NB-IoT實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

章 喆，吳 謹(jǐn)

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)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(yuǎn)距離、高安全性、大連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景［1］。自2015 年9月由3GPP啟動(dòng)NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)以來，幾年間得到全球大多數(shù)的運(yùn)營商、通信設(shè)備、芯片、終端廠商的支持和響應(yīng)。NB-IoT 擁有廣闊的應(yīng)用前景［2］。目前高校的NB-IoT實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相對滯后，我校在建設(shè)NB-IoT實(shí)驗(yàn)室過程中融入OBE（Outcome Based Education）教育理念，構(gòu)建了多層次、遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系，設(shè)計(jì)了以“問題為導(dǎo)向”的基本技能、以“任務(wù)為驅(qū)動(dòng)”的綜合實(shí)踐和以“課題為背景”的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力的三級課程教學(xué)體系［3］。適應(yīng)“新工科”背景下，培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐能力、工程應(yīng)用能力的人才需要。

1 NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)可以在現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)上快速部署，可以整合現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)部署，實(shí)現(xiàn)低成本部署。該網(wǎng)絡(luò)支持低延時(shí)敏感度、低設(shè)備成本、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用。該技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新應(yīng)用帶來了良好的技術(shù)支持。目前國內(nèi)運(yùn)營商已經(jīng)開始全面建設(shè)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)大部分地區(qū)已經(jīng)達(dá)到NB-IoT商用要求。通信工程和電子信息工程類專業(yè)學(xué)生需要掌握NB-IoT 相關(guān)通信原理、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、項(xiàng)目應(yīng)用開發(fā)等相關(guān)技術(shù)。但由于NB-IoT技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間短，目前很多高校沒有開設(shè)這方面課程，其課程主要特點(diǎn)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(fù)雜，NB-IoT的應(yīng)用涉及終端設(shè)備、基于LTE 的基站構(gòu)建和后端應(yīng)用平臺(tái)的建設(shè)；③課程設(shè)計(jì)靈活多樣，既可以成體系構(gòu)建課程，也可以在某個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)建，突出各個(gè)環(huán)節(jié)特定應(yīng)用目標(biāo)；④NB-IoT技術(shù)應(yīng)用性強(qiáng)，適合OBE理念下的工程認(rèn)證模式［4］。

物聯(lián)網(wǎng)通常具有3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和綜合應(yīng)用層［5］。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室可以在物聯(lián)網(wǎng)大框架模式下構(gòu)建。

1.1 NB-IoT實(shí)驗(yàn)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(shè)中，依靠大量的感知設(shè)備去采集信息，并向網(wǎng)絡(luò)層傳送各類數(shù)據(jù)信息［6］。在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中，眾多的傳感器設(shè)備是感知層必不可少的組成部分。要盡量考慮感知設(shè)備的通用性和多樣性，前端感知設(shè)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(shí)際的工業(yè)場景進(jìn)行模擬仿真。前端設(shè)備及仿真平臺(tái)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(shè)備及仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

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(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)層是感知層和應(yīng)用層的聯(lián)系紐帶，由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主體架構(gòu)相同，NB-IoT基站可以依賴現(xiàn)有運(yùn)營商基站進(jìn)行部署，也可以在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建4G 的小型基站來承載NB-IoT 的應(yīng)用［7］。在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中獨(dú)立搭建4G的小型基站，這無疑會(huì)提升實(shí)驗(yàn)室在物聯(lián)網(wǎng)和通信工程領(lǐng)域的教學(xué)與開發(fā)應(yīng)用，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)如圖2 所示。NB-IoT無線接入網(wǎng)由一個(gè)或多個(gè)基站（eNB）組成、eNB負(fù)責(zé)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(luò)節(jié)點(diǎn)之間的接口使用IP傳輸，原UTRAN 的CS 域業(yè)務(wù)均可由LTE 網(wǎng)絡(luò)的PS 域承載，EPC（Evolved Packet Core）負(fù)責(zé)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(luò)體系架構(gòu)主要增加業(yè)務(wù)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(luò)體系架構(gòu)

1.3 NB-IoT實(shí)驗(yàn)室的后端應(yīng)用構(gòu)建

應(yīng)用層提供大量可靠、快捷、智能的服務(wù)應(yīng)用，應(yīng)用層可以構(gòu)建出多種功能的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)諸如智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。綜合開放平臺(tái)構(gòu)建獨(dú)立的應(yīng)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(shí)現(xiàn)設(shè)備接入管理、數(shù)據(jù)查詢、設(shè)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(yīng)用的開發(fā)，而不用將工作重心放在設(shè)備接入層的復(fù)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(yùn)營和運(yùn)維成本。

2 NB-IoT實(shí)驗(yàn)課程體系模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

在OBE理念下將NB-IoT 課程實(shí)驗(yàn)按基本技能、綜合實(shí)踐、工程實(shí)踐與創(chuàng)新3 個(gè)層次設(shè)計(jì)［10］。針對NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)，構(gòu)建以終端應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)云端應(yīng)用為主，基站網(wǎng)絡(luò)及后端開發(fā)平臺(tái)為輔的實(shí)驗(yàn)課程體系，完善各個(gè)板塊基本技能和綜合實(shí)踐課程的模塊化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工程實(shí)踐和創(chuàng)新，讓學(xué)生充分理解NB-IoT技術(shù)如何應(yīng)用于實(shí)際行業(yè)，以達(dá)到對大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［11］。NB-IoT實(shí)驗(yàn)課程總體系參考表1。

表1 NB-IoT實(shí)驗(yàn)課程總體系

2.1 NB-IoT前端傳感設(shè)備實(shí)驗(yàn)課程

NB-IoT前端設(shè)備實(shí)驗(yàn)課程主要涉及傳感采集與設(shè)備控制設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。包含傳感數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)、原理和應(yīng)用、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)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(yīng)用開發(fā)。按OBE模式的模塊化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程，可開設(shè)的課程參考表2［12］。

2.2 NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程

構(gòu)建4G通信基站，一方面可以進(jìn)行4G通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以開展在4G基站部署NB-IoT 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。掌握無線組網(wǎng)方法，熟悉無線組網(wǎng)性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)接入的方法和步驟，完成從設(shè)備接入到數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)。為后端平臺(tái)應(yīng)用提供支撐。實(shí)驗(yàn)包括網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、網(wǎng)關(guān)配置、鑒權(quán)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，包含NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模式配置、數(shù)據(jù)無縫接入、遠(yuǎn)程使用等開發(fā)流程［13］?？砷_設(shè)的課程參考表3。

表2 NB-IoT前端設(shè)備實(shí)驗(yàn)課程

表3 4G與NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程參考

2.3 NB-IoT綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與開發(fā)

可靠、功能強(qiáng)大、規(guī)范的NB-IoT 的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)是做好綜合創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，該平臺(tái)可以在規(guī)劃好規(guī)范的情況下分步建設(shè)，首先在廠家提供的基本框架上構(gòu)建平臺(tái)基礎(chǔ)應(yīng)用模塊，后期逐步完善平臺(tái)功能，逐步做好物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)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(wù)模式框架構(gòu)建平臺(tái)內(nèi)外各個(gè)應(yīng)用程序關(guān)系，開發(fā)平臺(tái)提供統(tǒng)一規(guī)范的API 接口，方便學(xué)生根據(jù)按個(gè)性化需求快速搭建應(yīng)用系統(tǒng)［14］。訓(xùn)練學(xué)生熟悉物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景描述、需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成測試等開發(fā)流程［15］。軟件應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)課程可以參考計(jì)算機(jī)應(yīng)用相關(guān)專業(yè)（如軟件工程）的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和平臺(tái)逐步開展NB-IoT綜合應(yīng)用開發(fā)與創(chuàng)新，后期將開發(fā)得比較好的應(yīng)用系統(tǒng)以軟件服務(wù)模式導(dǎo)入開發(fā)平臺(tái)，便于后面的相關(guān)應(yīng)用能在此基礎(chǔ)上二次開發(fā)［16］。NB-IoT 綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與開發(fā)可以面向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)具體課程參考表4。

表4 NB-IoT綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與開發(fā)實(shí)驗(yàn)課程

3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)用成效

我校在新一輪工科改革建設(shè)背景下，利用“教育部—中興通訊產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地”項(xiàng)目，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT教學(xué)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新開發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)，配套建設(shè)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(dòng)通信原理、4G全網(wǎng)仿真教學(xué)、LTE 4G移動(dòng)通信工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、綜合布線、通信網(wǎng)絡(luò)與測試等一系列的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。平臺(tái)還包含4G LTE 移動(dòng)通信系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)、4G智能終端創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)、4G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)（見圖3、圖4），物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與開發(fā)平臺(tái)（見圖1、圖5 和圖6）。該試驗(yàn)平臺(tái)能提升大學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的工程應(yīng)用能力，同時(shí)構(gòu)建了基于OBE模式的模塊化實(shí)驗(yàn)體系。構(gòu)建了能力與知識(shí)考核并重的多元化實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)體系，能全面考核學(xué)生對知識(shí)的掌握和運(yùn)用層次，符合新工科工程認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)。

圖3 4G基站設(shè)備及配套服務(wù)器

圖4 移動(dòng)通信平臺(tái)實(shí)驗(yàn)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(yīng)用實(shí)驗(yàn)室

4 結(jié)語

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