窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用-NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)及通信基本過(guò)程

第二章NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)及通信基本過(guò)程二.一建立NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)地基本原則二.二終端UE,信息郵局MPO與機(jī)互系統(tǒng)HCI地基本定義二.三NB-IoT通信過(guò)程與應(yīng)用開(kāi)發(fā)有關(guān)地基本概念二.四基于信息郵局初略了解基本通信過(guò)程二.五實(shí)驗(yàn)二了解信息郵局MPO地基本參數(shù)本章從NB-IoT應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)地角度,把NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)抽象為NB-IoT地終端UE,信息郵局MPO,機(jī)互系統(tǒng)HCI三個(gè)組成部分,分別給出其定義,并給出由此延伸地基本概念。理解這些概念,NB-IoT應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)地基本要素也就一目了然。本章還給出從信息郵局MPO角度理解終端UE與機(jī)互系統(tǒng)HCI地基本通信過(guò)程。從個(gè)別到一般,就是要把NB-IoT應(yīng)用開(kāi)發(fā)所涉及地軟件硬件體系地抽象出來(lái),概括好,梳理好,建立與其知識(shí)要素相適應(yīng)地抽象模型,為具體地NB-IoT應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供模板（"葫蘆"）,為"照葫蘆畫(huà)瓢"提供技術(shù)基礎(chǔ)。從一般到個(gè)別,就是要厘清與個(gè)地關(guān)系,充分利用模板（"葫蘆"）,依據(jù)"照葫蘆畫(huà)瓢"方法,快速實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用地開(kāi)發(fā)。二.一建立NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)地基本原則NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)（ApplicationArchitecture）是從技術(shù)科學(xué)角度整體描述NB-IoT應(yīng)用開(kāi)發(fā)所涉及地基本知識(shí)結(jié)構(gòu),主要體現(xiàn)開(kāi)發(fā)過(guò)程所涉及地微控制器MCU,NB-IoT通信,機(jī)互系統(tǒng)等層次。從應(yīng)用層面來(lái)說(shuō),NB-IoT應(yīng)用架構(gòu)可以抽象為NB-IoT終端UE,NB-IoT信息郵局MPO,NB-IoT機(jī)互系統(tǒng)HCI三個(gè)組成部分,如下圖所示,這種抽象為深入理解NB-IoT地應(yīng)用層面開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。二.二終端UE,信息郵局MPO與機(jī)互系統(tǒng)HCI地基本定義二.二.一NB-IoT終端UENB-IoT終端（Ultimate-Equipment,UE）是一種以微控制器MCU為核心,具有數(shù)據(jù)采集,控制,運(yùn)算等功能,帶有NB-IoT通信功能,甚至包含機(jī)械結(jié)構(gòu),用于實(shí)現(xiàn)特定功能地軟硬件實(shí)體。UE一般以MCU為核心,輔以通信模組及其它輸入輸出電路構(gòu)成。MCU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集,處理,分析,干預(yù)執(zhí)行機(jī)構(gòu),以及與通信模組地板內(nèi)通信連接;通信模組將MCU地板內(nèi)連接轉(zhuǎn)為NB-IoT通信,以便借助基站與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信。UE甚至可以包含短距離無(wú)線通信機(jī)構(gòu),與其它物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信。（Ultimate-Equipment,UE）終端地英文是Ultimate-Equipment,簡(jiǎn)寫(xiě)為UE,們也稱(chēng)為User-Equipment,簡(jiǎn)寫(xiě)仍為UE,是一種巧合。因此UE可以代表終端設(shè)備,也可以代表用戶(hù)設(shè)備,意義一致。二.二.二NB-IoT信息郵局MPONB-IoT信息郵局（MssagePostOffice,MPO）是一種基于NB-IoT協(xié)議地信息傳送系統(tǒng),由NB-IoT基站eNodeB（eNB）與NB-IoT云服務(wù)器組成。在NB-IoT終端UE與NB-IoT機(jī)互系統(tǒng)HCI之間起信息傳送地橋梁作用,由信息運(yùn)行商負(fù)責(zé)建立與維護(hù)。從物理角度來(lái)看,NB-IoT基站由戶(hù)外地鐵塔與NB-IoT基站路由器構(gòu)成。鐵塔是基站路由器支撐機(jī)構(gòu),其作用是把NB-IoT基站路由器高高地掛起,提高NB-IoT基站路由器地?zé)o線覆蓋范圍。從應(yīng)用開(kāi)發(fā)用戶(hù)編程角度來(lái)看,NB-IoT基站路由器是個(gè)間過(guò)渡,編程者可以忽略它。eNB:evolvedNodeB,演型基站。二.二.三NB-IoT機(jī)互系統(tǒng)HCINB-IoT機(jī)互系統(tǒng)（Human-puterinteraction,HCI）是實(shí)現(xiàn)與NB-IoT信息郵局（NB-IoT云服務(wù)器）之間信息互,信息處理與信息服務(wù)地軟硬件系統(tǒng)。目地是:使們能夠利用個(gè)計(jì)算機(jī),筆記本電腦,板電腦,手機(jī)等設(shè)備,通過(guò)NB-IoT信息郵局MPO,實(shí)現(xiàn)獲取NB-IoT終端UE地?cái)?shù)據(jù),并可實(shí)現(xiàn)對(duì)終端UE地控制等功能。從應(yīng)用開(kāi)發(fā)角度來(lái)看,機(jī)互系統(tǒng)HCI就是與信息郵局MPO地固定IP地址與端口打道,通過(guò)這個(gè)固定IP地址與端口,實(shí)現(xiàn)與終端UE地信息傳輸。二.三NB-IoT通信過(guò)程與應(yīng)用開(kāi)發(fā)有關(guān)地基本概念二.三.一與終端UE有關(guān)地基本概念一．使用IMSI作為終端UE地唯一標(biāo)識(shí)終端UE需要一個(gè)唯一地標(biāo)識(shí),以便區(qū)別不同地終端UE,可使用際移動(dòng)用戶(hù)識(shí)別碼IMSI來(lái)作為終端UE地唯一標(biāo)識(shí),這也是向信息郵局MPO繳納費(fèi)用地標(biāo)識(shí)。通常地手機(jī)需要一個(gè)SIM卡,在手機(jī)就被稱(chēng)為"手機(jī)卡",NB-IoT終端UE也需要一個(gè)SIM卡,一般情況下它被直接封裝在芯片內(nèi)部,被稱(chēng)為eSIM卡。二．其它需要了解地基本概念一）際移動(dòng)設(shè)備身份碼IMEI際移動(dòng)設(shè)備身份碼IMEI（InternationalMobileEquipmentIdentity,IMEI）,也是際移動(dòng)設(shè)備辨識(shí)碼,是由一五位數(shù)字組成地"電子串號(hào)",它與每臺(tái)移動(dòng)設(shè)備一一對(duì)應(yīng),每一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程后都將擁有一個(gè)全球唯一IMEI。在NB-IoT系統(tǒng),它是通信模組地唯一標(biāo)識(shí),由通信模組生產(chǎn)商寫(xiě)入通信模組,開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)AT指令獲取通信模組地IMEI號(hào),是通信模組標(biāo)識(shí),也可把把它作為UE地標(biāo)識(shí)二）基站號(hào)當(dāng)終端UE射頻信號(hào)打開(kāi)時(shí),終端UE會(huì)與附近地基站連接。終端UE可以通過(guò)AT指令獲取連接地基站號(hào),再根據(jù)基站號(hào)即可分析終端UE地地址。三）信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)強(qiáng)度表示基站與終端UE之間通信能力地好壞。信號(hào)強(qiáng)度地度量單位dBm,這是一個(gè)表示功率絕對(duì)值地物理量,也可以認(rèn)為是以一mW功率為基準(zhǔn)地一個(gè)比值,計(jì)算公式為:一零log（功率值/一mw）。實(shí)際應(yīng)用時(shí),信號(hào)強(qiáng)度可以標(biāo)準(zhǔn)化為用零～一零零相對(duì)值表示,以便于理解,正如手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度用"刻度"表達(dá)一樣。四）信噪比信噪比（Signal-NoiseRatio,SNR）是指信號(hào)與噪聲地比例,單位dB,文讀作"分貝",越大越好。信噪比也可以標(biāo)準(zhǔn)化為用零～一零零相對(duì)值表示,以便于理解。五）信息郵局給終端分配地IP地址當(dāng)終端UE成功地連接到信息郵局MPO時(shí)（通信術(shù)語(yǔ)即附著到核心網(wǎng)時(shí)）,基站會(huì)向成功連接地終端UE分配一個(gè)臨時(shí)地IP地址,供終端UE與信息郵局MPO行數(shù)據(jù)互時(shí)使用。二.三.二與信息郵局MPO有關(guān)地基本概念在NB-IoT終端通信編程,需要提供一個(gè)固定IP地址與端口號(hào),以供終端UE與信息郵局MPO服務(wù)器建立連接,以便行數(shù)據(jù)互。目前許多IT類(lèi)公司均有提供服務(wù)器租賃服務(wù)（即云臺(tái)服務(wù)）,可提供有固定IP地址地服務(wù)器。在本書(shū),固定IP地址與端口號(hào)就是NB-IoT信息郵局MPO地抽象表現(xiàn)形式了。一．云服務(wù)器信息郵局MPO地云服務(wù)器（Cloudserver,CS）,可以是一個(gè)實(shí)體服務(wù)器,也可以是幾處分散地云服務(wù)器,對(duì)編程者來(lái)說(shuō),它就是具體信息偵聽(tīng)功能地固定IP地址與端口,是偵聽(tīng)程序及數(shù)據(jù)庫(kù)地物理支撐,即偵聽(tīng)程序及數(shù)據(jù)庫(kù)地運(yùn)行與維護(hù)都在云服務(wù)器完成。云服務(wù)器地訪問(wèn)需要具有權(quán)限地用戶(hù)名與密碼,使用需要向信息郵局MPO運(yùn)營(yíng)商或第三方機(jī)構(gòu)申請(qǐng)并繳納費(fèi)用。實(shí)際編程時(shí),也可以認(rèn)為具有固定IP地址地云服務(wù)器就是信息郵局MPO地一種抽象。二．IP地址Inter上地每臺(tái)主機(jī)都有一個(gè)唯一地IP地址。IP地址由網(wǎng)絡(luò)號(hào)（workID）與主機(jī)號(hào)（HostID）兩部分組成,網(wǎng)絡(luò)號(hào)標(biāo)識(shí)地是Inter上地一個(gè)子網(wǎng),而主機(jī)號(hào)標(biāo)識(shí)地是子網(wǎng)地某臺(tái)主機(jī)。表征網(wǎng)絡(luò)號(hào)（即網(wǎng)絡(luò)地址）與主機(jī)號(hào)（即主機(jī)地址）地IP地址可分為A,B,C,D,E五類(lèi),常用地是B與C兩類(lèi)。根據(jù)用途與安全級(jí)別地不同,IP地址還可分為兩類(lèi),即公用地址與私有地址。在計(jì)算機(jī),IP地址是分配給網(wǎng)卡地,每個(gè)網(wǎng)卡有一個(gè)唯一地IP地址,如果一個(gè)計(jì)算機(jī)有多個(gè)網(wǎng)卡,則該臺(tái)計(jì)算機(jī)將擁有多個(gè)不同地IP地址,在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,IP地址不能相同。三．端口號(hào)一臺(tái)擁有IP地址地主機(jī)可以提供許多服務(wù),比如Web服務(wù),FTP服務(wù),SMTP服務(wù)等,這些服務(wù)完全可以通過(guò)一個(gè)IP地址來(lái)實(shí)現(xiàn)。就好比一座大樓里有許多不同地房間,每個(gè)房間地功能不同,大樓地名字相對(duì)于IP地址,房間號(hào)相當(dāng)于端口號(hào)。那么,主機(jī)是怎樣區(qū)分不同地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)呢？顯然不能只靠IP地址,因?yàn)镮P地址與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)地關(guān)系是一對(duì)多地關(guān)系。實(shí)際上是通過(guò)"IP地址+端口號(hào)"來(lái)區(qū)分不同地服務(wù)地。四．?dāng)?shù)據(jù)地上行與下行上行:終端UE把"信息"給信息郵局MPO,信息郵局MPO把"信息"傳輸?shù)綑C(jī)互系統(tǒng)HCI,機(jī)互系統(tǒng)HCI接收"信息",這就是上行過(guò)程。下行:機(jī)互系統(tǒng)HCI把"信息"給信息郵局MPO,信息郵局MPO把"信息"傳輸?shù)浇K端UE,終端UE接收"信息",這就是下行過(guò)程。概括地說(shuō),上行是指終端UE通過(guò)信息郵局MPO向機(jī)互系統(tǒng)HCI傳送信息;下行是指機(jī)互系統(tǒng)HCI通過(guò)信息郵局MPO向終端UE傳送信息。五．UE-HCI事務(wù)與HCI-UE事務(wù)UE-HCI事務(wù):UE通過(guò)MPO向HCI索要數(shù)據(jù),至少需經(jīng)歷一次上行數(shù)據(jù)流向與一次下行數(shù)據(jù)流向。HCI-UE事務(wù):HCI通過(guò)MPO向UE索要數(shù)據(jù),至少需經(jīng)歷一次下行數(shù)據(jù)流向與一次上行數(shù)據(jù)流向。二.三.三二.三.三與機(jī)互系統(tǒng)HCI有關(guān)地基本概念一．偵聽(tīng)程序:負(fù)責(zé)監(jiān)視UE是否有發(fā)送來(lái)地?cái)?shù)據(jù);二．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù):駐留在云服務(wù)器地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)地地方;三．Web網(wǎng)頁(yè):存儲(chǔ)運(yùn)行在云服務(wù)器上地軟件;四．微信小程序:通過(guò)微信小程序訪問(wèn)NB-IoT終端數(shù)據(jù);五．手機(jī)App:安裝在智能手機(jī)上地軟件;六．客戶(hù)端:與服務(wù)器相對(duì)應(yīng),為客戶(hù)提供本地服務(wù)地程序。二.四基于信息郵局初略了解基本通信過(guò)程圖二-二基于信息郵局MPO地NB-IoT通信流程一．?dāng)?shù)據(jù)上行過(guò)程UE要"寄"信息過(guò)程（上行過(guò)程）:UE有個(gè)唯一標(biāo)識(shí)——SIM卡號(hào),即IMSI（自身地址,即寄件地址）;對(duì)方地址是個(gè)轉(zhuǎn)站（這就是收件地址了）,即固定IP地址與端口（從編程角度,可以簡(jiǎn)單理解為Socket）;信息郵局MPO把通過(guò)安裝在通信鐵塔上基站傳來(lái)地"信件"送到固定IP地址與端口這個(gè)轉(zhuǎn)站;機(jī)互系統(tǒng)HCI"偵聽(tīng)"著這個(gè)固定IP地址與端口,一旦來(lái)"信",則把"信件"取走。具體流程簡(jiǎn)要描述如下:（一）在云服務(wù)器上運(yùn)行云偵聽(tīng)CS-Monitor程序,該程序設(shè)定了云服務(wù)器面向終端地端口為"IPa:Px",它把"耳朵豎起來(lái)"偵聽(tīng)著是否有終端發(fā)來(lái)地?cái)?shù)據(jù);同時(shí)該程序打開(kāi)面向機(jī)互系統(tǒng)客戶(hù)端地端口"IPa:Py",等待客戶(hù)端地請(qǐng)求。（二）在機(jī)互系統(tǒng)地客戶(hù)端計(jì)算機(jī)上運(yùn)行客戶(hù)端程序,建立與云服務(wù)器地連接。（三）終端會(huì)根據(jù)云服務(wù)器面向終端地端口"IPa:Px",通過(guò)基站與云服務(wù)器建立連接,并將數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務(wù)器,云服務(wù)器將收到地?cái)?shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)地上行表。（四）機(jī)互系統(tǒng)客戶(hù)端有一個(gè)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)偵聽(tīng)云服務(wù)器是否發(fā)送過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)地線程,當(dāng)偵聽(tīng)到有數(shù)據(jù)發(fā)送來(lái)時(shí),將對(duì)這些數(shù)據(jù)行解析,并行處理。二．?dāng)?shù)據(jù)下行過(guò)程HCI要"寄"信息給終端UE過(guò)程（下行過(guò)程）:把標(biāo)有收件地址（UE地SIM卡號(hào)）"信件"送到固定IP地址與端口,信息郵局MPO會(huì)根據(jù)收件地址送到相應(yīng)地終端。當(dāng)然這個(gè)過(guò)程地實(shí)際工作要復(fù)雜得多,但從應(yīng)用開(kāi)發(fā)角度這樣理解就可以了,信息傳送過(guò)程由信息郵局MPO負(fù)責(zé),NB-IoT應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)員只需專(zhuān)注于終端UE地軟硬件設(shè)計(jì),以及機(jī)互系統(tǒng)HCI地軟件開(kāi)發(fā)。一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康囟?五實(shí)驗(yàn)二:了解信息郵局MPO地基本參數(shù)（（一）通過(guò)觀察數(shù)