叶鑫华

摘 要：江西鹰潭为建设智慧新城，全力发展NB-IoT业务，目前除了拾万量级的NB-IoT水表业务、10 000+量级的NB-IoT路灯业务外，还投放了一定数量的基于NB-IoT技术的共享单车，开启了基于NB-IoT的移动类业务应用。文中就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，重点针对心跳成功率不高的问题进行探讨，从网络、终端、业务模型等方面进行分析，提出解决方法与端到端优化建议，对类似移动类NB-IoT应用有很好的借鉴意义。

关键词：NB-IoT;智慧单车;业务模型;心跳成功率;端到端;智能锁

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）11-0-05

0 引 言

传统单车智能锁使用2G模组进行通信，功耗较大，电池无法满足智能锁全生命周期（2年）的使用，且2G网络接入容量存在瓶颈。而NB-IoT凭借低功耗、穿透力强、大容量等优势，与共享单车的应用场景完美契合。功耗低，可以保障单车在2～3年无需充电，穿透力强让用户在楼道、地下室等信号不好的地方也能实现解锁，大容量连接可以解决一些地铁口、高校等区域的接入问题。NB-IoT共享单车总体架构如图1所示。

1 总体解决方案

终端层：终端设备的核心为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。

应用层：主要负责单车上报的开锁/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。

2 鹰潭ofo业务模型

2.1 总体流程简述

车辆停放时终端处于PSM状态，打开车锁后，车辆需要通过TAU流程从PSM状态切换到DRX状态。骑行过程中，终端保持在DRX状态。关锁后，终端通过TAU切换到PSM状态。

ofo业务包括关锁时依次进行上行锁车信息上报（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每间隔一个小时上报一次心跳包（当前部署的锁的心跳包周期后续可能会改变）。

ofo与服务器交互的数据流程主要包括心跳运维类数据上报和关锁结算类流程。

2.2 单车心跳运维数据上报

单车心跳和运维数据上报的条件如下：

（1）从最后一次单车锁车结算开始，若24小时无人使用，则触发单车心跳运维数据上报。

（2）单车在锁车状态时，根据三轴传感器检测到的单车持续运动若超过3 min（ofo需要根据实际使用情况调整具体时间），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。

2.3 单车关锁结算流程

单车结算流程在用户锁车时触发，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至单车。为了保障结算实时性，单车的位置信息在结算完成后上报。

（1）单车用户到达目的地后，关闭单车锁，单车锁将记录开锁时间和关锁时间，并上报至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收到结算信息的时间不超过5 s。

（3）ofo应用系统将新的密码下发至单车，单车进行密码更新，此时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，如果超过定时器则时间缓存下发，定时器默认值为6 s（建议修改为20 s或以上）。密码更新的执行关系ofo应用系统与终端密码的一致性，所以ofo应用需要获取终端命令执行结果，因此下发配置时设置回调URL，平台将执行结果发送给ofo应用。应用层超时未收到命令执行结果则认为密码更新失败，使用原有密码;终端侧上报消息失败，则使用原有密码。

（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。

异常流程如下：

（1）如果终端锁车时间数据上报失败，则尝试进行2次数据重发。重传失败，则缓存开关锁时间，在下一次启动关锁业务流程时上报数据。

（2）应用层收到终端关锁数据后下发密码;如果未收到终端密码更新成功消息，则认为密码更新失败，保持原有密码，且不重发。

（3）智能锁收到新的密码后便更新密码，但仍需保存原有密码。密码更新结果上报失败，则立即重发，若尝试2次均失败，则不再上报，智能锁需要恢复为原有密码。

（4）智能锁上报GPS位置信息，若上报失败，则尝试进行2次重传，重传失败则不再上报。

3 NB-IoT单车端到端应用问题研究

鹰潭ofo单车主要投放在江西师专地区，用于小批量测试，发现存在ofo服务器概率性无法收到单车定期上报心跳数据的问题。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，分步解决问题，总结应用案例。

3.1 NB-IoT网络无线环境优化

NB-IoT应用中网络是基础，首要进行网络覆盖优化，提升RSRP及SINR值。当前鹰潭ofo智能单车均部署在鹰潭新师范校园内，校园内部信号偏弱，距離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，仅为7.55。

根据现场实际情况制定相应的NB-IoT基站优化方案：

（1）调整贵溪周塘9小区方位角340°至55°，7小区调整方位角100°至145°，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°至190°，RS功率调整至352;

（3）鹰潭童家官山瑶山徐家7小区RS功率调整至352

（由于原先角度有密集村庄，为保证LTE信号覆盖方位角未做调整）。

优化后覆盖指标改善明显，详细覆盖指标见表1所列。RSRP覆盖图对比如图2所示，SINR覆盖图对比如图3所示。

3.2 NB-IoT终端侧问题研究

通过心跳压力测试进行问题复现，定位排查发现终端存在如下7个主要问题，具体见表2所列。

问题1：MCU设计不合理

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次发送心跳包均返回失败后，则复位模组心跳包发送失败，需要ofo MCU侧优化发送心跳包逻辑。

MCU发送过于频繁，存在设计不合理问题。终端返回ERROR：513并非表示注册失败，但MCU认为任务失败，将重新发送业务数据，导致10多秒钟内4次尝试耗尽，业务重启。

存在影响：深度覆盖下可能丢失心跳包;心跳包可能延时。

优化建议：修改业务模型，发送完数据包后忽略异常返回，只对正确返回敏感，等待固定时间（发包间隔时间内若收到回包，则此间隔时间无效）。

问题2：车锁未占用最强小区

问题描述：车锁所在主服务区存在强邻区，当芯片从PSM态退出发送心跳包时会触发芯片B657SP2已知bug，导致芯片接入失败。

问题分析：当芯片从PSM状态跳出来，会恢复主服务小区，但由于存在强邻区，因此搜索小区时邻区排在主服务小区前，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，致使主小区（149）被bar;然后选择较远邻区（234），因为远区信号质量差，所以驻留该小区失败;芯片再次搜索小区，只搜索到主服务小区时，因主服务小区已被bar，所以等同于未搜到小区，此时芯片进入休眠状态（约10 min）;MCU侧随机接入失败（无法驻留远端小区），发送心跳包无反应（芯片进入休眠状态），当MCU 4次心跳嘗试均失败后，芯片重启，重新发送心跳包。

优化建议：此问题已在终端B657SP3版本解决，升级终端即可。

问题3：CDMA带外干扰大导致芯片高概率解析失败

问题描述：在鹰潭师范校园信号质量RSRP-100 dbm，SNR 0条件下，芯片DCI解析失败概率较高。

问题分析：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约为-90时，AGC档位选择为6（异常），理论应选值约为10。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，经测试发现CDMA信号比NB信号强约40 dB，如图4所示，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。

经分析发现，问题场景下存在CDMA室分，NB信号相对较弱（比CDMA信号低约40 dB），导致NB车锁无法接入，心跳发送失败（在考虑路损情况下，当CDMA信号与NB信号相差36～46 dB时，NB终端无法接入）。

优化建议：在不新建NB站的情况下，对问题区域的C网站点进行降功率操作，扫频复测后效果明显，能够抑制邻频干扰。

差值对比见表3所列。

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97.5%，5 s结单率超98%，优化效果明显，基本可满足业务应用需求。

优化效果对比如图5所示。

3.3 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，我们在如下场景做了业务开关锁测试以测试结单时延，发现测试结果基本可满足业务需求。

3.3.1 基站间切换测试

在两个基站间来回骑行测试，不断测试关锁、开锁，统计成功率和时延，共测试样本17次，平均端到端时延为3.49 s，

最大时延不超过4 s。人工计时关锁结单时延如图6所示。

3.3.2 深度覆盖、浅覆盖切换测试

测试主要场景如下：

（1）从非深度覆盖区域移动至深度覆盖区域;

（2）在深度覆盖区域定点测试;

（3）从深度覆盖区域移动至非深度覆盖区域。

测试样本次数为13，平均时延3.58 s，最长时延不超过5.3 s。人工计时结算时延如图7所示。

上行发包时延统计多为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3.88 s。

4 结 语

通过对ofo应用的优化，解决了ofo SIM卡座硬件bug、业务时序等关键问题，ofo心跳成功率由82%提升至98%，10 s开锁成功率已超过98%，共闭环ofo端到端问题28个，针对近期的研究工作进行了总结，相关端到端部署建议见表4所列。

在考虑路损的情况下，由于阻塞干扰，当CDMA信号与NB信号相差36～46 dB时，NB终端无法接入，故建议NB与CDMA网络一比一建站，相同覆盖，减少邻频干扰。

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