作者 | 阿里文娛高級開發工程師 智毅
責編 | 夕顏頭圖 | CSDN 下載自視覺中國
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）
物聯網 NB-IoT 技術簡介
1. 業務背景
受限於移動蜂窩網絡（2G/3G/4G）容量問題，人流密集的場所會造成網絡通信癱瘓，這種 況下使用移動網絡的業務就會受到災難性的影響。因此解決移動網絡問題，成為現場娛樂行業的首要任務和挑戰。5G 通信技術雖說在設備容量上增加到每平方公里 100 萬個，但其大規模部 署和低廉的模組仍需時日。因此用於物與物通信的窄帶物聯網技術 NB-IoT 是否可以解決現場 網絡問題呢？
圖 1. NB-IoT 技術的優點
2. NB-IoT 的技術特點
NB-IoT 是有電信級保障的物與物之間的長距離通信技術，相對於短距離通信和私有技術優勢明顯。因此在大型娛樂現場或者體育賽事中，NB-IoT 就像是一條救援通道，可以正常運行。圖中 1 描述，NB-IoT 帶寬 200KHz，上下行最大傳輸速率 250kbps，單個基站網絡容量在 4-5 萬個 NB 設備，信號覆蓋範圍比傳統通信網絡有 20dB 的增強，因此可以有效覆蓋室內，地下室等遮擋嚴重的環境。NB-IoT 另一個特性就是低功耗，通過使能 PSM（Power Saving Mode） 和 eDRX（enhenced Discontinuous Reception）功能可以起到降低功耗的作用。該方法主要是通 過減少 NB-IoT 設備和基站的信令交互以及數據上報的頻率來達到降低功耗的目的，以上都是 NB-IoT 技術的一些優點。
NB-IoT 平臺的選擇
工程化的目的是針對項目的使用場景，合理和創新地使用已有技術的優缺點，將其業務性 能發揮到最優。目前 NB-IoT 由三大運營商來運營，因此基礎設施完善，通信質量有保障。我 們選擇 NB-IoT 原因如下：
1. 運營商 NB-IoT 基站部署早，最先運營，覆蓋地區範圍最廣
如下圖所示[1]（數據來源於中國運營商）運營商 NB-IoT 覆蓋全國 30 個省和直轄市，且區 域覆蓋率都在 93%以上，可以滿足全國多數大型場館以及郊區戶外場景，其中大麥的業務場景 主要包括城市中的大型場館，以及郊區的音樂節場地；
圖 2. NB-IoT 全國分佈和覆蓋率情況
2. 平臺有開放的 API 接口，支持第三方應用平臺的接入
運營商物聯網開放平臺提供了海量 API 接口給第三方應用開發者。通過調用平臺的接口， 開發者可以開發出基於多種行業設備的應用，如公共事業、智慧家庭、智慧場館等，從而實現對設備的管理（包括設備的增、刪、查、改）、數據採集、命令下發和消息推送等功能。
NB-IoT 通信協議
NB-IoT 設備和運營商物聯網開放平臺之間採用 CoAP 協議通訊（注:在設備側，CoAP 協 議棧一般由 NB-IOT 芯片模組實現），CoAP 消息的 payload 為應用層數據，應用層數據的格式 由設備自行定義。由於 NB-IoT 設備一般對省電要求較高，所以應用層數據一般不採用流行的 json 格式，而是採用二進制格式。
NB-IoT 設備只能發送 ASCII 碼，因此發送的數據需要先轉換成對應的 ASCII。該數據需要 通過物聯網雲平臺的編解碼插件轉換成對應的 json 數據，通過運營商平臺預留的回調接口發送 給服務端；下行服務端發送的數據，需要對應的編解碼插件轉化成 NB-IoT 可以識別的 ASCII 碼，設備通過串口接收解析數據。詳細流程如下圖 3 所示。
圖 3. NB-IoT 終端和物聯網平臺的交互流程
如何提高 NB-IoT 的實時性？
NB-IoT 的一個優點是低功耗，一塊電池理論上可以使用 10 年，但低功耗是以犧牲實時性 為代價。之所以能夠實現低功耗，是由於 PSM 和 eDRX 功能的引入，目的是減小數據發送頻次， 減少和基站的信令交互。這種低功耗適用於檢測類設備，對實時性要求不高，數據重複性大的 場景。但我們要應用的場景是演唱會或賽事的新增票，對數據實時性要求很高，也就是不希望 NB-IoT 模塊進入 PSM 或 eDRX 模式，設備始終保持和基站的連接。因此選擇合適的 NB-IoT 業務模式，也是至關重要的。NB-IoT 的業務模式，決定了 NB-IoT 的使用場景，基站通過獲取設備SIM 卡 APN（Access Point Name）的業務參數，來對 NB-IoT 設備進行控制。根據我們的業務場景，我們需要選擇設備和基站始終處於交互狀態，也就是一旦 NB 設備連接上基站後，不會進入空閒和睡眠模式，會始終和基站保持連接，隨時進行數據交互，從而可以有效降低數據接收和發射的延時。其中 eDRX 週期很短，只有 2.56s，也就是在長時間沒有 數據交互的情況下，設備從 eDRX 跳出進入連接態，只需 2.56s。
賦能和創新帶來的業務模式
利用 NB-IoT 這條穩定的通信鏈路，開發了新增票業務模式和現場大盤監控業務。新增票 業務是指：當項目開始驗票後，售票還在進行，為了確保客戶新購買的票能夠核驗，需要將這 些數據實時同步到核驗設備上。新增票鏈路自上而下涉及：大麥服務端（新增票來源）、運營商 雲平臺、麥小智（NB-IoT 設備）、PDA。
一張新增票通過服務端推送給運營商雲平臺，然後經過核心網，基站發送給麥小智中的 NB-IoT 設備，麥小智接收到 NB-IoT 的數據後經過解碼，把新增票通過 MQTT 推送給 PDA， 從而完成了一張新增票的流程。
大盤監控數據流程 PDA 將驗票數據通過 MQTT 推送給麥小智，麥小智彙總完票務數據後， 通過 NB-IoT 發送給物聯網雲平臺，大麥服務端通過回調地址將上報的數據推送到數據大盤監 控。其中還涉及到驗票項目和 NB-IoT 設備的綁定和編號規則，用於給制定的項目設備組發送 新增票，以及利用 NB-IoT 推送設備密鑰用於連接阿里雲 IoT 平臺，這裡就不再做詳細描述。新 增票和監控大盤流程圖如下所示：
圖 4. 大麥 NB-IoT 的上下行業務
工程應用中對 NB-IoT 新增票鏈路的思考：
1）NB-IoT 只適合固定場景應用，如燃氣表，路燈嗎？
這些場景只是利用了 NB-IoT 高覆蓋和低功耗的特點，而且目前市場上對 NB-IoT 的應用主 要是一些重複數據的上報，並沒有將 NB-IoT 其他技術特點去進行探索和創新，造成其應用沒 有任何突破和創新；因此結合自身業務以及合理利用技術本身的優勢更為重要。
2）數據通過服務端下發給物聯網平臺，物聯網雲平臺推送給 NB-IoT 設備，如何保證數據不丟失除了要考慮物聯網平臺，基站的通信質量問題，我們還需要關注設備是否可以 100%接收到 數據，這就需要我們通過一些應用層的保障機制來確保數據的到達。
接收到的新增票通過什麼方式推送給 PDA，保證 PDA 能夠拿到所有新增票數據針對不同場景，（如驗票開始前後，新增數據開始推送時間點，以及新增加的驗票設備 PDA）需要設計一套全面的同步機制，保障雲端新增數據能夠在驗票項目週期中實時快速的將數據推送至 PDA，不影響現場的客戶入場體驗；
NB-IoT 的數據傳輸能力如何，是否滿足業務場景，如何處理高併發業務場景設備過多且集中註冊在同一個基站下，數據收發頻率較高時，就需要考慮併發機制，以免造成基站負載飽和問題。因此在多臺設備連接同一個基站下，需要通過優化設備接入機制和數據發送/傳輸頻率來解決高併發的衝突。通過實踐證明，NB-IoT 的實際能力並沒有理論描述的 那麼弱，並且可以滿足我們目前新增票和監控數據的業務場景。
優化新增票效率和數據安全
針對 NB-IoT 數據的傳輸能力，如果用較小的帶寬傳輸較多的有用數據，以及提高傳輸效 率需要著重去設計，比如數據壓縮方法；還有從安全的角度，通過加密的算法去保證數據的安 全。因此為了保障設備數據的安全和重要信息的存儲，需要一套安全的保障機制。
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