IUV NB IoT虛擬仿真教學系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)應用技術課程中的應用

崔景 朱彤

1. 襄陽汽車職業(yè)技術學院 湖北 襄陽 441000；2. 深圳市艾優(yōu)威科技有限公司 廣東 深圳 518000

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)應用技術的大范圍鋪開，對NB IoT技術的需求也日益增多，由于其低功耗、低成本、信號連接強、高覆蓋的特點，以襄陽水務局為例，在未部署NB智能水表時經(jīng)常出現(xiàn)更換水表難、測量結果不準等情況，但是在2018年開始逐步更換NB智能水表后，測量員不需要下水井度數(shù)，而是直接通過NB芯片連接手機或者讀數(shù)器抄送數(shù)據(jù)，比昏暗條件下人工讀數(shù)更精準，且因為NB技術功耗小，一個滿電狀態(tài)的水表能夠使用20年以上[1]。

1 NB-IoT技術特點及應用場景

NB-IoT技術具備以下4個特點。

1.1 低功耗

低功耗是物聯(lián)網(wǎng)應用的一個重要指標，特別是對于不能頻繁更換電池的設備和情況。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)專注于小數(shù)據(jù)量和低速率的應用，因此NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)設備的功耗可以非常小，設備的電池壽命可以從幾個月到幾年顯著提高。

1.2 低成本

NB-IoT不需要新的網(wǎng)絡，射頻和天線基本上都是重復使用的。以中國移動為例，900MHz的頻段相對較寬。直接同時部署LTE和NB-IoT，只需要清理部分2G頻段。低速率、低功耗和低帶寬也賦予了NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)芯片和模塊低成本的優(yōu)勢。

1.3 強鏈接

NB-IoT具有強大的室內(nèi)覆蓋和強度，比4G移動提供了20dB的增益，相當于覆蓋區(qū)域能力增加了100倍。既能滿足農(nóng)村地區(qū)大覆蓋的需求，又能適用于工廠、地下車庫、井蓋等對覆蓋深度有要求的應用。以井蓋監(jiān)控為例。過去，GPRS需要天線，很容易被車輛損壞。然而，只要合理部署，NB-IoT是可以解決這個問題的。

1.4 高覆蓋

NB-IoT具有很強的室內(nèi)覆蓋能力，與LTE相比增益提高了20dB，相當于覆蓋面積能力的100倍。既能滿足農(nóng)村地區(qū)大覆蓋的需求，又能適用于工廠、地下車庫、井蓋等對覆蓋深度有要求的應用。以井蓋監(jiān)控為例。過去GPRS需要天線，很容易被車輛損壞。然而，只要合理部署，NB-IoT是可以解決這個問題的。

同時該技術已被廣泛應用于公共事業(yè)、醫(yī)療健康、智慧城市、消費者、農(nóng)業(yè)環(huán)境、物流倉儲、智能樓宇、制造行業(yè)等八大典型行業(yè)。

2 NB-IoT技術課程設計及要求

NB-IoT技術授課一般以理論+實操的一體化教學為主，理論約占比40%、實操約占比60%。

理論部分一般需要講解該技術的誕生及需求背景、技術特點、網(wǎng)絡架構、空口協(xié)議、物理信號及物理信道、信令流程。在理論部分中可以通過課本教材+PPT教案的搭配授課可以使學生理解上述內(nèi)容。

實操部分則更偏向于架構拓撲、容量計算、網(wǎng)絡規(guī)劃、設備配置、數(shù)據(jù)配置、開通優(yōu)化等內(nèi)容。而實操部分則需要實訓或試驗場景的加持，特別是模擬真實場景的部分則更需要用實物或仿真為學生指出如何設計、如何配置、如何優(yōu)化，否則學生很難通過課本和PPT教案了解其內(nèi)涵。

3 基于IUV NB IoT虛擬仿真系統(tǒng)的課程設計及案例

在部署IUV NB IoT虛擬仿真后可以解決六個實操方向的問題：架構拓撲、容量計算、網(wǎng)絡規(guī)劃、設備配置、數(shù)據(jù)配置、開通優(yōu)化。教學案例：汽車職院NB物聯(lián)網(wǎng)項目為襄陽市的NB基站建設項目，實地考察發(fā)現(xiàn)當?shù)責o任何網(wǎng)絡條件，計劃部署為NB-IoT網(wǎng)絡，同時要求該地區(qū)的共享單車、智慧家居、智能單車等設備能夠完成業(yè)務的驗證，要求依據(jù)建設需求給出網(wǎng)絡規(guī)劃方案。在練習冊上畫出模擬圖及思路，使用虛擬仿真實現(xiàn)思路及相關的業(yè)務驗證。

3.1 架構拓撲、網(wǎng)絡架構

NB系統(tǒng)是從LTE系統(tǒng)演進而來，則在頂層設計上就需要和LTE保持基本一致，即核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、傳輸網(wǎng)。

核心網(wǎng)是處于整體架構中最上層的部分，是整個網(wǎng)絡架構的大腦，具有負責網(wǎng)絡的關鍵控制節(jié)點、臨時存放用戶數(shù)據(jù)、負責管理和存儲用戶的相關信息、負責對用戶進行鑒權、數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)、為用戶設備分配IP地址、存儲并管理用戶簽約數(shù)據(jù)，包括用戶鑒權信息、位置信息及路由信息等功能[2]。

承載網(wǎng)處于三層架構的中間部分，起到傳輸信息分流信息的作用，由于 機房和機房之間、設備和設備之間在實際應用中間隔較遠、距離較大，在NB技術中一般用PTN設備進行傳輸，設備與設備之間的走線使用ODF架。

無線網(wǎng)處于三層架構的下端部分，基站部署在物聯(lián)網(wǎng)中，從而像基站覆蓋手機信號一樣覆蓋NB-IoT終端設備，比如智能家居、智能水表、共享單車等應用。

3.2 容量計算

在完成拓撲規(guī)劃后，將給定的參數(shù)值填寫到對應的參數(shù)表中，而后生成規(guī)劃報告容量計算完成。

3.3 設備配置

在完成拓撲規(guī)劃后，在設備配置一欄中放入對應的設備，即核心網(wǎng)放置MME、HSS、SGW、PGW四個網(wǎng)元設備同時為上述設備橋接FC-FC光纖以保證設備能夠傳輸數(shù)據(jù)，最后從ODF架將設備從核心網(wǎng)接入到承載網(wǎng)。

承載網(wǎng)需要確定機房數(shù)量及傳輸方案，確定后在每個承載網(wǎng)機房中放入PTN、OTN設備、同時為上述設備橋接FC-FC光纖以保證設備能夠傳輸數(shù)據(jù)，最后從ODF架將設備從本端機房接入后端機房，其順序依次為承載中心機房分別橋接1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)匯聚機房，而后1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)匯聚機房分別連接A、B、C三個站點機房。

無線網(wǎng)即各站點機房，確定后在每個承載網(wǎng)機房中放入ANT、RRU、BBU、PTN、GPS設備、同時為上述設備橋接FC-FC光纖以保證設備能夠傳輸數(shù)據(jù)，最后從ODF架將設備從本端機房接入承載網(wǎng)上端機房，A、B、C 3個站點機房分別連接1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)匯聚機房。而后設備配置部分完成

3.4 數(shù)據(jù)配置

在數(shù)據(jù)配置中核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、承載網(wǎng)中逐個網(wǎng)元或交換設備依次填入IP地址、網(wǎng)絡掩碼等參數(shù)后完成數(shù)據(jù)配置。

3.5 開通優(yōu)化

上述任務完成后，在業(yè)務調(diào)試中測試，數(shù)據(jù)是否從核心網(wǎng)傳輸?shù)綉媒K端，而后在管理平臺中測試終端應用是否能夠使用，至此課程設計結束，實訓內(nèi)容成功。

4 IUV NB IoT虛擬仿真系統(tǒng)融入高職提質(zhì)培優(yōu)工作

隨著職教改革的大力鋪開，職業(yè)院校的提質(zhì)培優(yōu)工作開始改革，三教改革中的教學方法應當順應潮流做出一些改革，現(xiàn)在的職業(yè)院校不單單是授課+實訓的二元化教學，而是“課、研、用、賽、證”五位一體的多元化教學。襄陽汽車職業(yè)技術學院物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)在人才培養(yǎng)方案的制定環(huán)節(jié)中，除了基本的基礎課、專業(yè)必修課、選修課外，順應潮流添加了至少24課時的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程、4課時的大國工匠及企業(yè)名師進校園課程、24課時的1+X考證培訓課程、4課時的企業(yè)觀摩及實踐課程，并且在課下以社團、興趣小組等形式組織學生參加各類學科競賽并備賽，在興趣中學、在競爭中練。真正做到“課、研、用、賽、證”五位一體的多元化教學，在有限的時間內(nèi)實現(xiàn)多元化教學任務融合，完成人才培養(yǎng)。

其中，IUV NB IoT虛擬仿真系統(tǒng)是1+X證書“5G移動網(wǎng)絡運維”中的重要組成部分，目前已有60位在校學生參與證書培訓，有43名學生成功取得1+X證書，證書試點積極融入物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)的教學體系中。專業(yè)選證試點的X證不是越多越好，我們可以參考“1+1+1”的選證模式，即一個專業(yè)、一個重點建設證書、一個備用證書，以滿足學生的個性化需求，擴大學生就業(yè)的口徑，為多元化社會培養(yǎng)復合型人才[3]。

襄陽汽車職業(yè)技術學院為貫徹落實《國家職業(yè)教育改革實施方案》積極開展相關工作，于2021年成功入選湖北省雙高院校，同時在提質(zhì)培優(yōu)和三教改革方面產(chǎn)出部分成果，在“崗課證賽創(chuàng)”五大教法方面，我校物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)在崗位方向與武漢唯眾、北京華晟經(jīng)世、新大陸、華為襄陽公司等優(yōu)質(zhì)龍頭企業(yè)開展教師頂崗、企業(yè)講師授課、教師學生進崗實習等工作，提升了師資力量及教學質(zhì)量；在課程方向與北京華晟經(jīng)世等企業(yè)積極就課程改革等方向開展合作，目前將結合華晟經(jīng)世的虛擬仿真技術打造物聯(lián)網(wǎng)IoT在線平臺，方便線上線下公式教學授課，創(chuàng)新教法在后疫情時代顯得更為重要課程教學是職業(yè)院校人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中的重中之重，職業(yè)院校的課程具有更加貼近產(chǎn)業(yè)需求、課程隨技術不斷更新等特點，對師資的要求也日益提高。

5 IUV NB IoT虛擬仿真系統(tǒng)融入學科競賽

大力實施“科教興國”戰(zhàn)略，培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，已成為新時代的要求。各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃競賽在培養(yǎng)復合型創(chuàng)新型人才、促進高校產(chǎn)學研結合方面發(fā)揮著日益積極的作用。本次學科競賽主要分為語言、數(shù)學、硬件、專業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)5個大類。

5.1 語言

語言比賽包括大學生英語賽、“中央電視臺杯”全國英語演講賽、大學生辯論賽。

5.2 數(shù)學

數(shù)學競賽包括全國大學生數(shù)學建模競賽、中國數(shù)學競賽等。

5.3 硬件

全國數(shù)學競賽主要包括全國大學生電子設計競賽（簡稱“電賽”）和“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽（簡稱“挑戰(zhàn)杯”）、藍橋杯設計大賽。

5.4 專業(yè)

主要項目有全國職業(yè)院校技能大賽、工匠杯、IUV杯等。

5.5 互聯(lián)網(wǎng)+

互聯(lián)網(wǎng)類主要包括中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國大學生物聯(lián)網(wǎng)應用創(chuàng)新大賽、全國大學生智能互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新大賽、全國移動互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新大賽和全國大學生移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展創(chuàng)新大賽。

6 結束語

隨著移動襄陽分公司與華潤燃氣聯(lián)合建設的首個NB-IoT智能燃氣社區(qū)在襄陽樊城區(qū)釘絲廠家庭小區(qū)建成，100多戶襄陽樊城區(qū)釘絲廠家庭小區(qū)開通賬號入網(wǎng)，襄陽市也正式進入NB-IoT時代，襄陽稅務、電網(wǎng)分公司等多個企事業(yè)單位開始逐步發(fā)力該產(chǎn)業(yè)，未來5年內(nèi)襄陽市及周邊地區(qū)相關職業(yè)技能人才缺口極大，待遇也在不斷提高。職業(yè)教育的精華在于鍛煉學生的動手能力，新時代的高職學生應該發(fā)展為懂理論、能實操、善思考、會設計的復合型人才，本文從NB-IoT這一專業(yè)核心課程入手描述了當下該課程的技術難點與發(fā)展前景。IUV-NB-IoT虛擬仿真比較完美的契合和本地區(qū)及職業(yè)院校的專業(yè)發(fā)展，能夠較好地解決當前所遇到的問題，鍛煉學生動手能力的同時提升學生頂層設計能力，較好地幫助了學生的就業(yè)及成長。