物联网与移动通信平台在电信实验教学中的应用

引 言

随着信息产业第三次浪潮的来临，世界信息技术飞速发展，各种新的应用层出不穷，对电信类专业的人才市场需求也在不断扩大。与之相对应，目前国内工科类高校普遍都开设了电子信息工程和通信工程专业，以培养合格的电信专业人才， 满足社会和企业的需要。大多数情况下，电信专业学生毕业后， 主要从事电子产品的开发与设计，或者在生产第一线参与电器设备的制造、维护等。无论作为管理者还是在生产车间，考虑到电子技术发展的特点，强化对电信类专业在校大学生的实际动手能力和创新能力的培养，有着更特殊的意义。

1 当前电信方向实验的普遍性问题

电信专业的特点之一就是电子技术和电子产品更新速度很快，在工作过程中对学生的实际动手能力及创新能力要求较高。如何培养学生的工程意识，提高学生的工程实践能力在电信专业大学生的培养过程中，显得尤为重要。电路、电工电子技术、模拟电子技术和数字电子技术等电信专业的基本课程中， 都包含理论教学和实验教学两部分内容，而实验环节对于培养学生的工程实践意识起着非常关键的作用。但是，无须讳言的是，在当前高等院校电信类专业的实验教学中，普遍存在着一些共性问题，比如很多高校的信息处理类实验设备陈旧，不能体现电信技术的发展趋势，或者是设备分散，各自独立， 不能开设信息处理全流程的系统实验，与实际应用脱节。移动通信类实验则往往缺乏相关的能反映学科方向较新成果的教学设备，许多系统性实验和新技术实验都无法开设。此外最能锻炼学生动手能力的综合性、开放性和创新性实验设备也相当匮乏。凡此种种，都不利于电信类学生专业综合素质和工程实践能力的培养。为了解决电信类专业学生实验教学中的这些问题，很多高校都做了大量积极的有益探索。其中，把当今电子网络的最新成就——物联网与移动通信平台相结合，应用于电信专业的实验教学，可以取得很好的效果。

2 物联网的特点

当今网络技术迅猛发展，物联网作为下一代通信网的发展主流，近年来已成为当前各界关注的焦点。国际电信联盟在2005物联网报告中正式提出了物联网的概念，同时对物联网的概念进行了扩展，提出了任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联，及无所不在的网络和无所不在的计算发展愿景[1]。物联网可以解决三种对象之间的互连，包括物与物，人与物， 以及人与人之间的互连。物联网具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种承载网将物体的信息实时准确地传递出去 ；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制[2]。

3 物联网与移动通信平台的框架结构

近年来，很多高等院校及各类职业培训学校在电信和通信类专业开设了网络通信和物联网的相关课程，同时建设与课程教学相配套的物联网通信平台实验室。物联网通信平台实验室主要面向电信、通信及相关电类专业学生，可以为通信原理、物联网应用系统设计、嵌入式系统设计、无线传感器网络等相关课程提供科研、教学及实践功能。

物联网与移动通信平台同时将光载无线通信、WiFi无线局域网、3G移动通信、嵌入式设备服务器和射频识别几种前沿技术融为一体，构建基于 3G移动通信的无线信息网络系统。该系统由 3G移动通信系统实验平台和软件实验平台两部分组成，包括系统单元、终端单元、物联网单元、测试单元和软件单元 5个部分 [3]，其中，3G移动通信系统实验平台构建了一个真实的 3G（TD-SCDMA）移动通信网，由系统部分（可以称之为基站）和终端部分（手机、无线数据卡、实验箱都是其表现形式）组成。该实验平台主要构成是 2 台 3G 基站和多个移动终端，其拓扑结构如图 1 所示。其中，3G 基站是一个工程应用的微型基站，主要包括 Node B、RNC、MSC 等功能， 可以在脱离公网的情况下完成入网呼叫的全流程，可以实现视频通话、高速数据下载等功能。在这个网络中，任何 TD- SCDMA 制式的手机都能使用专用的 USIM 实现拨打电话、短信收发 、视频通话等功能，并同时用专业的分析软件抓取基站和移动台之间的通信信令（ Uu 口信令 ）并支持回放，另外还能实现 3G 移动终端的原理分析，以及终端的各种应用，能够完成物联网的基础实验、组网实验等。为了配合教学，还增加了通过软件进行网络参数配置等功能。

4 物联网与移动通信平台设备主要构成

物联网与移动通信平台设备主要构成如下系统：

(1) 前端信息采集网络，包括 ：温湿度传感器等各类传感器件，通信接口包括WiFi无线、ZigBee无线、2G、3G或工业串口等多种格式，可用于构建传感器网络；RFID设备（带 RS232接口），可用于构建仓储、物流及人员管理的实验场景；无线通信格式转换器件（如工业串口 RS232或RS485转WiFi 格式），可用于构建大型且复杂通信模式下的物联网实验场景 ；PLC（带 RS232或RS485接口）及其控制的设备，可用于模拟工业生产现场控制与通信的实验场景 ；视频采集设备，可用于模拟现场人员及场景监控的实验场景；

(2) 无线与移动网络传输系统，包括：“光载无线交换机”将WiFi信号的产生、处理集中于内部（中央机房），以光纤实现大范围（200 ～5000m）分布，通过远端天线完成信号传输。可混合传输WiFi 与 2G、3G、4G以及其他无线信号。

物联网与移动通信平台能够模拟真实的应用环境，不仅可以培养学生对前沿知识的学习兴趣，掌握物联网的基本概念、工作原理、系统组成等基本知识，还可以培养学生的实践操作能力和编程能力。该平台不同于简单的操作类实验， 通过配套模版，学生还可以进行硬件接口设计、软件编程设计和实际的物联网与移动通信应用设计等，所设计的实验内容丰富，包括验证性、设计性和开放创新性等多种实验。

5 物联网与移动通信平台在电信实验教学中的应用举例

在物联网实验方面可以开设的实验有：局域网组网及混合组网实验、WiFi 接入点（AP）管理与配置实验、光载无线交换机组装和测试实验、ARM11 开发板系列实验、短距离无线 /WiFi 数据网关的设计、WiFi 温湿度传感器设计、WiFi 无线射频识别读卡器的开发、视频监控实验平台等实验内容。在移动通信实验方面可以开设的实验有：嵌入式系统实验、移动通信链路协议追踪与分析、移动终端工程参数分析、3G 手机组成与工作原理、3G 终端综合测试、Android 下视频电话实验、WiFi、GPS、蓝牙和 CMMB 工作原理及应用等实验内容。

下面以该实验平台中的视频通话流程实验为例，说明本实验平台在教学实践中的使用效果。该实验是通信专业三年级学生课程设计内容的一部分，在实验结束后，需提交实验报告并进行答辩。

可视电话业务在 TD-SCDMA 网络中的电路域技术实现过程是，当可视电话发起时，首先双方通过呼叫建立协议接通物理通道，然后是控制信号（H.245）的交互，发送信号经过切割（CCSR L）、分序（NSRP）后，通过复用（H.223）／物理层传送给对方，对方进行按序收集（NSRP）、组合（CCSRL）。经过控制信号的交互，双方已经建立起可视通话的通道，这时双方的视频信号就可经过媒体编解码器和复用（H.223）／ 物理层与对方进行可视交互了[4,5]。

在视频通话流程实验教学中，安排一组两名学生进行实验，按照如下步骤执行操作：

(1) 两部手机装入专用 USIM卡，然后手机开机，进入待机状态。同时设置好TT软件，确保与手机能连接正确，且能够观测到原语序列图上的信令跟踪；

(2) 假设一部手机装入6074的USIM卡，另一部手机装入6075的USIM卡。在 6074手机中拨号 6075，选择“可视呼叫”，等待 6075接听，之后接听、通话，然后任意一部手机挂机，完成一个完整的通话流程。此时在与两部手机相连的TT软件就实时显示可视主叫（对 6074而言是主叫）或被叫（对6075而言是被叫）的流程；

(3) 一次可视呼叫流程完成后，TT 软件选择“断开连接”，“保存工程”，就可以使用回放的方式来观看流程和信令了；

(4) 将拨打的顺序进行调换（6075主叫，6074被叫），使用同样的步骤观测流程，这样确保每个人都能观测到可视呼叫主叫和被叫的全流程；

(5) 完成实验并整理实验记录，撰写报告。

通过该实验的操作，让学生掌握TD-SCDMA 系统可视通话的工作原理、可视通话的全流程及关键信令、掌握通过TT 软件观测手机可视通话的方法、观测手机与手机之间可视通话的信令流程并进行分析。

通过上面的示例可以说明，物联网与移动通信平台符合实验教学改革的要求，能紧密结合电信与通信专业的特点，在硬件和软件平台上真正培养学生的实际动手能力，让学生掌握从基本原理实验到系统实验，再到构建一个复杂的信息处理系统的相关知识和方法。它不仅可用于日常教学，还可为学生第二课堂活动、课程设计、生产实习和毕业设计等提供研究型设计课题，还能够为全国大学生电子设计竞赛提供培训。该平台能够满足设立创新项目的要求，使学生完成从思路构思、方案设计到实验验证等全过程，培养学生的综合能力和创新能力，为学生提供了一个完整的实践训练环境。物联网与移动通信平台可以对学生进行物联网与移动通信的工程综合实训， 特别有利于学生工程实践能力和创新能力的培养，比较全面地满足了学生或教师在实践学习和科研技术方面的需求，对加强实践性教学环节和提高实验教学的质量都具有重要意义。

6 结 语

随着通信技术和物联网技术日新月异的飞速发展，在不久的将来，物联网将在智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、医疗健康、国防军事等多项领域发挥重要作用[6]，物联网将给我们的生活带来革命性的变化。高校教学必然也要顺应这个发展趋势，改变教学方法，跟上时代的步伐，提高教学科研水平，培养出能充分满足市场需求的物联网与移动通信人才。