案例NBIoT智能燃气表应用部署方案.docx
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案例NBIoT智能燃气表应用部署方案
江苏电信NB-IOT智能燃气表
应用部署方案
摘要
目前，全国户用（家庭用）燃气表总量近4亿台，智能燃气表占比不足10%，2015年智能燃气表新增1300万只，预计未来5年复合增长率可达20%。
随着燃气抄表数量大幅增长，出现如下几种问题：
1.国内很多燃气表安装在用户室内厨房内，人工抄表存在困难；
2.可能引发治安问题（如冒充抄表人员入室抢劫）；
3.国内很多地区水费由物业代收，存在乱加价，计量不准等问题，容易引发纠纷；
4.老小区管网老旧无人维护，小区内管网泄漏无法发现。
NB-IOT燃气智能抄表终端的应用可解决以上部分问题，NB-IOT智能抄表主要由气表基表、智能控制模块、NB-IoT通讯模块和电机组成，一般具有无线远程抄表、无卡预付费、阶梯气价、实时调价、远程阀门控制五大功能。
其中阶梯气价、实时调价由平台实现，而无线远程抄表、无卡预付费、远程阀门控制三项功能与无线交互相关。
关键词：
NB-IOT燃气表无线网配置
1场景概述
背景介绍
据统计，全国户用（家庭用）燃气表总量近4亿台，智能燃气表占比不足10%，2015年智能燃气表新增1300万只，预计未来5年复合增长率可达20%。
目前燃气表抄表存在如下问题：
1.国内很多燃气表安装在用户室内厨房内，人工抄表存在困难；
2.可能引发治安问题（如冒充抄表人员入室抢劫）；
3.国内很多地区水费由物业代收，存在乱加价，计量不准等问题，容易引发纠纷；
4.老小区管网老旧无人维护，小区内管网泄漏无法发现。
NB-IOT燃气智能抄表终端主要由气表基表、智能控制模块、NB-IoT通讯模块和电机组成，一般具有无线远程抄表、无卡预付费、阶梯气价、实时调价、远程阀门控制五大功能。
其中阶梯气价、实时调价由平台实现，而无线远程抄表、无卡预付费、远程阀门控制三项功能与无线交互相关。
民用表商用表通信模块
应用需求
建设目标
在江苏电信CRM系统中开卡，同时在第三方应用服务器（简称NA：
NetworkApplication）上进行进行燃气表开户，完成与IoT平台设备关联和应用关联，匹配对应的解析插件。
江苏电信NB-IOT智能燃气表应用部署主要分四个层面，其建设目标如下：
终端层：
终端设备包括居民侧的智能燃气表（小表）、工商业用户的智能燃气表（大表）。
电池寿命需要满足10年的要求，本地网络维护简单或免维护。
网络层：
网络侧采用NB-IoT网络，帮助智能燃气表实现低功耗、深度覆盖的诉求。
平台层：
通过IoT平台实现不同厂家燃气表的统一接入，数据的统一融合，向燃气公司应用提供统一的数据开放。
应用层：
主要负责设备状态管理、燃气表抄表，抄表分为月度抄表（用于计费）、日抄（用于数据分析），具备户内漏损分析，小区漏损分析功能。
功能需求
智能燃气表安装一般为现有小区内替换旧表，需要支持尽量小的减少安装时间。
安装要求达到PnP（尽量减少配置）。
智能燃气表终端要求支持安装场景的小区重选：
1）上电时（燃气表出厂前在厂区内进行装备测试，并选择工厂当地NB-IoT小区入网；安装时在住宅小区需要重新更换NB-IoT小区入网），如果不在一个国家，在发货前切换到目标国家的SIM卡。
2）智能燃气表故障，重选到新的小区（燃气表故障更换场景），后续建议开发燃气表支持红外/蓝牙等无线近端维护功能。
2智能燃气表解决方案概述
系统组网
组网框架
组网说明
设备层：
与燃气表厂商合作，直接将NB-IoT模组集成到燃气表中，由运营商提供网络服务，解决燃气公司无线网络维护难问题，同时标准的通信协议，使得燃气公司燃气表备货灵活。
网络层：
扁平化的网络结构，节省了中间网络调测改造成本，没有线路老化改造问题，减少布线工程，使得NB-IoT的综合改造成本相对最低。
相对比GPRS，更低的功耗，更强的信号穿透力，保证一跳NB-IoT的实用性。
平台层：
统一的IoT平台，可以使运营商承接不同的物联网应用，同时可为燃气公司应用屏蔽多家供应商协议的多样性，简化不同供应商的集成复杂度。
应用层：
由燃气表公司、燃气公司或专业抄表软件供应商提供，负责抄表业务，进一步增加漏损分析等扩展功能。
终端侧配置
通用配置
业务配置
无线侧与核心网配置
无线侧配置
基站侧需保证将eDRX开关与终端卡APN匹配一致，MME下发的寻呼消息到达基站侧后，基站可正常接收。
同时，可通过无线侧网管开展信令跟踪（小区级信令跟踪），保证无线网络质量优良，确保无线侧不丢包。
无线性能指标要求如下：
1）支持在MCL<132时，一次传输丢包率<2%
2）支持在MCL<137时，一次传输丢包率<2%
3）支持在MCL<142时，一次传输丢包率<3%
4）支持在MCL<147时，一次传输丢包率<3%
5）支持在MCL<152时，一次传输丢包率<5%
6）支持在MCL<157时，一次传输丢包率<5%
7）支持在MCL<162时，一次传输丢包率<5%
8）支持在MCL<164时，一次传输丢包率<10%
核心网配置
IoT平台下行控制包下发至MME，通过核心网侧M2000信令跟踪，可查询MME及时下发寻呼消息至eNodeB，通过寻呼消息的目标IP地址，可确认寻呼消息下发的范围。
IoT平台配置
IOT平台对接包括11步，如下图：
IoT业务上线前置要求
IoT平台自身的正常运行对EPC和无线侧无版本、功能、特性的严格要求，正常情况下，IoT平台在完成了安装后，需要将IoT平台的公网对外开通，外部网元如EPC、WebPortal均可以通过公网访问到IoT平台的IP，即可满足业务开通的条件。
终端和应用集成方案总体交流
在IoT平台安装完成，并且开通了外部Portal访问之后，已经具备了和外部终端、应用的集成的条件。
由于南向终端和北向应用由生态合作伙伴或者客户开发和提供，而多数生态合作伙伴以及客户并不了解在IoT平台的框架下如何开发终端和应用，因此华为IoT平台提供了指导流程和相应的工具、开发指南文档用于指导客户和生态合作伙伴，协助他们快速完成集成开发。
此时需要项目组组织三方交流会，包括华为、客户、第三方应用厂商共同梳理各方的职责和任务，主要包括：
✓南向和北向的接入IP和端口号提供
✓IoT平台上创建应用Application账户
✓终端profile文件开发
✓编解码插件开发
✓终端和应用接入IP和端口
✓终端和应用的OpenLab认证
IoT平台创建北向应用Application账户
1.通过https:
//x.x.x.x8643登录Operation平台，创建SP用户
在“SP用户系统配置”菜单下，注意选择“自注册开关”为“打开”。
在短信系统未对接到IoT平台前，将“登录短信验证”和“注册短信验证”均设置为“关闭”。
2.使用上一步骤中创建的账户，通过https:
//x.x.x.x:
8843登录到SP系统，IP为IoT平台的公网地址
3.进入SP页面后，选择“应用管理”->“应用”->“创建应用”，完成新应用的创建
4.应用创建后，即生成AppID和密钥，提交给应用厂商用于应用开发。
开发profile文件和编解码插件
此步骤主要依靠应用厂商编码开发，华为通过技术文档支撑应用厂商的开发。
应用厂商根据华为提供的终端和应用开发指南文件描述文档，完成Profile文件、编解码插件开发，以及终端、北向应用的编码和调测工作
开发指南包：
更多指导：
上传终端profile适配文件
1）通过https:
//x.x.x.x:
8843登录SP应用页面，选择“设备管理”->“模型”->“导入模型”，选择“上传”，将厂商开发的profile上传到系统
2）登录8843SP页面，通过“应用”选择当前需设置的Application，选择“NB-IOT设置”，确定省电模式，需和无线协商当前使用哪一种省电模式（PSM、DRX、eDRX）以及相应的参数。
添加编解码公钥文件
1）通过https:
//x.x.x.x:
8643登录Operation页面，选择“配置”->“云网关公钥管理”，公钥目前需要向研发申请，由研发统一生成，项目组成员获取后完成公钥上传
2）再次选择“配置”->“云网关插件管理”，选择“上传”，将厂商提供的编解码文件上传到系统
3）选中应用并进入，选择“NB-IoT设置”，燃气表类的应用设置为PSM模式，默认情况不需要填写eDRx和DRx。
查看设备数据
在经历了上述的一系列步骤之后，IoT平台已经具备了和终端、应用的集成条件。
当终端和应用同时完成了OpenLab认证，并配置完成了IoT平台的相关参数（IP和端口），终端会自动接入到IoT平台中，并通过IoT平台内部处理完成和北向应用的消息交互，中间过程无需外部干预。
可以登录到8843的SP页面，选择“设备”查看当前已经接入的每个终端和其状态。
至此，IoT平台外部的集成工作完成。
验收策略
验收设备在线状态，查看终端设备的数据上报次数
验收上层应用成功注册到平台，平台的事件统计
业务日常开通
当业务验收完成后，可以启动规模的终端放号和业务开通。
目前有两种业务开通方式：
在应用侧开通
对于终端的开通，需要通过合作方的上层应用下发燃气表开户的命令，燃气表在应用层进行设备开户同时需要把IoT平台需要的设备标识IMEI通过API同步给IoT平台，完成燃气表设备在IoT平台侧的业务开通。
登录到8843的SP页面，选择“设备”页面，可以看到当前已经注册的终端设备。
如4.5.7章节。
在IoT平台上开户
登录8843的SPPortal，选择“注册设备”，此时有两种方式进行注册设备：
批量设备注册，单一设备注册。
选择“批量设备注册”时，需要在页面上下载导入文件，并填写文件信息，将其上传批到IoT平台，后台自动完成开户，平台会生成一个结果文件，上层应用需要对于结果文件中的设备ID导入到上层应用系统。
如下是一个导入文件的样例：
verifyCode
nodeId
psk
endUserId
timeout
name
mute
manufacturerId
manufacturerName
deviceType
model
location
protocolType
*****
*****
*****
****
0
******
TRUE
*****
*****
*****
*****
Chile
******
*****
*****
*****
****
0
******
FALSE
*****
*****
*****
*****
Beijing
******
当终端数量较少时，可以选择“单一设备注册”，按照平台的指引完成操作。
维护和问题定位
当前IoT平台如下的问题定位手段和措施：
1.基于WebPorta的信息收集，包括告警、日志、消息跟踪的收集;
2.基于WebPortal的报表统计和数据展示;
3.基于WebPortal的告警;
4.基于WebPortal的日志分析功能;
5.NB-IoT问题定界定位指导书。
3常州维格智能燃气表测试用例分析
业务介绍
业务模型
本次测试的对象是常州维格电子有限公司研发的基于BC95-B5模块的锂电池NB-IoT智能燃气表，如下图所示：
项目组通过与常州维格智能燃气表厂家的技术交流，确认了NB-IoT智能气表的主要业务特性，厂家技术交流搜集资料如下：
（1）覆盖要求
由于燃气表多安装于家庭的偏僻角落，故需要较强的网络覆盖能力。
（2）功耗要求
按照国家计量法规，民用燃气表的使用年限为10年，工商业燃气表则为5年。
维格燃气表使用8500mAh的锂电池，需评估电池使用年限。
（3）业务行为
以上报数据为主，下发数据也需要，但下行数据均在终端上报数据后立即下发，无需实时下发。
民用燃气表上报读数的频率通常为1天1次，工商业燃气表则默认设置为1天2次，工商业表上报频率可调。
每次上报数据小于100字节。
燃气表上报读数后，会等待平台下发确认消息，若在设定时间内收到确认消息，则认为此次上报成功；反之，则认为上报失败，燃气表会自动重新上报读数，两次上报的间隔时间以及最大重复次数可调。
若当日上报次数已达最大重复次数，则停止上报，待第二天再上报读数。
终端上报数据的环回时延（从终端发起到终端收到平台确认）要求尽量缩短。
维格燃气表等待确认消息的时长默认设置为30s。
维格燃气表的读数上传时间设置已考虑集中上报时的网络容量问题。
维格燃气表每天在0:
00~1:
00之间上报读数，各燃气表的读数上报时间与自身生成的随机数相关。
（4）终端情况
厂家目前使用移远的NB-IoT模组，华为海思芯片。
维格燃气表支持PSM并且默认开启，要求从PSM状态到Connect状态的时间、从Connect状态到Idle状态的时间（UE不活动定时器）以及从Idle状态到PSM状态的时间（Active-Timer）尽量缩短。
（5）平台情况
维格燃气表使用自有平台，公网部署，接口使用UDP协议。
业务流程
虽然智能燃气抄表终端具有无线远程抄表、远程充值、阶梯气价、实时调价、远程阀门控制等五大功能，但阶梯气价与实时调价这两项功能完全由平台来实现，剩余3项涉及无线数据传输的功能。
根据与维格技术人员的交流，其具体业务流程如下：
（1）远程抄表
智能燃气抄表终端会按照厂家设定的频次在指定的时间上报表数据，包括表头序号、当前读数、阀门状态、信号强度、电池电压以及上传时间等信息。
通过燃气表上的按钮也可以手动触发表数据上报功能。
平台成功接收到燃气表上报的数据后，将根据最新的阶梯气价等计费策略计算本月消费金额及账户余额。
平台完成相关数据处理后，将给终端反馈确认消息指示读数已成功接收，账户余额与前期缓存的其他数据、指令也将同步下发；若终端在一定时间内未收到平台给予的确认反馈，则终端将重新上报读数；若终端多次上报读数仍未成功，则终端将放弃本轮上报，休眠等待下一个上报时机。
（2）远程充值
用户通过各类充值平台完成充值后，平台将计算账户最新余额，并将相关数据缓存至平台。
待下一次智能燃气抄表终端连接网络上报读数时，平台将在成功接收读数后下发最新的账户余额。
终端成功接收下行数据并进行相应处理后将反馈处理结果至平台。
（3）远程阀门控制
智能燃气抄表终端收到平台下发的账户余额后，将根据表具内默认配置的单价计算当前余额对应的燃气表读数以及预警读数。
此后，燃气表将实时比较当前读数与预警读数。
若燃气表当前读数到达预警值，燃气表将自动关阀并通过指示灯提示用户尽快充值，用户此时通过燃气表上的按钮可以手动打开阀门继续使用燃气。
若用户在预警期未能及时充值，当燃气表读数达到最大可用读数后，燃气表将自动关阀，此时近端无法开启阀门，必须在充值后通过平台指令远程开启阀门。
待用户充值后，平台将重新计算账户余额，并将余额数据与开阀指令缓存至平台。
待下一次智能燃气抄表终端连接网络上报读数时，平台将在成功接收读数后下发最新账户余额与开阀指令，终端成功接收该指令并进行相应处理后将反馈处理结果至平台。
若平台因某些特殊原因需要远程关断智能燃气表阀门，则平台会将关阀指令缓存在平台上，待下一次智能燃气抄表终端连接网络上报读数时，平台将在成功接收读数后下发关阀指令，终端成功接收该指令并进行相应处理后将反馈处理结果至平台。
智能燃气抄表平台主要实现的功能如下：
1）实现使用方和管理方双向数据的传输，获知燃气终端设备的运行情况，实现气表远程监控、数据分析；
2）监控用户的用气情况，并根据当前计费策略，实现阶梯气价与实时调价；
3）对气表终端进行远程控制，如开关阀门。
性能测试及分析
场景覆盖测试
为准确掌握现有NB-IoT网络对安装于家庭隐蔽角落内的智能燃气表等NB-IoT终端的覆盖能力，本课题按照NB-IoT宏站与测试小区的不同距离设定测试场景进行了详细的CQT测试。
测试场景
目标小区香缇湾花园位于常州飞龙东路与通江南路交界处，建筑面积约7.0万平方米，共有10栋高层楼宇，高度在26层到32层之间，小区平面图如下：
香缇湾花园周边NB-IoT站点分布情况如下图所示：
测试方案
场景：
NB-IoT宏站距离小区260m
a）测试小区周边NB-IoT站点全部激活，选取3户小区住户，在其厨房间燃气表安装位置进行NB-IoT信号摸查测试。
选择的住户尽量涵盖楼宇的高、中、低层；测试需按照智能燃气表实际使用场景开展，测试时需将测试终端与电脑一同放入燃气表所在橱柜并关闭橱柜门；虽然测试小区燃气表均安装于厨房上层橱柜，但有许多小区燃气表安装于下层橱柜，故本次测试同样需对下层橱柜信号覆盖情况进行摸查测试；
b）在可入户测试的楼层，对该楼层电梯厅、住户门口、楼梯间等公共区域进行NB-IoT信号测试，对比寻找NB-IoT信号强度与室内燃气表安装位置相当的区域；
c）按照上一步骤所得结论，对无法入户测试的楼宇与楼层，在楼层公共区域中NB-IoT信号强度与室内燃气表位置相当的区域进行模拟测试。
每栋楼宇CQT测试点需覆盖低、中、高三个典型楼层；
d）选择部分电梯进行摸查测试。
测试结果
a）燃气表处NB-IoT测试结果
香缇湾花园10#甲1203、6#乙2701与4#乙1101这三个能够入户测试的房间中，厨房燃气表位置NB-IoT信号测试结果如下：
测试结果表明，无论是楼宇的中层还是高层，厨房燃气表安装位置的NB-IoT信号良好，附着与ping测试成功率均较高；下层橱柜内的NB-IoT信号强度比上层橱柜稍弱。
b）公共区域NB-IoT测试结果
在10#甲单元12F公共区域电梯厅与住户门口位置进行测试，测试结果如下：
可见，公共区域电梯厅位置的NB-IoT信号强度与户内上层橱柜内燃气表位置信号强度相当；住户门口位置的NB-IoT信号弱于室内燃气表安装位置。
考虑到各个居民小区燃气表安装位置有差异，带来的穿透损耗各有不同，为合理评估现有NB-IoT网络对高层居民小区的覆盖能力，故在其他楼宇、楼层的公共区域进行模拟测试时，测试位置主要选择住户门口位置。
c）各点位NB-IoT测试结果
对小区内的10栋楼宇分别选取高、中、低3个楼层进行测试，有条件的楼层进入用户家中厨房，在燃气表的实际位置进行测试，不能够进入用户家中的则在用户家门口进行测试。
测试计划按照重启、开机、配置网络、附着、10次ping测试以及去附着这一流程循环3次进行配置。
由于Probe软件的测试计划中无法通过AT命令限定终端在附着成功后再开始进行ping测试，导致一些Log中终端在尚未成功附着时就已经下发ping测试AT命令，导致出现pingtimeout以及pingfails等问题。
在实际应用中，智能燃气表终端发起附着后将不断查询附着状态，待成功附着后再发送上行UDP数据包。
故在本次测试结果统计中，仅对附着成功后的ping测试统计成功与失败次数，并据此计算ping成功率。
在周围NB-IoT站点全部正常开通的情况下，测试结果如下：
测试结果显示，在小区周边300米范围内有宏站覆盖的条件下，虽然测试中个别点位出现了附着与ping失败的问题，但小区NB-IoT信号整体覆盖较好，附着与ping测试整体成功率较高，可以满足NB-IoT燃气表的覆盖需求。
将测试点位按照低、中、高划分楼层属性并进行分类统计汇总，可以发现，从RSRP与SINR的平均值来看，低层的NB-IoT信号最好，中层次之，高层最差；但从附着成功率与ping成功率来看，中层最好，低层次之，高层最差。
单独分析低层楼宇测试结果可以发现，7#与10#楼1F的RSRP远高于其他楼宇，拉高了全部低层测试点位的RSRP与SINR平均值。
导致上述现象的主要原因为7#与10#楼正好位于周边宏站“红菱塘”与“铁北局”的主覆盖方向。
其他楼宇1F的RSRP值均低于楼宇中层的RSRP平均值，信号普遍较差。
例如，5#楼的1F，循环测试过程中有1次附着失败，导致该轮次的10次ping测试全部失败；3#楼1F虽然3次附着全部成功，但其第1次附着时间超长，附着成功前测试计划中配置10条ping测试AT命令已全部下发，导致该轮次的10次ping测试全部失败。
故从信号覆盖质量与业务成功率两方面综合评估，现有NB-IoT网络对于高层居民小区的覆盖情况，中层最好，低层次之，高层最差。
d）电梯内NB-IoT测试结果
选取3#、10#楼两部电梯测试NB-IoT覆盖情况，测试结果说明，在小区周边300米范围内有NB-IoT宏站覆盖的条件下，能对小区电梯形成基本覆盖。
小结
根据上述3个场景的测试结果，可以的得到以下结论：
1、当小区周边300m范围内有NB-IoT宏站时，小区的NB-IoT信号整体覆盖较好，附着与ping测试整体成功率较高，可以满足NB-IoT燃气表的覆盖需求。
从信号覆盖质量与业务成功率两方面综合评估，现有NB-IoT网络对于高层居民小区的覆盖情况，中层最好，低层次之，高层最差。
2、当现场NB-IoT信号RSRP≥-110dBm且SINR≥-5dB时，测试终端USBDongle的Ping包成功率才能达到100%。
4效益评估及后续优化
a）维格燃气表100%上报成功率对应的边缘覆盖要求为-110dBm，其覆盖灵敏度为-120dBm，后期可通过优化天线性能等手段进一步提升表具覆盖灵敏度性能。
b）按照目前的参数配置，维格燃气表8500mAh的电池使用年限勉强能够达到10年。
考虑到燃气表可能安装在信号较差的地方，这时每次上报数据的在线时长、重复上报次数以及终端发射功率均会提高，故设计时电池容量需预留一定余量。
综合考虑，若要保证10年的电池使用寿命，建议燃气表选择容量10000mAh左右的电池。
c）综合考虑网络参数配置、终端时延需求以及功耗需求，建议将平台确认消息等待定时器优化调整为15s。
d）后期NB-IoT业务大规模发展，业务种类不断丰富，则每个NB-IoT小区的连接数将有较大增长，故建议通过增大读数上报时间偏移范围，使燃气表上报读数的时间更加离散化。
附录1：
中国电信江苏分公司NB-IOT终端入网质检报告
报告编号：
0000002第1页，共2页
产品名称
NB-IoT智能膜式燃气表通信模块
样品编号
201611002291
商标
生产单位
常州维格电子有限公司
抽样基数
抽样日期
样品数量
1
抽样地点
终端信息
终端型号
终端软件版本
模组信息
型号
移远BC95
频段
850M
固件版本
V100R100C10B657SP2
业务模型描述
终端每天上报1次数据，上报数据小于在300个字节
工作模式
APN配置
ctnb（默认）
□UE.prefer.ctnb□psmA.eDRX0.ctnb
□psmC.eDRX0.ctnb□psmF.eDRXC.ctnb
□psm0.eDRXH.ctnb□psm0.eDRXD.ctnb
□psm0.eDRXC.ctnb□psm0.eDRX0.ctnb
TAU周期
□2小时10分钟□3小时10分钟
□4小时10分钟12小时10分钟（默
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