虛擬仿真在開放實驗中的應用

張曉舒 華中師范大學職業與繼續教育學院

虛擬仿真在開放實驗中的應用

張曉舒 華中師范大學職業與繼續教育學院

LTE網絡是當前全球廣泛商用的高新技術，在高校通信專業的教學中所占比重較大。LTE的規劃和優化是網絡建設和運營維護過程中需要面臨的實際工程問題，是移動通信課程中的重要學習內容。特別是無線網區域覆蓋是LTE網絡需要解決的基本問題，對學生而言，不僅需要熟悉覆蓋規劃方法，還需要掌握區域覆蓋的優化方法，將兩方面的學習融會貫通，應用于實踐中解決實際工程問題。然而傳統的移動通信實驗室基本上基于“實驗箱“，這樣的實驗平臺只能開展原理性實驗，在規劃和優化實驗方面具有很多實際困難，甚至不可行；而在實驗室中搭建的實體網絡不但成本高昂且很難模擬出各種類型的無線場景。更為重要的是實體實驗無法做到實驗資源的開放共享。故而采用虛擬仿真手段很好解決上述困難，能夠幫助學生隨時隨地的在線實驗，不受時間空間和實驗資源的約束，快速熟悉和掌握LTE網組網技術，逼真的移動網絡壞境體驗更有利于學生積累無線網絡規劃優化方面的實際工程經驗，最終達到“了解技術、融合知識、結合實際，遞進能力”的目的。

LTE 網絡覆蓋 覆蓋規劃 覆蓋優化 路測 虛擬仿真

1 概述

傳統的移動通信實驗室基本上基于“實驗箱“（或”實驗柜”），這樣的實驗平臺通常是模擬移動通信系統物理層點到點傳輸過程，側重于信號處理技術方面的了解，在開展規劃和優化實驗方面具有很多實際困難，甚至不可行。

另一方面在實驗室中搭建真實的移動通信網絡，需要極大的設備投資和場地；切頻繁操作網絡極易造成實體設備各部件的損耗和破壞；眾多的無線網絡業務場景又是和網絡所處的地理環境和用戶行為密切相關，實驗室中的實體網絡通常很難模擬出各種類型的場景，無法復現故障，對實驗操作的帶來了極大的限制。

同時上述的實驗方式受到時間地點和實驗人數的限制，無法共享實驗資源，無法進行在線遠程實驗

因此建設虛實結合的仿真虛擬教學實驗平臺，可以完美地解決移動網絡規劃和優化在傳統實驗和實網實驗中面臨的難題。讓學生隨時隨地的在線實驗，不受時間空間和實驗資源的約束，自定義個性化的學習進度資源共享。

通過虛擬仿真手段，讓學生在虛擬場景中，進行網絡覆蓋規劃與配置開通，網絡性能的測試，信令數據的分析與覆蓋故障的定位優化，自主探索個性化的解決方案，加深對知識的理解與靈活應用，逐步培養出滿足社會需要的理論和實踐技能兼備的復合型、多樣化的技術人才，達到“了解技術、融合知識、結合實際，遞進能力”的目的。

2 LTE網絡覆蓋規劃與優化虛擬仿真

LTE網絡覆蓋規劃與優化虛擬仿真分為兩個階段：覆蓋規劃階段和覆蓋優化階段。

2.1 網絡規劃環節

在虛擬仿真環境中，利用所學的移動網絡組網原理，以可視化的方式進行網絡規劃設計，主要步驟包括：

2．1．1 仿真模型選型

通過選擇合理的傳播模型，并進行覆蓋估算，匹配后面的網絡規劃的場景，使整個仿真過程合理有效；并讓學生了解傳播模型的作用。

（1）確定傳播模型:選定實驗中所應用的傳播模型，例如SPM模型、COST231- Hata模型等。然后根據虛擬仿真的地理環境，設置傳播模型的參數。

（2）覆蓋估算

選擇一定的的傳播模型后，進行鏈路預算，利用發射端，傳播空間和接收端的相關參數，計算出無線鏈路所能允許的最大路徑損耗，然后將允許的最大路徑損耗代入無線傳播模型中去，估算出相應的覆蓋半徑。

2．1．2 小區規劃

通過容量，地圖背景，容量參數，選擇合理的基站位置，PCI參數。

確定基站的蜂窩結構，根據基站覆蓋半徑，計算單基站的覆蓋面積，從而得出滿足覆蓋要求的最少基站數量和位置。

2．1．3 組網開局

利用虛擬的手機、天饋、基站等網元設備，在仿真的地理空間中根據站址規劃的結果，搭建一個完整的移動通信網絡的拓撲結構，并為各種網元設備設置網絡參數與網絡數據，進行網絡開通。

（1）按照規劃好的小區列表數據，在地圖上添加對應的基站和小區，并調整相關參數和小區列表保持一致。

（2）覆蓋渲染仿真。在虛擬仿真環境中，開通網絡后，進行覆蓋效果的渲染仿真，驗證覆蓋效果是否針對選定的地理環境達到了規劃的目標。

2．1．4 制造覆蓋故障。

在虛擬仿真環境中，利用影響覆蓋效果的相關理論知識，設計一種或多種網絡覆蓋故障，并通過在虛擬仿真環境中，調整網絡的拓撲結構、基站數量、天線角度、網絡參數、傳播模型、地理環境等來制造相應的覆蓋問題。

2.2 網絡優化環節

覆蓋故障優化組的學生，利用的網絡優化知識，通過虛擬路測和仿真優化手段來解決網絡的覆蓋故障。

2．2．1 虛擬路測與覆蓋故障分析

對存在覆蓋故障的虛擬網絡環境，按測試路線和測試計劃進行虛擬路測，采集LTE網絡的無線數據，通過參數分析、KPI統計、信令流程分析、覆蓋專題分析等方法發現覆蓋空洞、弱覆蓋、越區覆蓋、導頻污染這四類覆蓋問題。

該仿真包括LTE網絡優化仿真引擎加載、虛擬路測、軌跡點分析、覆蓋參數統計分析等幾個過程。

2．2．2 覆蓋問題優化調整

通過對網優數據進行分析，定位網優問題點，調整對應天線、基站、小區參數等消除覆蓋故障。

2．2．3 閉環復測

保存修改后的仿真場景數據，重新進行仿真測試，直到達到預期的覆蓋效果。

張曉舒，湖北荊州人，華中師范大學職業與繼續教育學院講師，研究方向遠程教育，成人教育。