NB-IoT實驗室建設與實驗課程設計

章 喆，吳 謹

（武漢科技大學信息科學與工程學院，武漢 430081）

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）中授權(quán)頻譜下的LTE CAT-NB1 將成為未來物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)之一，CAT-NB1 也稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），它適用于低帶寬、低功耗、遠距離、高安全性、大連接的物聯(lián)網(wǎng)應用場景［1］。自2015 年9月由3GPP啟動NB-IoT標準立項以來，幾年間得到全球大多數(shù)的運營商、通信設備、芯片、終端廠商的支持和響應。NB-IoT 擁有廣闊的應用前景［2］。目前高校的NB-IoT實驗室建設相對滯后，我校在建設NB-IoT實驗室過程中融入OBE（Outcome Based Education）教育理念，構(gòu)建了多層次、遞進式實踐教學體系，設計了以“問題為導向”的基本技能、以“任務為驅(qū)動”的綜合實踐和以“課題為背景”的工程實踐與創(chuàng)新能力的三級課程教學體系［3］。適應“新工科”背景下，培養(yǎng)具有創(chuàng)新實踐能力、工程應用能力的人才需要。

1 NB-IoT技術(shù)特點與實驗室建設

NB-IoT網(wǎng)絡可以在現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡上快速部署，可以整合現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡部署，實現(xiàn)低成本部署。該網(wǎng)絡支持低延時敏感度、低設備成本、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設備應用。該技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新應用帶來了良好的技術(shù)支持。目前國內(nèi)運營商已經(jīng)開始全面建設NB-IoT 網(wǎng)絡，國內(nèi)大部分地區(qū)已經(jīng)達到NB-IoT商用要求。通信工程和電子信息工程類專業(yè)學生需要掌握NB-IoT 相關(guān)通信原理、網(wǎng)絡規(guī)劃、網(wǎng)絡優(yōu)化、項目應用開發(fā)等相關(guān)技術(shù)。但由于NB-IoT技術(shù)出現(xiàn)的時間短，目前很多高校沒有開設這方面課程，其課程主要特點有：①覆蓋和涉及課程多，內(nèi)容涵蓋通信工程、電子信息、物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)，是典型的ICT課程；②體系復雜，NB-IoT的應用涉及終端設備、基于LTE 的基站構(gòu)建和后端應用平臺的建設；③課程設計靈活多樣，既可以成體系構(gòu)建課程，也可以在某個環(huán)節(jié)構(gòu)建，突出各個環(huán)節(jié)特定應用目標；④NB-IoT技術(shù)應用性強，適合OBE理念下的工程認證模式［4］。

物聯(lián)網(wǎng)通常具有3 層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為感知層、網(wǎng)絡層和綜合應用層［5］。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)實驗室可以在物聯(lián)網(wǎng)大框架模式下構(gòu)建。

1.1 NB-IoT實驗室的感知層構(gòu)建

感知層屬于物聯(lián)網(wǎng)的前端觸角，將NB-IoT感知層納入物聯(lián)網(wǎng)大框架下的感知層建設中，依靠大量的感知設備去采集信息，并向網(wǎng)絡層傳送各類數(shù)據(jù)信息［6］。在物聯(lián)網(wǎng)實驗室的建設中，眾多的傳感器設備是感知層必不可少的組成部分。要盡量考慮感知設備的通用性和多樣性，前端感知設備能感知各種物理量，如溫度、濕度、距離、壓力、電壓、電流、角度、加速度等。能對實際的工業(yè)場景進行模擬仿真。前端設備及仿真平臺可以由ARM 核心控制板和多種接口模塊組成，如圖1 所示。

圖1 前端設備及仿真實驗平臺

主控板和各種模塊配置如下：①核心控制器主控板。MCU采用主流ARM處理器Cortex-M3，LCD顯示，蜂鳴器與繼電器控制輸出，USB、I2C、SPI、UART等多種接口；②配置模塊。NB-IoT通信模塊、溫濕度模塊、超聲波測距模塊、RFID 模塊；光電模塊、紅外傳感模塊、煙霧傳感模塊、陀螺儀、三軸加速度模塊等。

1.2 NB-IoT實驗室的網(wǎng)絡層構(gòu)建

NB-IoT網(wǎng)絡層是感知層和應用層的聯(lián)系紐帶，由于NB-IoT網(wǎng)絡架構(gòu)和LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡主體架構(gòu)相同，NB-IoT基站可以依賴現(xiàn)有運營商基站進行部署，也可以在實驗室構(gòu)建4G 的小型基站來承載NB-IoT 的應用［7］。在物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設中獨立搭建4G的小型基站，這無疑會提升實驗室在物聯(lián)網(wǎng)和通信工程領域的教學與開發(fā)應用，NB-IoT 網(wǎng)絡體系架構(gòu)如圖2 所示。NB-IoT無線接入網(wǎng)由一個或多個基站（eNB）組成、eNB負責接入網(wǎng)部分也稱為E-UTRAN，用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)絡節(jié)點之間的接口使用IP傳輸，原UTRAN 的CS 域業(yè)務均可由LTE 網(wǎng)絡的PS 域承載，EPC（Evolved Packet Core）負責核心網(wǎng)部分，EPC 由MME（Mobility Management Entity）、SGW（Serving Gateway）以及P-GW（PDN Gateway）構(gòu)成［8］。核心網(wǎng)和LTE系統(tǒng)相比，NB-IoT網(wǎng)絡體系架構(gòu)主要增加業(yè)務能力開放單元SCEF，來支持控制面?zhèn)鬏斈Ｊ胶蚇on-IP 數(shù)據(jù)的傳輸。非常適合非頻發(fā)的小數(shù)據(jù)包的傳輸［9］。

圖2 NB-IoT的網(wǎng)絡體系架構(gòu)

1.3 NB-IoT實驗室的后端應用構(gòu)建

應用層提供大量可靠、快捷、智能的服務應用，應用層可以構(gòu)建出多種功能的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)綜合平臺，實現(xiàn)諸如智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控等應用系統(tǒng)。綜合開放平臺構(gòu)建獨立的應用數(shù)據(jù)庫，并對外提供開放的API接口，用戶可以通過HTTP/HTTPS 協(xié)議實現(xiàn)設備接入管理、數(shù)據(jù)查詢、設備指令交互等操作。使物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員可以更加專注于自身應用的開發(fā)，而不用將工作重心放在設備接入層的復雜工作上，縮短物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低研發(fā)、運營和運維成本。

2 NB-IoT實驗課程體系模塊化設計與實踐

在OBE理念下將NB-IoT 課程實驗按基本技能、綜合實踐、工程實踐與創(chuàng)新3 個層次設計［10］。針對NB-IoT技術(shù)特點，構(gòu)建以終端應用和網(wǎng)絡云端應用為主，基站網(wǎng)絡及后端開發(fā)平臺為輔的實驗課程體系，完善各個板塊基本技能和綜合實踐課程的模塊化設計，在此基礎上進行工程實踐和創(chuàng)新，讓學生充分理解NB-IoT技術(shù)如何應用于實際行業(yè)，以達到對大學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［11］。NB-IoT實驗課程總體系參考表1。

表1 NB-IoT實驗課程總體系

2.1 NB-IoT前端傳感設備實驗課程

NB-IoT前端設備實驗課程主要涉及傳感采集與設備控制設計及實現(xiàn)。包含傳感數(shù)據(jù)采集基礎、原理和應用、控制系統(tǒng)設計和應用開發(fā)流程。熟悉開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具、開發(fā)步驟。熟悉各種模塊接口的開發(fā)方法，熟悉各種通信協(xié)議的應用開發(fā)。按OBE模式的模塊化設計實驗課程，可開設的課程參考表2［12］。

2.2 NB-IoT通信網(wǎng)絡實驗課程

構(gòu)建4G通信基站，一方面可以進行4G通信實驗教學，也可以開展在4G基站部署NB-IoT 通信網(wǎng)絡實驗。掌握無線組網(wǎng)方法，熟悉無線組網(wǎng)性能指標、數(shù)據(jù)接入的方法和步驟，完成從設備接入到數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的存儲。為后端平臺應用提供支撐。實驗包括網(wǎng)絡的設計及實現(xiàn)、網(wǎng)關(guān)配置、鑒權(quán)設計、數(shù)據(jù)存儲等，包含NB-IoT網(wǎng)絡模式配置、數(shù)據(jù)無縫接入、遠程使用等開發(fā)流程［13］。可開設的課程參考表3。

表2 NB-IoT前端設備實驗課程

表3 4G與NB-IoT通信網(wǎng)絡實驗課程參考

2.3 NB-IoT綜合應用實驗與開發(fā)

可靠、功能強大、規(guī)范的NB-IoT 的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是做好綜合創(chuàng)新應用實驗的基礎，該平臺可以在規(guī)劃好規(guī)范的情況下分步建設，首先在廠家提供的基本框架上構(gòu)建平臺基礎應用模塊，后期逐步完善平臺功能，逐步做好物聯(lián)網(wǎng)開放平臺和市場上典型第三方軟件（如地理信息系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)等）接口，采用軟件服務模式框架構(gòu)建平臺內(nèi)外各個應用程序關(guān)系，開發(fā)平臺提供統(tǒng)一規(guī)范的API 接口，方便學生根據(jù)按個性化需求快速搭建應用系統(tǒng)［14］。訓練學生熟悉物聯(lián)網(wǎng)應用場景描述、需求分析、概要設計、詳細設計、系統(tǒng)集成測試等開發(fā)流程［15］。軟件應用開發(fā)實驗課程可以參考計算機應用相關(guān)專業(yè)（如軟件工程）的實驗課程設計，基于現(xiàn)有實驗室設備和平臺逐步開展NB-IoT綜合應用開發(fā)與創(chuàng)新，后期將開發(fā)得比較好的應用系統(tǒng)以軟件服務模式導入開發(fā)平臺，便于后面的相關(guān)應用能在此基礎上二次開發(fā)［16］。NB-IoT 綜合應用實驗與開發(fā)可以面向產(chǎn)業(yè)應用設計具體課程參考表4。

表4 NB-IoT綜合應用實驗與開發(fā)實驗課程

3 實驗室建設應用成效

我校在新一輪工科改革建設背景下，利用“教育部—中興通訊產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地”項目，建設物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT教學實驗和創(chuàng)新開發(fā)系統(tǒng)平臺，配套建設4G小型基站（見圖3），可以在電子信息、通信工程等專業(yè)，可開展包括移動通信原理、4G全網(wǎng)仿真教學、LTE 4G移動通信工程規(guī)劃設計、綜合布線、通信網(wǎng)絡與測試等一系列的基本實驗內(nèi)容。平臺還包含4G LTE 移動通信系統(tǒng)創(chuàng)新實驗開發(fā)平臺、4G智能終端創(chuàng)新實驗開發(fā)平臺、4G移動互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗開發(fā)平臺（見圖3、圖4），物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT綜合應用實驗與開發(fā)平臺（見圖1、圖5 和圖6）。該試驗平臺能提升大學生在物聯(lián)網(wǎng)領域的工程應用能力，同時構(gòu)建了基于OBE模式的模塊化實驗體系。構(gòu)建了能力與知識考核并重的多元化實驗考核評價體系，能全面考核學生對知識的掌握和運用層次，符合新工科工程認證的實驗課程體系建設。

圖3 4G基站設備及配套服務器

圖4 移動通信平臺實驗室

圖5 物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)和智慧城市模擬沙盤

圖6 物聯(lián)網(wǎng)綜合應用實驗室

4 結(jié)語

NB-IoT具有廣闊的應用前景，結(jié)合我校ICT 實驗室建設，設計并建設了基于物聯(lián)網(wǎng)大框架下的NB-IoT實驗室，配套設計了模塊化的實驗課程體系，在OBE理念下，培養(yǎng)新工科背景下大學生對新技術(shù)的理解與應用，以及解決復雜工程問題的能力。通過近1 年的教學與科研實踐，該NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)實驗室能滿足本科生、研究生等不同層次學生的教學與科研要求。培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新力、提升了學生在通信和物聯(lián)網(wǎng)領域的綜合應用能力。