基于NB-IoT 的士兵训练无线终端系统的设计*

2021-01-26曾涌泉赵中军

通信技术 2021年1期

曾涌泉，何浩，赵中军

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都 610041）

0 引言

“军事训练是未来战争的预演。”随着现代战争技术的日新月异，未来战争的形态必将信息化。而士兵训练是培养士兵战术素养和提高实际战斗力的重要手段[1]。在传统的士兵训练过程中，指挥员大多是采用有线网络、对讲机、蓝牙或者WiFi 等方式向士兵下达作战指令，并收集训练场地的各种信息等。这种方式存在很多的问题，如设备的功耗较高、质量较大、背负较多、待机时间短、有线网络部署成本高以及无线通信距离近等，都会影响训练效果和质量。要真正达到演练的效果，为实战提供数据支撑[2]，需要能够及时、全面地获取士兵的位置、状态等各种信息，减轻士兵的消耗负担，以便指挥员能实时有效地根据相关信息下达正确的命令。这些训练数据也为训练后的分析考评提供了数据支撑，因此采用信息化和数据化技术来保证训练过程中信息传输的及时性十分必要。

2016 年6 月16 日，窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）获得3GPP 批准，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，是基于窄带（200 kHz）的蜂窝物联网技术。作为低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）的代表[3]，蜂窝物联网技术已经成为当前最热门的物联网技术。与GSM 等网络相比，NB-IoT 系统具有很多的优点，包括成本和功耗更低（每个模块不足5 美元，电池寿命可长达10 年）、更多连接（单个小区可以支持多达10 万个连接）以及更强覆盖（比GSM 增强20 dB）等优点。基于以上优点，本文设计基于NB-IoT 的士兵训练系统具有重要的实际意义。

1 NB-IoT 技术介绍

1.1 NB-IoT 技术原理

1.1.1 工作模式

NB-IoT目前只支持FDD传输方式，带宽180 kHz，支持3 种工作模式。

（1）Standalone——独立部署方式。此种方式不依赖于LTE 系统，是在LTE 带外独立部署一段≥180 kHz 频谱的方式。它主要占用原来GSM 网络的工作频段，功率独立配置[4]。由于它不需要考虑对LTE 系统的影响，因此在下行链路发射信号时，可以使用相对较高的发射功率，大大增强了下行信号的覆盖能力。当信道带宽为200 kHz 时，它可以达到性能最优。

（2）Guardband——保护带部署方式。它是利用LTE 系统中边缘无用的频带资源的一种部署方式。由于它不占用LTE 系统的有效频率资源，大大增加了频谱利用率，因此有助于NB-IoT 与LTE 系统兼容。

（3）Inband——载波带内部署方式。此种方式是利用LTE 系统频带内空闲的频谱[5]资源进行部署的一种方式。由于部署在LTE 带内，因此它不需要额外再占用其资源，但是下行信号的发送功率不能太大，易影响LTE 本身的信号强度，导致其下行覆盖能力较弱。

1.1.2 信号传输方式

在物理层，NB-IoT 系统的上行链路使用的调制方式为BPSK 或QPSK，传输带宽为180 kHz，且采用单载波频分多址（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，SC-FDMA）技术，支持3.75 kHz 和15kHz 两种子载波间隔。上行链路支持单子载波模式（Single-Tone）和多子载波模式（Multi-Tone）两种传输方式[6]，其中单子载波技术的子载波间隔包括3.75 kHz 和15 kHz 两种，多子载波技术的子载波间隔为15 kHz。3.75 kHz 和15 kHz两种子载波间隔各有优点。其中，对于3.75 kHz子载波间隔，NB-IoT 新定义了一个2 ms 长度的窄带时隙，可以为系统提供更大的容量，可以适应超低速率和超低功耗的IoT 终端；对于15 kHz 子载波间隔，NB-IoT 上行帧结构（帧长和时隙长度）和LTE 相同，可以实现与LTE 系统更好的兼容性。

NB-IoT 下行支持OFDMA 传输，占用200 kHz带宽，两边各留10 kHz 保护带，实际占用180 kHz，子载波间隔15 kHz，子载波数量为12 CP（Cyclic Prefix，循环前缀），长度为常规CP。

1.1.3 NB-IoT 的组网

NB-IoT 组网[7]主要分为5 个部分。

（1）NB-IoT 终端。它可以支撑带有NB-IoT模块的各行业终端设备的接入，只需要在相应的终端设备中插入SIM 卡，通过终端提供的相应的无线信号即可接入到NB-IoT 物联网网络中。

（2）NB-IoT 基站。它主要通过共址方式接入到目前运营商已架设的LTE 基站中。天线和射频单元可以直接利用LTE 基站中现有的模块，而主控板或基带设备只需通过软件升级相关功能即可直接使用。

（3）NB-IoT 核心网。NB-IoT 核心网实现NB-IoT基站和云平台的连接，具备终端适配和接入、系统安全性和移动性等管理、流量管理和计费、拥塞控制等功能。

（4）NB-IoT 云平台。该平台完成各类业务处理，包括应用层协议栈适配、事件订阅管理以及大数据分析等功能，为NB-IoT 终端提供API 接口和终端管理，并将处理后的业务数据发送给NB-IoT终端或垂直行业中心。

（5）垂直行业中心。垂直行业中心获取本中心云平台发送过来的业务数据，并可以实现NBIoT 终端的部分控制功能。

1.2 NB-IoT 技术特点

NB-IoT 系统由于使用的是蜂窝网络，因此对于GSM 网络、LTE 网络等使用蜂窝技术的网络只需要升级相应的软件功能即可以直接部署NB-IoT终端，大大节约了部署成本。NB-IoT 系统因其具有低功耗、广覆盖、大连接、低成本、高容量、长续航以及强穿透等技术优势，能够很好地解决士兵训练中的训练场地传输距离远、训练设备可移动以及接入终端数量大等问题。NB-IoT 的技术特点主要有以下几点。

1.2.1 低功耗

NB-IoT 系统使用多种新功能和新技术降低功耗，如使用3GPP 标准中的省电模式（Power Saving Mode，PSM）、不连续接收模式（Discontinuous Reception，DRX）以及扩展不连续接收模式（Extended DRX，eDRX）等多种创新节能技术，可延长NBIoT 终端[8]在空闲模式下的睡眠时间，实现超长待机。基于这些新技术的应用，一节AA 电池可工作5 年，使得NB-IoT 终端可以更好地满足小型化和手持化的需求，便于携带，比较适合士兵野外作战训练使用。

1.2.2 低成本

NB-IoT系统可以复用LTE的射频和天线模块，无需重新组建新的网络，且是单天线和半双工模式，射频成本较低。系统带宽只有180 kHz，基带设备的复杂度低，又可减少设备成本。系统的采样率较低，对缓存Flash/RAM 的要求较小。NB-IoT 芯片预期价格可以做到1 美元，有利于终端的批量装备。

1.2.3 广覆盖

相比于2G、3G、4G 网络，NB-IoT 提升了20 dB 的网络增益，意味着具备了比原来网络多传透一堵墙的能力。它即使在有障碍物如野外丛林、楼宇内以及地下室等信号难以到达的地方也能覆盖，能够很好地适应各种训练环境。

1.2.4 高容量

NB-IoT 信号占用的带宽较窄，将会大大提升信道容量；空口信令简化，频谱效率高；NB-IoT系统的终端上下文信息存储、准入拥塞控制都是独立的，使得系统具有海量的连接能力，如一个扇区能够支持10 万个连接[9]。由于系统具有的高容量优势，它足以支撑作战训练现场大量士兵NB-IoT终端设备接入的需求。

2 总体设计方案

针对现有技术的不足，采用当前最热门且具有众多优点的物联网技术，设计了一种基于NB-IoT的士兵训练无线终端系统。系统采用NB-IoT 进行通信，使用北斗导航系统作为定位系统，通过士兵身上的红外装置等检测终端信息，并采用可穿戴方式进行配备，使用方便，减少了负重，可为指挥员提供实时的士兵训练信息和场地信息，有助于提高训练质量。

基于NB-IoT 的士兵训练无线系统，主要包括可穿戴的NB-IoT 传感器等设备、云服务器研究指挥控制PC 端等。总体设计图如图1 所示。

图1 基于NB-IoT 的士兵训练无线终端系统总体设计

图1 中的可穿戴终端可以直接穿在身上，或配置到衣服、配件等轻便设备上，采用小型集成的芯片以及传感器等多种模块，完成硬件的防水防尘设计，通过软件的数据交互实现其便携化，减轻使用负担。参与训练的士兵通过所携带的传感器设备采集各自的位置及相关的训练信息，然后NB-IoT 模块将数据通过基站上传至云服务器并存储。云服务器用于存储并实时更新战士的定位信息和其他信息，并存储指挥员反馈给士兵的指控信息进行身份鉴权。指挥中心PC 端随时查看士兵的训练信息和战场信息，并下达任务指令。

3 主要模块的设计

根据系统总体设计图，士兵NB-IoT 无线终端设备是本文的研究重点，包括控制器模块、NB-IoT模块、北斗定位模块、电源模块以及报警模块等。各个模块通过控制器相互连接。控制器通过NBIoT 进行通信。系统将获取到的位置等信息通过NB-IoT 网络传输给附近的NB-IoT 基站。北斗定位模块与控制器相连，用于实现系统定位。控制器向北斗定位模块发送获取位置的请求，北斗模块接收到请求后，将获取的当前位置信息传送给控制器，设计如图2 所示。

图2 NB-IoT 无线终端设备总体设计

3.1 控制器

控制器的主要功能：负责采集北斗/GPS 定位模块返回的位置信息；接收报警模块的报警信息；将接收到的位置信息和报警信息传输至服务器等。

本文设计的控制器选用的是STM32F407 处理器。它是一款性价比高、功耗超低的微控制器，外设丰富，具有2 个DMA 控制器和6 个串口。串口可以实现与其他模块（定位系统、无线传输系统等）的数据交互。另外，它具有内核小、数据运算能力强等特点。该处理器的抗干扰能力也很强，在极低功耗的情况下仍能保持高速的运算速度。在软件开发方面，它支持C 语言开发，大大增强了调试速度以及与其他系统的兼容。在硬件方面，芯片采用BGA 封装，为设备低功耗、小型化以及便携式提供了支撑。

3.2 北斗定位模块

北斗定位模块的主要功能是北斗模块[10]先与北斗卫星进行数据通信获取相关的位置信息，然后将获取的卫星定位参数信息传送给控制器模块，控制器解析接收的位置信息，再将定位通过NB-IoT发送至NB-IoT 基站并存储在服务器端。

为了获取准备的数据信息，定位系统对定位精度、功耗、抗干扰能力以及体积等要求非常严格。在选择定位模块时，综合考虑各方面的因素，选用和芯星通公司的UM220 北斗导航模块。UM220 具有尺寸小、重量轻和功耗低等优点，且捕捉灵敏度在-147 dBm 左右，跟踪灵敏度可以达到-160 dBm。此外，它的水平误差、速度误差及高度误差均能够保持在很小的范围内。-40～+85 ℃的工作温度能够适应苛刻的训练环境，因此它具有较高的可靠性。

UM220 是一款多频高性能多系统SOC 芯片，可以支持GPS L1 和BD2B1 两个频点。UM220 尺寸小，非常适合用于低功耗、低体积、低成本和便携带等领域，符合士兵训练无线终端系统大规模和便携式应用的需要。

3.3 NB-IoT 模块

NB-IoT的核心技术包括基于传统的蜂窝网络、移动通信网络等相关技术，以及在此基础上新增加的功能。本文重点对以下几种技术做详细介绍。这些关键技术使得系统可以满足扩展覆盖范围[11]、提高上行容量、降低终端复杂度等要求。

3.3.1 多输入多输出技术

NB-IoT下行链路支持两种多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）模式，即单天线端口传输和多天线端口开环发射分集。其中，上行链路只支持单天线端口传输一种MIMO 模式。

NB-IoT 系统在发送端和接收端均采用多天线实现信号的发送和接收。利用多天线技术可以获得分集增益、空间复用增益和阵列增益，能有效抑制信道的传输衰弱，还可以在不增加系统带宽和天线发射总功率的条件下提供空间分集增益，能够充分利用空间信道传输资源。它突破了传统的单输入单输出信道容量存在的瓶颈问题，利用空间信道的弱相关性形成空间复用增益，可以在多个相互独立的空间信道上传递不同类型的数据流[11]。NB-IoT 的多输入多输出技术还采用了预编码或波束成型技术，可以确保一个或多个指定方向上的能量形成一个阵列增益，允许在不同方向上的多个用户同时获得服务，大大增加了NB-IoT 的容量。

3.3.2 自适应技术

NB-IoT 系统使用的自适应技术可以根据信道传输环境的变化适时改变NB-IoT 的发送、接收参数，以保证达到最优的通信质量。目前，常用的自适应技术有自适应编码调制技术、自适应功率控制技术、自适应资源分配技术和自适应重传技术等。NB-IoT 系统采用自适应技术，可以利用最新的理论和技术，为NB-IoT 提供了一个全方位的自适应系统，从而实时分析信道的通信特性、感知人为、自然噪声和频率干扰，识别干扰等级，并可以实现对NB-IoT 系统的动态优化。

3.3.3 多载波聚合传输技术

多载波聚合传输技术是一种正交频分复用技术。在发送端，将一个高速数据流分解成多个并行的低速子数据流，然后将这些子数据流分别与相应的正交子载波相乘调制到正交信道上，从而完成信号的发射；在接收端，对正交信号进行分离，避免各信道间的干扰。由于信道相关带宽大于子信道的信号传输带宽，每一个子信道都可以作为平坦性衰落，可以消除各符号间的干扰。NB-IoT 系统采用了此项技术，可以解决频率不足的问题，很好地实现了高速数据传输。

3.4 报警模块

当士兵遇到紧急情况需要寻求帮助时，可以启动报警系统。设计的报警模块是一键报警按钮装置[12]，需要时只用按下报警按钮，就可以将此报警信号发送给控制器。控制器在接收到报警信息后，向北斗定位模块发送指令获取士兵当前的位置等信息，然后将此位置信息通过NB-IoT 传输至附近的NB-IoT 基站。基站对接收到的信息进行处理后存储在云服务器，且后台监控系统将报警信息发送至监控终端，此时指挥员可根据监控到的报警信息进行及时处理。