基于NB-IoT 的士兵訓練無線終端系統(tǒng)的設計*

曾涌泉，何 浩，趙中軍

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

“軍事訓練是未來戰(zhàn)爭的預演。”隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭技術的日新月異，未來戰(zhàn)爭的形態(tài)必將信息化。而士兵訓練是培養(yǎng)士兵戰(zhàn)術素養(yǎng)和提高實際戰(zhàn)斗力的重要手段[1]。在傳統(tǒng)的士兵訓練過程中，指揮員大多是采用有線網(wǎng)絡、對講機、藍牙或者WiFi 等方式向士兵下達作戰(zhàn)指令，并收集訓練場地的各種信息等。這種方式存在很多的問題，如設備的功耗較高、質(zhì)量較大、背負較多、待機時間短、有線網(wǎng)絡部署成本高以及無線通信距離近等，都會影響訓練效果和質(zhì)量。要真正達到演練的效果，為實戰(zhàn)提供數(shù)據(jù)支撐[2]，需要能夠及時、全面地獲取士兵的位置、狀態(tài)等各種信息，減輕士兵的消耗負擔，以便指揮員能實時有效地根據(jù)相關信息下達正確的命令。這些訓練數(shù)據(jù)也為訓練后的分析考評提供了數(shù)據(jù)支撐，因此采用信息化和數(shù)據(jù)化技術來保證訓練過程中信息傳輸?shù)募皶r性十分必要。

2016 年6 月16 日，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）獲得3GPP 批準，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應用的新興技術，是基于窄帶（200 kHz）的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術。作為低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）的代表[3]，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)成為當前最熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術。與GSM 等網(wǎng)絡相比，NB-IoT 系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點，包括成本和功耗更低（每個模塊不足5 美元，電池壽命可長達10 年）、更多連接（單個小區(qū)可以支持多達10 萬個連接）以及更強覆蓋（比GSM 增強20 dB）等優(yōu)點。基于以上優(yōu)點，本文設計基于NB-IoT 的士兵訓練系統(tǒng)具有重要的實際意義。

1 NB-IoT 技術介紹

1.1 NB-IoT 技術原理

1.1.1 工作模式

NB-IoT目前只支持FDD傳輸方式，帶寬180 kHz，支持3 種工作模式。

（1）Standalone——獨立部署方式。此種方式不依賴于LTE 系統(tǒng)，是在LTE 帶外獨立部署一段≥180 kHz 頻譜的方式。它主要占用原來GSM 網(wǎng)絡的工作頻段，功率獨立配置[4]。由于它不需要考慮對LTE 系統(tǒng)的影響，因此在下行鏈路發(fā)射信號時，可以使用相對較高的發(fā)射功率，大大增強了下行信號的覆蓋能力。當信道帶寬為200 kHz 時，它可以達到性能最優(yōu)。

（2）Guardband——保護帶部署方式。它是利用LTE 系統(tǒng)中邊緣無用的頻帶資源的一種部署方式。由于它不占用LTE 系統(tǒng)的有效頻率資源，大大增加了頻譜利用率，因此有助于NB-IoT 與LTE 系統(tǒng)兼容。

（3）Inband——載波帶內(nèi)部署方式。此種方式是利用LTE 系統(tǒng)頻帶內(nèi)空閑的頻譜[5]資源進行部署的一種方式。由于部署在LTE 帶內(nèi)，因此它不需要額外再占用其資源，但是下行信號的發(fā)送功率不能太大，易影響LTE 本身的信號強度，導致其下行覆蓋能力較弱。

1.1.2 信號傳輸方式

在物理層，NB-IoT 系統(tǒng)的上行鏈路使用的調(diào)制方式為BPSK 或QPSK，傳輸帶寬為180 kHz，且采用單載波頻分多址（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，SC-FDMA）技術，支持3.75 kHz 和15kHz 兩種子載波間隔。上行鏈路支持單子載波模式（Single-Tone）和多子載波模式（Multi-Tone）兩種傳輸方式[6]，其中單子載波技術的子載波間隔包括3.75 kHz 和15 kHz 兩種，多子載波技術的子載波間隔為15 kHz。3.75 kHz 和15 kHz兩種子載波間隔各有優(yōu)點。其中，對于3.75 kHz子載波間隔，NB-IoT 新定義了一個2 ms 長度的窄帶時隙，可以為系統(tǒng)提供更大的容量，可以適應超低速率和超低功耗的IoT 終端；對于15 kHz 子載波間隔，NB-IoT 上行幀結(jié)構（幀長和時隙長度）和LTE 相同，可以實現(xiàn)與LTE 系統(tǒng)更好的兼容性。

NB-IoT 下行支持OFDMA 傳輸，占用200 kHz帶寬，兩邊各留10 kHz 保護帶，實際占用180 kHz，子載波間隔15 kHz，子載波數(shù)量為12 CP（Cyclic Prefix，循環(huán)前綴），長度為常規(guī)CP。

1.1.3 NB-IoT 的組網(wǎng)

NB-IoT 組網(wǎng)[7]主要分為5 個部分。

（1）NB-IoT 終端。它可以支撐帶有NB-IoT模塊的各行業(yè)終端設備的接入，只需要在相應的終端設備中插入SIM 卡，通過終端提供的相應的無線信號即可接入到NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中。

（2）NB-IoT 基站。它主要通過共址方式接入到目前運營商已架設的LTE 基站中。天線和射頻單元可以直接利用LTE 基站中現(xiàn)有的模塊，而主控板或基帶設備只需通過軟件升級相關功能即可直接使用。

（3）NB-IoT 核心網(wǎng)。NB-IoT 核心網(wǎng)實現(xiàn)NB-IoT基站和云平臺的連接，具備終端適配和接入、系統(tǒng)安全性和移動性等管理、流量管理和計費、擁塞控制等功能。

（4）NB-IoT 云平臺。該平臺完成各類業(yè)務處理，包括應用層協(xié)議棧適配、事件訂閱管理以及大數(shù)據(jù)分析等功能，為NB-IoT 終端提供API 接口和終端管理，并將處理后的業(yè)務數(shù)據(jù)發(fā)送給NB-IoT終端或垂直行業(yè)中心。

（5）垂直行業(yè)中心。垂直行業(yè)中心獲取本中心云平臺發(fā)送過來的業(yè)務數(shù)據(jù)，并可以實現(xiàn)NBIoT 終端的部分控制功能。

1.2 NB-IoT 技術特點

NB-IoT 系統(tǒng)由于使用的是蜂窩網(wǎng)絡，因此對于GSM 網(wǎng)絡、LTE 網(wǎng)絡等使用蜂窩技術的網(wǎng)絡只需要升級相應的軟件功能即可以直接部署NB-IoT終端，大大節(jié)約了部署成本。NB-IoT 系統(tǒng)因其具有低功耗、廣覆蓋、大連接、低成本、高容量、長續(xù)航以及強穿透等技術優(yōu)勢，能夠很好地解決士兵訓練中的訓練場地傳輸距離遠、訓練設備可移動以及接入終端數(shù)量大等問題。NB-IoT 的技術特點主要有以下幾點。

1.2.1 低功耗

NB-IoT 系統(tǒng)使用多種新功能和新技術降低功耗，如使用3GPP 標準中的省電模式（Power Saving Mode，PSM）、不連續(xù)接收模式（Discontinuous Reception，DRX）以及擴展不連續(xù)接收模式（Extended DRX，eDRX）等多種創(chuàng)新節(jié)能技術，可延長NBIoT 終端[8]在空閑模式下的睡眠時間，實現(xiàn)超長待機。基于這些新技術的應用，一節(jié)AA 電池可工作5 年，使得NB-IoT 終端可以更好地滿足小型化和手持化的需求，便于攜帶，比較適合士兵野外作戰(zhàn)訓練使用。

1.2.2 低成本

NB-IoT系統(tǒng)可以復用LTE的射頻和天線模塊，無需重新組建新的網(wǎng)絡，且是單天線和半雙工模式，射頻成本較低。系統(tǒng)帶寬只有180 kHz，基帶設備的復雜度低，又可減少設備成本。系統(tǒng)的采樣率較低，對緩存Flash/RAM 的要求較小。NB-IoT 芯片預期價格可以做到1 美元，有利于終端的批量裝備。

1.2.3 廣覆蓋

相比于2G、3G、4G 網(wǎng)絡，NB-IoT 提升了20 dB 的網(wǎng)絡增益，意味著具備了比原來網(wǎng)絡多傳透一堵墻的能力。它即使在有障礙物如野外叢林、樓宇內(nèi)以及地下室等信號難以到達的地方也能覆蓋，能夠很好地適應各種訓練環(huán)境。

1.2.4 高容量

NB-IoT 信號占用的帶寬較窄，將會大大提升信道容量；空口信令簡化，頻譜效率高；NB-IoT系統(tǒng)的終端上下文信息存儲、準入擁塞控制都是獨立的，使得系統(tǒng)具有海量的連接能力，如一個扇區(qū)能夠支持10 萬個連接[9]。由于系統(tǒng)具有的高容量優(yōu)勢，它足以支撐作戰(zhàn)訓練現(xiàn)場大量士兵NB-IoT終端設備接入的需求。

2 總體設計方案

針對現(xiàn)有技術的不足，采用當前最熱門且具有眾多優(yōu)點的物聯(lián)網(wǎng)技術，設計了一種基于NB-IoT的士兵訓練無線終端系統(tǒng)。系統(tǒng)采用NB-IoT 進行通信，使用北斗導航系統(tǒng)作為定位系統(tǒng)，通過士兵身上的紅外裝置等檢測終端信息，并采用可穿戴方式進行配備，使用方便，減少了負重，可為指揮員提供實時的士兵訓練信息和場地信息，有助于提高訓練質(zhì)量。

基于NB-IoT 的士兵訓練無線系統(tǒng)，主要包括可穿戴的NB-IoT 傳感器等設備、云服務器研究指揮控制PC 端等。總體設計圖如圖1 所示。

圖1 基于NB-IoT 的士兵訓練無線終端系統(tǒng)總體設計

圖1 中的可穿戴終端可以直接穿在身上，或配置到衣服、配件等輕便設備上，采用小型集成的芯片以及傳感器等多種模塊，完成硬件的防水防塵設計，通過軟件的數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)其便攜化，減輕使用負擔。參與訓練的士兵通過所攜帶的傳感器設備采集各自的位置及相關的訓練信息，然后NB-IoT 模塊將數(shù)據(jù)通過基站上傳至云服務器并存儲。云服務器用于存儲并實時更新戰(zhàn)士的定位信息和其他信息，并存儲指揮員反饋給士兵的指控信息進行身份鑒權。指揮中心PC 端隨時查看士兵的訓練信息和戰(zhàn)場信息，并下達任務指令。

3 主要模塊的設計

根據(jù)系統(tǒng)總體設計圖，士兵NB-IoT 無線終端設備是本文的研究重點，包括控制器模塊、NB-IoT模塊、北斗定位模塊、電源模塊以及報警模塊等。各個模塊通過控制器相互連接。控制器通過NBIoT 進行通信。系統(tǒng)將獲取到的位置等信息通過NB-IoT 網(wǎng)絡傳輸給附近的NB-IoT 基站。北斗定位模塊與控制器相連，用于實現(xiàn)系統(tǒng)定位。控制器向北斗定位模塊發(fā)送獲取位置的請求，北斗模塊接收到請求后，將獲取的當前位置信息傳送給控制器，設計如圖2 所示。

圖2 NB-IoT 無線終端設備總體設計

3.1 控制器

控制器的主要功能：負責采集北斗/GPS 定位模塊返回的位置信息；接收報警模塊的報警信息；將接收到的位置信息和報警信息傳輸至服務器等。

本文設計的控制器選用的是STM32F407 處理器。它是一款性價比高、功耗超低的微控制器，外設豐富，具有2 個DMA 控制器和6 個串口。串口可以實現(xiàn)與其他模塊（定位系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)交互。另外，它具有內(nèi)核小、數(shù)據(jù)運算能力強等特點。該處理器的抗干擾能力也很強，在極低功耗的情況下仍能保持高速的運算速度。在軟件開發(fā)方面，它支持C 語言開發(fā)，大大增強了調(diào)試速度以及與其他系統(tǒng)的兼容。在硬件方面，芯片采用BGA 封裝，為設備低功耗、小型化以及便攜式提供了支撐。

3.2 北斗定位模塊

北斗定位模塊的主要功能是北斗模塊[10]先與北斗衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)通信獲取相關的位置信息，然后將獲取的衛(wèi)星定位參數(shù)信息傳送給控制器模塊，控制器解析接收的位置信息，再將定位通過NB-IoT發(fā)送至NB-IoT 基站并存儲在服務器端。

為了獲取準備的數(shù)據(jù)信息，定位系統(tǒng)對定位精度、功耗、抗干擾能力以及體積等要求非常嚴格。在選擇定位模塊時，綜合考慮各方面的因素，選用和芯星通公司的UM220 北斗導航模塊。UM220 具有尺寸小、重量輕和功耗低等優(yōu)點，且捕捉靈敏度在-147 dBm 左右，跟蹤靈敏度可以達到-160 dBm。此外，它的水平誤差、速度誤差及高度誤差均能夠保持在很小的范圍內(nèi)。-40～+85 ℃的工作溫度能夠適應苛刻的訓練環(huán)境，因此它具有較高的可靠性。

UM220 是一款多頻高性能多系統(tǒng)SOC 芯片，可以支持GPS L1 和BD2B1 兩個頻點。UM220 尺寸小，非常適合用于低功耗、低體積、低成本和便攜帶等領域，符合士兵訓練無線終端系統(tǒng)大規(guī)模和便攜式應用的需要。

3.3 NB-IoT 模塊

NB-IoT的核心技術包括基于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡等相關技術，以及在此基礎上新增加的功能。本文重點對以下幾種技術做詳細介紹。這些關鍵技術使得系統(tǒng)可以滿足擴展覆蓋范圍[11]、提高上行容量、降低終端復雜度等要求。

3.3.1 多輸入多輸出技術

NB-IoT下行鏈路支持兩種多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）模式，即單天線端口傳輸和多天線端口開環(huán)發(fā)射分集。其中，上行鏈路只支持單天線端口傳輸一種MIMO 模式。

NB-IoT 系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端均采用多天線實現(xiàn)信號的發(fā)送和接收。利用多天線技術可以獲得分集增益、空間復用增益和陣列增益，能有效抑制信道的傳輸衰弱，還可以在不增加系統(tǒng)帶寬和天線發(fā)射總功率的條件下提供空間分集增益，能夠充分利用空間信道傳輸資源。它突破了傳統(tǒng)的單輸入單輸出信道容量存在的瓶頸問題，利用空間信道的弱相關性形成空間復用增益，可以在多個相互獨立的空間信道上傳遞不同類型的數(shù)據(jù)流[11]。NB-IoT 的多輸入多輸出技術還采用了預編碼或波束成型技術，可以確保一個或多個指定方向上的能量形成一個陣列增益，允許在不同方向上的多個用戶同時獲得服務，大大增加了NB-IoT 的容量。

3.3.2 自適應技術

NB-IoT 系統(tǒng)使用的自適應技術可以根據(jù)信道傳輸環(huán)境的變化適時改變NB-IoT 的發(fā)送、接收參數(shù)，以保證達到最優(yōu)的通信質(zhì)量。目前，常用的自適應技術有自適應編碼調(diào)制技術、自適應功率控制技術、自適應資源分配技術和自適應重傳技術等。NB-IoT 系統(tǒng)采用自適應技術，可以利用最新的理論和技術，為NB-IoT 提供了一個全方位的自適應系統(tǒng)，從而實時分析信道的通信特性、感知人為、自然噪聲和頻率干擾，識別干擾等級，并可以實現(xiàn)對NB-IoT 系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化。

3.3.3 多載波聚合傳輸技術

多載波聚合傳輸技術是一種正交頻分復用技術。在發(fā)送端，將一個高速數(shù)據(jù)流分解成多個并行的低速子數(shù)據(jù)流，然后將這些子數(shù)據(jù)流分別與相應的正交子載波相乘調(diào)制到正交信道上，從而完成信號的發(fā)射；在接收端，對正交信號進行分離，避免各信道間的干擾。由于信道相關帶寬大于子信道的信號傳輸帶寬，每一個子信道都可以作為平坦性衰落，可以消除各符號間的干擾。NB-IoT 系統(tǒng)采用了此項技術，可以解決頻率不足的問題，很好地實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 報警模塊

當士兵遇到緊急情況需要尋求幫助時，可以啟動報警系統(tǒng)。設計的報警模塊是一鍵報警按鈕裝置[12]，需要時只用按下報警按鈕，就可以將此報警信號發(fā)送給控制器。控制器在接收到報警信息后，向北斗定位模塊發(fā)送指令獲取士兵當前的位置等信息，然后將此位置信息通過NB-IoT 傳輸至附近的NB-IoT 基站。基站對接收到的信息進行處理后存儲在云服務器，且后臺監(jiān)控系統(tǒng)將報警信息發(fā)送至監(jiān)控終端，此時指揮員可根據(jù)監(jiān)控到的報警信息進行及時處理。

4 結(jié)語

本文將NB-IoT 技術應用于士兵訓練無線終端系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于NB-IoT 的可穿戴的無線終端設備，完成了整個系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，可改善士兵在訓練中與指揮員的實時通信能力，提高作戰(zhàn)訓練系統(tǒng)的信息化和智能化，具有重要現(xiàn)實意義。