联网的本质就是基于数据的感知和传输。
而NB-IoT智能锁的魅力,就恰恰体现在海量数据收集和传输上,并重构单车出行中的关键要素,实现了人与车、车与车之间的有效连接、对话,形成了完整的移动物联网生态闭环。
ofo小黄车安装NB-IoT智能锁后,就成为了可联网的移动智能终端。
用户每一次开锁、骑行都可形成数据。
借助NB-IoT可传输至ofo的物联网数据平台。
这些数据经过ofo的人工智能算法后,可优化共享单车的车辆调度,精准覆盖范围。
同时,这些数据还可帮助ofo进一步开发电子围栏技术,规范停车。
采用NB-IoT智能锁后,NB-IoT网络独有的广覆盖、低耗能等特点也能提升用户的骑行、开锁体验。
这样一来,ofo小黄车就和用户建立了良好的互动模式,用户的注意力牢牢被其吸引,用户粘性稳固。
可见,在NB-IoT技术的加持之下,骑行在街头的每一辆ofo小黄车,就如同一个个移动物联网的信息化触角,正由点连成线,由线连成面,不仅会构建出一个完备的智慧交通体系、还将勾勒出一个“智慧满溢”的科技化生活。
而本次OFO智慧单车正式落地鹰潭,ofo小黄车将凭借物联网智能锁技术和丰富线下运营经验,解决鹰潭市民出行和交通拥堵问题,推动低碳环保出行方式的普及。
鹰潭市政府也依托自身的NB-IoT全域覆盖网络的优势,与ofo小黄车一起努力共同推进物联网智慧城市等多个领域的合作。
(二)总体解决方案概述
终端层:
终端设备主要是ofo智能车锁,智能车锁由GPS模块、三轴传感器、NB-IoT通信模组、MCU和电池、蓝牙等组成的智能模块和机械装置组成。
网络层:
网络侧采用NB-IoT网络,需要芯片支持在终端侧设置进入PSM模式(关锁后省电)和DRX模式(开锁后保障实时性)。
平台层:
IoT平台通过安装插件的方式对上报数据进行解析,并上报给上层应用。
后续平台将支持终端软件升级功能。
应用层:
主要负责根据单车上报的开锁/关锁时间进行资费结算,以及统计单车位置等信息。
后续将根据政府规定支持电子围栏等功能,本文档暂不讨论。
(三)鹰潭OFO业务模型概述
3.1总体流程简述
车辆停放时,终端处于PSM状态。
车锁打开后,车辆需要通过TAU流程,从PSM状态切换到DRX状态。
骑行过程中,终端都保持在DRX状态。
关锁后,终端还会通过TAU切换到PSM态。
OFO的业务包括关锁的时候依次会进行上行锁车信息上报(即结单数据)、下行密码更新指示、上行密码更新确认、上报位置信息(取决于是否有GPS信息,上报时间待OFO确认)。
此外,OFO会每间隔一个小时上报一次心跳包(当前部署锁的心跳包周期,后续可能会改变)。
3.2数据模型简介
3.2.1数据上报
字段
数据长度
描述及要求
ID
48Bit
MAC地址,16进制,样例:
F4A98688C809
ACTION
4Bit
0表示关锁报文,1表示心跳报文
信号强度(CSQ)
8Bit
信号强度,16进制,样例:
1F,代表31
MCUVer
24Bit
MCU版本号
Vot
16Bit
终端电压,16进制,样例:
0483,代表1155
3D
24Bit
传感器三维角度,16进制,样例:
14322F,代表数值组20,50,47
Lst
8Bit
锁的状态,16进制,样例:
4A,代表数值74
Token
64Bit
10进制数字,不做转化
IMSI
60Bit
10进制数字,样例:
460040447810178
SIMVer
52Bit
模组版本,10进制数字,样例:
1000011065011,代表版本V100R001C10B650SP11
SPAddr
64Bit
经纬度,经度8位,纬度8位,第1位表示正负,0正1负,后面7位为度数,将度数*1000000(化为整数-->如10123456)后转为16进制9A78C0,不够7位补0,最后的码流:
009A78C0109A78C0
STTime
32Bit
开锁时间,16进制。
将1970年到现在的秒数转化为16进制,样例:
586846E5
SPTime
32Bit
关锁时间,16进制。
将1970年0点到关锁时间的秒数转化为16进制,样例:
586846E6
Sa
128Bit
蓝牙鉴权信息,因为sa的值是数字和字母的组合,将每个字符按照16进制的ASCII码上报,样例:
30313233343536373839303132333435代表0123456789012345
PWD
32Bit
本次交易使用的密码,10进制数字,不足8位需要补齐。
样例:
00002222,代表密码为2222
ActivatedTime
96Bit
模组TX时长、RX时长、总激活时长,每个占8位,转化为16进制。
样例:
000000010000000200000005,代表TX时间长度为1秒,RX时长为2秒,总激活时间为5秒。
(此字段目前未上报,作为预留字段)
ResendTimes
4Bit
消息重传次数,16进制。
样例:
2,代表重传消息次数为2次
DataTime
32Bit
上报数据的时间戳,将1970年0点到现在的秒数转化为16进制,样例:
586846E5,代表从1970年数据上报时的秒数为1483228901
3.2.2数据下发
字段
数据长度
描述及要求
SVTime
32Bit
配置下发时间,16进制。
样例:
58E30515,代表从1970年0时到配置下发时的秒数为1491272981
MCUVer
24Bit
最新MCU版本,16进制。
样例:
010005,代表版本号ofoV1.0.5
KEY(密码)
96Bit
配置单车的新密码集,10进制,共3个密码,每个密码占32Bit,不足的前面补0。
样例:
000014120000413200003222,代表新密码为1412,4132,3222
PLUS
32Bit
16进制,休眠时长,单位秒。
VotThreshold
16Bit
电压阈值,16进制,位数不够前面补0,。
样例:
0FA0代表电压阈值为4000。
3.3单车心跳运维数据上报
3.3.1需求描述
单车心跳和运维数据上报的条件:
(1)从最后一次单车锁车结算开始计算,24小时没人使用,则触发单车心跳运维数据上报。
(2)单车在锁车状态,根据三轴传感器检测到单车持续运动3分钟(具体时间ofo需要根据实际使用情况再调整),则触发运维数据上报。
单车运维人员在搬送车辆时会通过手机APP通知单车,不进行此检测。
业务需求
数据内容
字节数
触发方式
上报周期
上下行
单车心跳数据上报
电池电压/信号强度/3D角度/GPS位置/终端软件版本/模组版本/模组激活的持续时间/上报时间
<100
定时器触发
<1次/天
上行
单车运维数据上报
电池电压/信号强度/3D角度/GPS位置/终端软件版本/模组版本/模组激活的持续时间/上报时间
<100
传感器检测到关锁时持续移动触发
<1次/天
上行
3.3.2业务流程
流程说明:
(1)单车24小时没有人使用或者关锁状态持续移动3分钟,则唤醒模组
(2)启动GPS进行位置搜索并获取位置,唤醒模组
(3)位置获取成功后将电量、位置、倾角等运维数据上报给IoT平台
(4)平台将码流解析并上报给ofo应用系统,由应用系统进行运维处理。
(5)上报完成后模组自动休眠
3.4单车关锁结算流程
3.4.1需求描述
单车结算流程由用户锁车时触发,单车需要上报开锁时间、关锁时间等信息,结算后ofo应用将下发新的密码到单车。
为了保障结算实时性,单车的位置信息在结算完成后上报。
业务需求
数据内容
字节数
触发方式
上报周期
上下行
单车锁时间上报
电池电压/信号强度/3D角度/GPS位置/终端软件版本/模组版本/模组激活的持续时间/上报时间/单车开锁时间/单车关锁时间
<100
关锁触发
10次/天
上行
单车密码更新配置下发
单车新的密码
<50
收到关锁时间下发
10次/天
下行
终端需要应答密码更新成功
单车密码更新成功确认
<100
密码更新成功后上报
10次/天
上行
单车位置数据上报
单车位置数据
<100
GPS搜索完成上报
10次/天
上行
设置模组进入PSM模式
数据上报完成触发
3.4.2业务流程
流程说明:
(1)单车用户到达目的地,关闭单车锁,单车锁将开锁时记录的时间和关锁时间上报到ofo应用系统,同时启动GPS位置搜索。
(2)ofo应用系统根据单车的开锁时间和关锁时间,与手机APP进行资费计算。
ofo要求从关锁到手机APP收到结算信息不超过5秒钟。
(3)ofo应用系统将新的密码下发到单车,单车进行密码更新。
此时下发的命令需要设置为立即下发。
另外,平台侧有上行触发下行消息下发的超时定时器,如果超过定时器时间则会缓存下发。
此定时器目前默认值是6秒,建议修改为20秒以上。
密码更新的执行关系到ofo应用系统与终端的密码一致性,所以ofo应用需要能获取终端的命令执行结果,因此下发配置时设置回调URL,平台会将执行结果发送给ofo应用。
应用层超时未收到命令执行结果认为密码更新失败,使用原有密码;终端侧上报消息失败,使用原有密码。
(4)GPS位置搜索成功后将位置数据上报给ofo应用系统。
(5)终端设置模组进入PSM模式,模组通过TAU与核心网协商进入PSM态。
异常流程:
(1)如果终端锁车时间数据上报失败,则会尝试进行2次数据重发。
重传失败,则缓存开关锁时间,在下次关锁业务流程时上报数据。
(2)应用层收到终端终端关锁数据后,下发密码;如果未收到终端的密码更新成功消息,则认为密码更新失败,保持原有密码。
不进行重发。
(3)智能锁收到新的密码,更新密码,但需要保存老密码。
密码更新结果上报如果失败,则立即重发,尝试2次失败,则不再上报。
智能锁需要恢复为老密码;
(4)智能锁上报GPS位置信息,如果上报失败,则尝试进行2次重传,重传失败则不再上报。
(四)端到端应用问题分析
鹰潭OFO的NB单车主要投放在鹰潭师专,用于小批量测试,存在ofo服务器概率性收不到单车定期上报的心跳数据的问题。
针对该问题我们分别从平台、核心网、基站、终端进行端到端隔离定界,分别定位问题,总结部分应用案例。
4.1无线环境问题
4.1.1问题描述
鹰潭OFO智能单车全部部署在鹰潭新师范校园内,校园内部NB信号偏弱(周边无800M扇区主覆盖校园网),详细站点分布如下:
距离校园区域最近的站点贵溪周塘扇区未正向覆盖,信号较差。
由于无主服务小区导致整体SINR较差只有7.55。
4.1.2优化方案
(1)调整贵溪周塘的9小区方位角340度至55度,7小区调整方位角100度至145度,调整9小区RS功率至352,调整7小区RS功率至212;
(2)贵溪夏家岭8小区调整方位角240度至190度,RS功率调整至352;
(3)鹰潭童家官山瑶山徐家的7小区RS功率调整至352(方位角由于原先角度有密集村庄,为保证LTE信号覆盖未做调整);
4.1.3优化效果
优化后覆盖指标改善非常明显,详细覆盖指标如下:
时间
覆盖率(RSRP>=-97&SINR>=-5)
覆盖率(RSRP>=-87&SINR>=-5)
平均RSRP
平均SINR
优化前
92.20%
78.16%
-76.72
7.55
优化后
97.54%
94.80%
-68.51
14.3
ØPCI覆盖图对比
ØRSRP覆盖图对比
ØSINR覆盖图对比
4.2终端侧问题
通过心跳压力测试进行问题复现,定位排查出终端有如下9个主要问题,下图为问题原因和解决措施:
4.2.1问题1:
MCU设计不合理
Ø问题描述
在信号较差区域,终端注册时间较长场景下,MCU发送心跳包、模组返回ERROR,MCU连续尝试4次发送心跳包返回失败后,复位模组导致心跳包发送失败,需要ofoMCU侧优化发送心跳包逻辑。
MCU发数过于频繁,设计存在不合理,因为终端返回ERROR:
513并不是表示注册失败,但是MCU认为是任务失败,紧接着重新发送业务数据,导致短短的10多秒钟4次尝试次数耗尽,业务重启;
Ø问题影响
1)深度覆盖下,可能丢失心跳包;
2)可能使心跳包延时;
Ø优化建议
修改业务模型,例如发送完数据包后忽略所有异常返回,只对正确返回敏感,并且等待固定时间(发包间隔时间,如果正常收到回包,此间隔时间不生效)。
4.2.2问题2:
车锁未占用最强小区
Ø问题描述
车锁所在主服务区存在强邻区,当芯片从PSM态退出发送心跳包,会触发芯片B657SP2已知bug,导致芯片接入失败。
Ø问题分析
当芯片从PSM状态出来后,会恢复主服务小区,但是由于存在强邻区,导致搜索小区时,邻区排在主服务小区前面,导致主服务小区与基站时域不同步,从而读取主服务小区系统消息失败,导致主小区(149)被bar;然后选择到较远邻区(234),因为远区信号质量差,所以在驻留该小区失败;然后芯片会再次重新搜索小区,当第二次搜索只搜索到主服务小区时,因为主服务小区已经被bar,所以相当于没有搜到小区,这时芯片会进入10分钟休眠状态;最终导致MCU侧的现象是:
首先是随机接入失败(无法驻留远端小区),然后发送心跳包无反应(芯片进入休眠状态),当MCU4次心跳尝试失败后,会重启芯片,重新发送心跳包。
Ø优化建议
此问题已在终端B657SP3版本已解决,升级终端即可。
4.2.3问题3:
CDMA带外干扰大导致芯片高概率解析失败
Ø问题描述
在鹰潭师范校园信号质量RSRP-100dbm,SNR0条件下,芯片出现高概率DCI解析失败
Ø问题分析
分析日志由于芯片agc锁的档位设置存在问题,进一步提取芯片日志后发现芯片AGC解调失败,当RSSI为-90左右时,AGC档位选择的却是6左右(表示异常),按理论应该是10左右。
经过多次现网和实验室测试,分别排除:
芯片版本、模组版本、模组版本烧制等问题,问题定位到空口。
通过扫频仪对问题车辆停放位置周围进行干扰排查,发现问题区域存在CDMA室分,且附近有CDMA直放站,经过测试发现CDMA信号比NB信号强40db左右(如下图),带外阻塞干扰大,导致芯片AGC解调失败,终端无法接入,心跳包发送失败。
经过分析发现,问题场景下存在CDMA室分,NB信号相对其信号较弱(比CDMA信号低40dB左右),导致NB车锁无法接入,心跳发送失败。
(实验室分析:
在考虑路损情况下,当CDMA信号比NB信号相差36dB~46dB时,NB终端无法接入。
)
Ø优化建议
在不新建NB站的情况下,我们对问题区域的C网站点进行降功率操作,进行扫频复测后效果明显,总体来看通过降功率操作,效果显著,能够抑制邻频干扰。
位置
RSSI差值(降功率前)
RSSI差值(降功率后)
大礼堂门口
40
20
教学楼西门门口
35
20
教学楼西门楼底
30
25
西门底下配电间处
30
20
教学楼东门楼底
30
25
4.3优化效果评估
解决主要问题后,OFO再次投放53辆NB单车于鹰潭,统计的心跳成功率达到97.5%,5s结单率达到98%以上。
优化效果改善明显,基本满足业务应用需求。
(五)多场景业务性能验证测试
为了测试优化后NB单车在不同场景下的业务性能,我们在如下场景下做了业务开关锁测试,来测试结单时延。
测试结果基本满足业务需求。
5.1基站间切换测试
在两个基站之间来会骑行测试,不断测试关锁\开锁,并且统计成功率和时延
总共测试样本数17次,平均端到端时延为3.49秒,最大时延不超过4秒;
5.2深度覆盖、浅覆盖测切换测试
该测试主要是三个场景:
1、从非深度覆盖区域移动至深度覆盖区域;
2、深度覆盖区域定点测试;
3、深度覆盖区域移动至非深度覆盖区域;
测试步骤:
1.测试人员携带测试车锁至望江楼停车场门前附近;
2.先使用测试终端(danglo)选取两个测试地点(非深度覆盖点A、深度覆盖点B,B点要求RSRP低于-120db);
3.在A点开锁,然后移动至B点,在B点关锁,然后保存芯片日志信息,分别记录开锁和关锁的时间点(要求最少精确至秒级),等待3到5分钟;
4.在B点定点开锁,等待3到5分钟后关锁,然后保存芯片日志信息,分别记录开锁和关锁的时间点(要求最少精确至秒级),等待3到5分钟;
5.在B点开锁,然后移动至A点,在A点关锁,然后保存芯片日志信息,分别记录开锁和关锁的时间点(要求最少精确至秒级),等待3到5分钟;
步骤3、4、5可以多进行几组测试,每个场景收集5组数据;
测试区域如图:
鹰潭师范专科学校停车场(望江楼停车场):
总共测试样本数13次,平均时延3.58秒,最长时延不超过5.3秒
上行发包时延统计如下,主要是上行心跳以及位置上报等数据,不影响用户直接体验,时延最大3.88S。
5.3基站内扇区切换测试
在基站下近距离绕圈测试,不断测试关锁\开锁,并且统计成功率和时延)
绕站测试结果如下,有几个异常时延问题点,问题说明如下:
测试场景
时延
覆盖等级
分析
绕站测试
17779
0
SINR和RSRP都很正常,但是发数建链时RAR接受正常,而大量MSG3重传调度且竞争决议失败;(怀疑可能是路灯上电之后产生上行干扰,导致底噪增加;)
绕站测试
17298
0
SINR和RSRP都很正常,但是发数建链时RAR接受正常,而大量MSG3重传调度且竞争决议失败;
(怀疑可能是路灯上电之后产生上行干扰,导致底噪增加;
绕站测试
8402
0
上行DCI_N0的NACK很多(怀疑可能是路灯上电之后产生上行干扰,导致底噪增加;
绕站测试
3354
0
发送上行数据行处于覆盖等级2下,直接脱网;
(六)经验与总结
通过对小黄车应用的优化攻坚,解决OFOSIM卡座硬件bug、业务时序等关键问题,OFO心跳成功率由82%提升到98%,10S开锁成功率已达到98%以上,共闭环OFO端到端问题28个,相关的端到端部署建议如下:
同时建议NB网络与CDMA网络一比一建站,在考虑路损情况下,由于阻塞干扰,当CDMA信号比NB信号相差36dB~46dB时,NB终端无法接入,故要求NB与CDMA网络一比一建站,相同覆盖,减少邻频干扰。
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