Communications Technology Vol.54 No.1Jan. 2021
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文献引用格式：曾涌泉，何浩，赵中军.基于NB-IoT 的士兵训练无线终端系统的设计[J].通信技术， 2021，54（01）：238-243.
ZENG Yongquan,HE Hao,ZHAO Zhongjun.Design of Soldier Training Wireless Terminal System
based on NB-IoT[J].Communications Technology,2021,54(01):238-243.
doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2021.01.037
基于NB-IoT 的士兵训练无线终端系统的设计*
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）
摘 要：士兵训练是培养士兵战术素养和提高实际战斗力的摇篮。为士兵提供实时可靠的无线终端系统，是有效完成士兵训练的前提和基础。作为一种近几年新发展起来的物联网技术，窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）具有功耗和速率低、覆盖广、容量高、大连接和成本低等特点。结合NB-IoT 技术设计了一种士兵训练无线终端系统，给出了总体设计方案，并完成了主要模块的设计和实现，包括控制器、北斗定位模块、NB-IoT 模块和报警模块。实践表明，此系统应用在实际训练中可以大大提高训练质量，具有重要的实际应用价值。关键词：NB-IoT 技术；士兵训练；物联网；无线终端
中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1002-0802(2021)-01-0238-06
Design of Soldier Training Wireless Terminal System based on NB-IoT
ZENG Yongquan, HE Hao, ZHAO Zhongjun
(No.30 Institute, CETC, Chengdu Sichuan 610041, China)
Abstract: Soldier training is the cradle for cultivating soldiers ’ tactical literacy and improving actual combat effectiveness. Providing soldiers with a real-time and reliable wireless terminal system is the prerequisite and basis for effective soldier training. As a new developed IoT technology, NB-IoT has t
he characteristics of low rate, low power consumption, wide coverage, high capacity, large connection and low cost. Based on NB-IoT technology, a wireless terminal system for soldier training is designed, and the overall design scheme is given in this article. At the same time, the design and implementation of the main modules are completed, including controller, Beidou positioning module, NB-IoT module and alarm module. Practice shows that the application of this system in actual training can greatly improve the quality of training and has important practical application value.
Keywords: NB-IoT technology; soldier training; IoT (the Internet of Things); wireless terminal
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
* 收稿日期：2020-09-10；修回日期：2020-12-10 Received date:2020-09-10;Revised date:2020-12-10
第54卷第1期曾涌泉，何 浩，赵中军：基于NB-IoT的士兵训练无线终端系统的设计
反应容器练效果和质量。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-To
ne）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。它主要通过共址方式接入到目前运营商已架设的LTE中。天线和射频单元可以直接利用LTE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。集热罩
（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NB-
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通信技术
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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
气囊修复
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。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。
4 结 语
本文将NB-IoT技术应用于士兵训练无线终端系统，实现了基于NB-IoT的可穿戴的无线终端设备，完成了整个系统的设计和实现，可改善士兵在训练中与指挥员的实时通信能力，提高作战训练系统的信息化和智能化，具有重要现实意义。
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