IUV NB IoT虚拟仿真教学系统在物联网应用技术课程中的应用

崔景 朱彤

1. 襄阳汽车职业技术学院 湖北 襄阳 441000；2. 深圳市艾优威科技有限公司 广东 深圳 518000

引言

随着物联网应用技术的大范围铺开，对NB IoT技术的需求也日益增多，由于其低功耗、低成本、信号连接强、高覆盖的特点，以襄阳水务局为例，在未部署NB智能水表时经常出现更换水表难、测量结果不准等情况，但是在2018年开始逐步更换NB智能水表后，测量员不需要下水井度数，而是直接通过NB芯片连接手机或者读数器抄送数据，比昏暗条件下人工读数更精准，且因为NB技术功耗小，一个满电状态的水表能够使用20年以上[1]。

1 NB-IoT技术特点及应用场景

NB-IoT技术具备以下4个特点。

1.1 低功耗

低功耗是物联网应用的一个重要指标，特别是对于不能频繁更换电池的设备和情况。NB-IoT物联网专注于小数据量和低速率的应用，因此NB-IoT物联网设备的功耗可以非常小，设备的电池寿命可以从几个月到几年显著提高。

1.2 低成本

NB-IoT不需要新的网络，射频和天线基本上都是重复使用的。以中国移动为例，900MHz的频段相对较宽。直接同时部署LTE和NB-IoT，只需要清理部分2G频段。低速率、低功耗和低带宽也赋予了NB-IoT物联网芯片和模块低成本的优势。

1.3 强链接

NB-IoT具有强大的室内覆盖和强度，比4G移动提供了20dB的增益，相当于覆盖区域能力增加了100倍。既能满足农村地区大覆盖的需求，又能适用于工厂、地下车库、井盖等对覆盖深度有要求的应用。以井盖监控为例。过去，GPRS需要天线，很容易被车辆损坏。然而，只要合理部署，NB-IoT是可以解决这个问题的。

1.4 高覆盖

NB-IoT具有很强的室内覆盖能力，与LTE相比增益提高了20dB，相当于覆盖面积能力的100倍。既能满足农村地区大覆盖的需求，又能适用于工厂、地下车库、井盖等对覆盖深度有要求的应用。以井盖监控为例。过去GPRS需要天线，很容易被车辆损坏。然而，只要合理部署，NB-IoT是可以解决这个问题的。

同时该技术已被广泛应用于公共事业、医疗健康、智慧城市、消费者、农业环境、物流仓储、智能楼宇、制造行业等八大典型行业。

2 NB-IoT技术课程设计及要求

NB-IoT技术授课一般以理论+实操的一体化教学为主，理论约占比40%、实操约占比60%。

理论部分一般需要讲解该技术的诞生及需求背景、技术特点、网络架构、空口协议、物理信号及物理信道、信令流程。在理论部分中可以通过课本教材+PPT教案的搭配授课可以使学生理解上述内容。

实操部分则更偏向于架构拓扑、容量计算、网络规划、设备配置、数据配置、开通优化等内容。而实操部分则需要实训或试验场景的加持，特别是模拟真实场景的部分则更需要用实物或仿真为学生指出如何设计、如何配置、如何优化，否则学生很难通过课本和PPT教案了解其内涵。

3 基于IUV NB IoT虚拟仿真系统的课程设计及案例

在部署IUV NB IoT虚拟仿真后可以解决六个实操方向的问题：架构拓扑、容量计算、网络规划、设备配置、数据配置、开通优化。教学案例：汽车职院NB物联网项目为襄阳市的NB基站建设项目，实地考察发现当地无任何网络条件，计划部署为NB-IoT网络，同时要求该地区的共享单车、智慧家居、智能单车等设备能够完成业务的验证，要求依据建设需求给出网络规划方案。在练习册上画出模拟图及思路，使用虚拟仿真实现思路及相关的业务验证。

3.1 架构拓扑、网络架构

NB系统是从LTE系统演进而来，则在顶层设计上就需要和LTE保持基本一致，即核心网、承载网、传输网。

核心网是处于整体架构中最上层的部分，是整个网络架构的大脑，具有负责网络的关键控制节点、临时存放用户数据、负责管理和存储用户的相关信息、负责对用户进行鉴权、数据包的路由和转发、为用户设备分配IP地址、存储并管理用户签约数据，包括用户鉴权信息、位置信息及路由信息等功能[2]。

承载网处于三层架构的中间部分，起到传输信息分流信息的作用，由于 机房和机房之间、设备和设备之间在实际应用中间隔较远、距离较大，在NB技术中一般用PTN设备进行传输，设备与设备之间的走线使用ODF架。

无线网处于三层架构的下端部分，基站部署在物联网中，从而像基站覆盖手机信号一样覆盖NB-IoT终端设备，比如智能家居、智能水表、共享单车等应用。

3.2 容量计算

在完成拓扑规划后，将给定的参数值填写到对应的参数表中，而后生成规划报告容量计算完成。

3.3 设备配置

在完成拓扑规划后，在设备配置一栏中放入对应的设备，即核心网放置MME、HSS、SGW、PGW四个网元设备同时为上述设备桥接FC-FC光纤以保证设备能够传输数据，最后从ODF架将设备从核心网接入到承载网。

承载网需要确定机房数量及传输方案，确定后在每个承载网机房中放入PTN、OTN设备、同时为上述设备桥接FC-FC光纤以保证设备能够传输数据，最后从ODF架将设备从本端机房接入后端机房，其顺序依次为承载中心机房分别桥接1区、2区和3区汇聚机房，而后1区、2区和3区汇聚机房分别连接A、B、C三个站点机房。

无线网即各站点机房，确定后在每个承载网机房中放入ANT、RRU、BBU、PTN、GPS设备、同时为上述设备桥接FC-FC光纤以保证设备能够传输数据，最后从ODF架将设备从本端机房接入承载网上端机房，A、B、C 3个站点机房分别连接1区、2区和3区汇聚机房。而后设备配置部分完成

3.4 数据配置

在数据配置中核心网、无线网、承载网中逐个网元或交换设备依次填入IP地址、网络掩码等参数后完成数据配置。

3.5 开通优化

上述任务完成后，在业务调试中测试，数据是否从核心网传输到应用终端，而后在管理平台中测试终端应用是否能够使用，至此课程设计结束，实训内容成功。

4 IUV NB IoT虚拟仿真系统融入高职提质培优工作

随着职教改革的大力铺开，职业院校的提质培优工作开始改革，三教改革中的教学方法应当顺应潮流做出一些改革，现在的职业院校不单单是授课+实训的二元化教学，而是“课、研、用、赛、证”五位一体的多元化教学。襄阳汽车职业技术学院物联网应用技术专业在人才培养方案的制定环节中，除了基本的基础课、专业必修课、选修课外，顺应潮流添加了至少24课时的大学生创新创业课程、4课时的大国工匠及企业名师进校园课程、24课时的1+X考证培训课程、4课时的企业观摩及实践课程，并且在课下以社团、兴趣小组等形式组织学生参加各类学科竞赛并备赛，在兴趣中学、在竞争中练。真正做到“课、研、用、赛、证”五位一体的多元化教学，在有限的时间内实现多元化教学任务融合，完成人才培养。

其中，IUV NB IoT虚拟仿真系统是1+X证书“5G移动网络运维”中的重要组成部分，目前已有60位在校学生参与证书培训，有43名学生成功取得1+X证书，证书试点积极融入物联网应用技术专业的教学体系中。专业选证试点的X证不是越多越好，我们可以参考“1+1+1”的选证模式，即一个专业、一个重点建设证书、一个备用证书，以满足学生的个性化需求，扩大学生就业的口径，为多元化社会培养复合型人才[3]。

襄阳汽车职业技术学院为贯彻落实《国家职业教育改革实施方案》积极开展相关工作，于2021年成功入选湖北省双高院校，同时在提质培优和三教改革方面产出部分成果，在“岗课证赛创”五大教法方面，我校物联网应用技术专业在岗位方向与武汉唯众、北京华晟经世、新大陆、华为襄阳公司等优质龙头企业开展教师顶岗、企业讲师授课、教师学生进岗实习等工作，提升了师资力量及教学质量；在课程方向与北京华晟经世等企业积极就课程改革等方向开展合作，目前将结合华晟经世的虚拟仿真技术打造物联网IoT在线平台，方便线上线下公式教学授课，创新教法在后疫情时代显得更为重要课程教学是职业院校人才培养环节中的重中之重，职业院校的课程具有更加贴近产业需求、课程随技术不断更新等特点，对师资的要求也日益提高。

5 IUV NB IoT虚拟仿真系统融入学科竞赛

大力实施“科教兴国”战略，培养高素质的创新创业人才，已成为新时代的要求。各类创新创业计划竞赛在培养复合型创新型人才、促进高校产学研结合方面发挥着日益积极的作用。本次学科竞赛主要分为语言、数学、硬件、专业、互联网5个大类。

5.1 语言

语言比赛包括大学生英语赛、“中央电视台杯”全国英语演讲赛、大学生辩论赛。

5.2 数学

数学竞赛包括全国大学生数学建模竞赛、中国数学竞赛等。

5.3 硬件

全国数学竞赛主要包括全国大学生电子设计竞赛（简称“电赛”）和“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛（简称“挑战杯”）、蓝桥杯设计大赛。

5.4 专业

主要项目有全国职业院校技能大赛、工匠杯、IUV杯等。

5.5 互联网+

互联网类主要包括中国“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生物联网应用创新大赛、全国大学生智能互联网创新大赛、全国移动互联网创新大赛和全国大学生移动互联网发展创新大赛。

6 结束语

随着移动襄阳分公司与华润燃气联合建设的首个NB-IoT智能燃气社区在襄阳樊城区钉丝厂家庭小区建成，100多户襄阳樊城区钉丝厂家庭小区开通账号入网，襄阳市也正式进入NB-IoT时代，襄阳税务、电网分公司等多个企事业单位开始逐步发力该产业，未来5年内襄阳市及周边地区相关职业技能人才缺口极大，待遇也在不断提高。职业教育的精华在于锻炼学生的动手能力，新时代的高职学生应该发展为懂理论、能实操、善思考、会设计的复合型人才，本文从NB-IoT这一专业核心课程入手描述了当下该课程的技术难点与发展前景。IUV-NB-IoT虚拟仿真比较完美的契合和本地区及职业院校的专业发展，能够较好地解决当前所遇到的问题，锻炼学生动手能力的同时提升学生顶层设计能力，较好地帮助了学生的就业及成长。