NB-IoT实验室建设与实验课程设计

章 喆，吴 谨

（武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉 430081）

0 引言

近年来，物联网技术发展迅速，低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）中授权频谱下的LTE CAT-NB1 将成为未来物联网的主要技术之一，CAT-NB1 也称为窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），它适用于低带宽、低功耗、远距离、高安全性、大连接的物联网应用场景［1］。自2015 年9月由3GPP启动NB-IoT标准立项以来，几年间得到全球大多数的运营商、通信设备、芯片、终端厂商的支持和响应。NB-IoT 拥有广阔的应用前景［2］。目前高校的NB-IoT实验室建设相对滞后，我校在建设NB-IoT实验室过程中融入OBE（Outcome Based Education）教育理念，构建了多层次、递进式实践教学体系，设计了以“问题为导向”的基本技能、以“任务为驱动”的综合实践和以“课题为背景”的工程实践与创新能力的三级课程教学体系［3］。适应“新工科”背景下，培养具有创新实践能力、工程应用能力的人才需要。

1 NB-IoT技术特点与实验室建设

NB-IoT网络可以在现有蜂窝网络上快速部署，可以整合现有LTE 网络部署，实现低成本部署。该网络支持低延时敏感度、低设备成本、低功耗的物联网设备应用。该技术为物联网的创新应用带来了良好的技术支持。目前国内运营商已经开始全面建设NB-IoT 网络，国内大部分地区已经达到NB-IoT商用要求。通信工程和电子信息工程类专业学生需要掌握NB-IoT 相关通信原理、网络规划、网络优化、项目应用开发等相关技术。但由于NB-IoT技术出现的时间短，目前很多高校没有开设这方面课程，其课程主要特点有：①覆盖和涉及课程多，内容涵盖通信工程、电子信息、物联网等专业，是典型的ICT课程；②体系复杂，NB-IoT的应用涉及终端设备、基于LTE 的基站构建和后端应用平台的建设；③课程设计灵活多样，既可以成体系构建课程，也可以在某个环节构建，突出各个环节特定应用目标；④NB-IoT技术应用性强，适合OBE理念下的工程认证模式［4］。

物联网通常具有3 层网络结构模型，其结构从下至上依次为感知层、网络层和综合应用层［5］。NB-IoT物联网实验室可以在物联网大框架模式下构建。

1.1 NB-IoT实验室的感知层构建

感知层属于物联网的前端触角，将NB-IoT感知层纳入物联网大框架下的感知层建设中，依靠大量的感知设备去采集信息，并向网络层传送各类数据信息［6］。在物联网实验室的建设中，众多的传感器设备是感知层必不可少的组成部分。要尽量考虑感知设备的通用性和多样性，前端感知设备能感知各种物理量，如温度、湿度、距离、压力、电压、电流、角度、加速度等。能对实际的工业场景进行模拟仿真。前端设备及仿真平台可以由ARM 核心控制板和多种接口模块组成，如图1 所示。

图1 前端设备及仿真实验平台

主控板和各种模块配置如下：①核心控制器主控板。MCU采用主流ARM处理器Cortex-M3，LCD显示，蜂鸣器与继电器控制输出，USB、I2C、SPI、UART等多种接口；②配置模块。NB-IoT通信模块、温湿度模块、超声波测距模块、RFID 模块；光电模块、红外传感模块、烟雾传感模块、陀螺仪、三轴加速度模块等。

1.2 NB-IoT实验室的网络层构建

NB-IoT网络层是感知层和应用层的联系纽带，由于NB-IoT网络架构和LTE 系统网络主体架构相同，NB-IoT基站可以依赖现有运营商基站进行部署，也可以在实验室构建4G 的小型基站来承载NB-IoT 的应用［7］。在物联网实验室建设中独立搭建4G的小型基站，这无疑会提升实验室在物联网和通信工程领域的教学与开发应用，NB-IoT 网络体系架构如图2 所示。NB-IoT无线接入网由一个或多个基站（eNB）组成、eNB负责接入网部分也称为E-UTRAN，用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB结构，各网络节点之间的接口使用IP传输，原UTRAN 的CS 域业务均可由LTE 网络的PS 域承载，EPC（Evolved Packet Core）负责核心网部分，EPC 由MME（Mobility Management Entity）、SGW（Serving Gateway）以及P-GW（PDN Gateway）构成［8］。核心网和LTE系统相比，NB-IoT网络体系架构主要增加业务能力开放单元SCEF，来支持控制面传输模式和Non-IP 数据的传输。非常适合非频发的小数据包的传输［9］。

图2 NB-IoT的网络体系架构

1.3 NB-IoT实验室的后端应用构建

应用层提供大量可靠、快捷、智能的服务应用，应用层可以构建出多种功能的NB-IoT物联网综合平台，实现诸如智慧交通、智慧农业、环境监控等应用系统。综合开放平台构建独立的应用数据库，并对外提供开放的API接口，用户可以通过HTTP/HTTPS 协议实现设备接入管理、数据查询、设备指令交互等操作。使物联网开发人员可以更加专注于自身应用的开发，而不用将工作重心放在设备接入层的复杂工作上，缩短物联网系统的开发周期，降低研发、运营和运维成本。

2 NB-IoT实验课程体系模块化设计与实践

在OBE理念下将NB-IoT 课程实验按基本技能、综合实践、工程实践与创新3 个层次设计［10］。针对NB-IoT技术特点，构建以终端应用和网络云端应用为主，基站网络及后端开发平台为辅的实验课程体系，完善各个板块基本技能和综合实践课程的模块化设计，在此基础上进行工程实践和创新，让学生充分理解NB-IoT技术如何应用于实际行业，以达到对大学生创新能力的培养［11］。NB-IoT实验课程总体系参考表1。

表1 NB-IoT实验课程总体系

2.1 NB-IoT前端传感设备实验课程

NB-IoT前端设备实验课程主要涉及传感采集与设备控制设计及实现。包含传感数据采集基础、原理和应用、控制系统设计和应用开发流程。熟悉开发环境、开发工具、开发步骤。熟悉各种模块接口的开发方法，熟悉各种通信协议的应用开发。按OBE模式的模块化设计实验课程，可开设的课程参考表2［12］。

2.2 NB-IoT通信网络实验课程

构建4G通信基站，一方面可以进行4G通信实验教学，也可以开展在4G基站部署NB-IoT 通信网络实验。掌握无线组网方法，熟悉无线组网性能指标、数据接入的方法和步骤，完成从设备接入到数据在数据库中的存储。为后端平台应用提供支撑。实验包括网络的设计及实现、网关配置、鉴权设计、数据存储等，包含NB-IoT网络模式配置、数据无缝接入、远程使用等开发流程［13］。可开设的课程参考表3。

表2 NB-IoT前端设备实验课程

表3 4G与NB-IoT通信网络实验课程参考

2.3 NB-IoT综合应用实验与开发

可靠、功能强大、规范的NB-IoT 的物联网开放平台是做好综合创新应用实验的基础，该平台可以在规划好规范的情况下分步建设，首先在厂家提供的基本框架上构建平台基础应用模块，后期逐步完善平台功能，逐步做好物联网开放平台和市场上典型第三方软件（如地理信息系统、图像处理系统等）接口，采用软件服务模式框架构建平台内外各个应用程序关系，开发平台提供统一规范的API 接口，方便学生根据按个性化需求快速搭建应用系统［14］。训练学生熟悉物联网应用场景描述、需求分析、概要设计、详细设计、系统集成测试等开发流程［15］。软件应用开发实验课程可以参考计算机应用相关专业（如软件工程）的实验课程设计，基于现有实验室设备和平台逐步开展NB-IoT综合应用开发与创新，后期将开发得比较好的应用系统以软件服务模式导入开发平台，便于后面的相关应用能在此基础上二次开发［16］。NB-IoT 综合应用实验与开发可以面向产业应用设计具体课程参考表4。

表4 NB-IoT综合应用实验与开发实验课程

3 实验室建设应用成效

我校在新一轮工科改革建设背景下，利用“教育部—中兴通讯产教融合创新基地”项目，建设物联网NB-IoT教学实验和创新开发系统平台，配套建设4G小型基站（见图3），可以在电子信息、通信工程等专业，可开展包括移动通信原理、4G全网仿真教学、LTE 4G移动通信工程规划设计、综合布线、通信网络与测试等一系列的基本实验内容。平台还包含4G LTE 移动通信系统创新实验开发平台、4G智能终端创新实验开发平台、4G移动互联网创新实验开发平台（见图3、图4），物联网NB-IoT综合应用实验与开发平台（见图1、图5 和图6）。该试验平台能提升大学生在物联网领域的工程应用能力，同时构建了基于OBE模式的模块化实验体系。构建了能力与知识考核并重的多元化实验考核评价体系，能全面考核学生对知识的掌握和运用层次，符合新工科工程认证的实验课程体系建设。

图3 4G基站设备及配套服务器

图4 移动通信平台实验室

图5 物联网智能家居系统和智慧城市模拟沙盘

图6 物联网综合应用实验室

4 结语

NB-IoT具有广阔的应用前景，结合我校ICT 实验室建设，设计并建设了基于物联网大框架下的NB-IoT实验室，配套设计了模块化的实验课程体系，在OBE理念下，培养新工科背景下大学生对新技术的理解与应用，以及解决复杂工程问题的能力。通过近1 年的教学与科研实践，该NB-IoT物联网实验室能满足本科生、研究生等不同层次学生的教学与科研要求。培养了学生的创新力、提升了学生在通信和物联网领域的综合应用能力。