4G全網虛擬仿真實訓平臺在通信專業教學中的應用

林曉燕

摘 要 近年來，通信領域人才需求缺口越來越大，尤其移動互聯技術、終端接入側技術及其相關領域的綜合型人才的缺口還會進一步增大。通信工程教學改革最重要的方面是加強實踐環節的設置以及注重實訓效果。實訓平臺一直是通信類學校學生培養工作中不可缺少的重要教學工具，完善的平臺功能能培養出學生的工程操作能力和工程創造能力。目前，通信領域實訓基地投入巨大而效果甚微是最主要的問題。

關鍵詞 4G全網虛擬仿真實訓平臺；實訓；教學改革；通信

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）12-0036-03

1 引言

4G全網虛擬仿真實訓平臺的建設工作堅持“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想，以全面提高在校學生創新精神和實踐能力為宗旨，推動中、高等學校實訓教學改革與創新。

2 4G全網虛擬仿真教學實訓平臺的技術基礎

4G對3G的網絡架構進行了優化，采用扁平化的網絡結構，取消RNC節點，接入網側僅包含eNode B一種實體。這簡化了網絡設計，降低了后期維護的難度，實現了全IP路由，網絡結構趨近于IP寬帶網絡。

4G通信網絡由接入網E-UTRAN、傳輸網PTN和核心網EPC組成，下面就這三部分的主要結構及性能進行說明。

接入網E-UTRAN LTE采用與2G/3G不同的空中接口技術，即基于OFDM技術的空中接口技術；對傳統3G網絡結構進行優化，采用扁平化的網絡結構，即接入網E-UTRAN不再包含BSC/RNC，僅包含eNode B，提供E-UTRAN用戶面PDCP/RLC/MAC/物理層協議的功能和控制面RRC協議的功能。eNode B之間由X2接口互連，每個eNode B又和演進型分組核心網EPC通過S1接口相連。

傳輸網PTN PTN是一種光傳輸網絡技術：在IP業務和物理層傳輸介質之間設置一個層面，它以分組業務為核心，針對分組業務流量的突發性和統計復用傳送的要求而設計，支持多業務提供。

PTN具有完善的OAM機制，精確故障定位和嚴格的業務隔離功能，最大限度地管理和利用光纖資源。PTN具有適合各種粗細顆粒業務、端到端的組網能力，提供了更加適合于IP業務特性的“柔性”傳輸管道；同時，它保證了業務安全性，可實現資源的自動配置及網狀網的高生存性。

1）PTN950設備。OptiX PTN 950主要應用于傳送網絡的接入層，采用各種類型的鏈路接口接入終端用戶設備的業務，并進行轉換處理。

2）PTN960設備。OptiX PTN 960可以放在基站側做基站業務接入，支持多種業務類型，并提供豐富的功能特性；也可以放置在匯聚節點做業務匯聚設備，將其他盒式設備接入的業務經過整合后傳送到更高層次的設備中。

核心網EPC 核心網位于網絡子系統內，主要作用是把A接口上的呼叫請求或數據請求接續到不同的網絡上，主要涉及呼叫的接續、計費，移動性管理，補充業務實現。

為支持LTE接入，3GPP定義了新的EPC網絡，平臺將包括MME、SGW、PGW和HSS四個網絡節點。

3 4G全網虛擬仿真實訓系統在教學中應用的方案概述

為了最大限度模擬現網運行，該虛擬仿真實訓系統結合現網中三大運營商使用的主流產品，如基站、PTN、核心網中涉及的相關網絡設備，通過一種基于Web技術構建的開放式網絡化的虛擬實訓教學系統，為開設各種虛擬實訓課程提供全新的教學環境，可供學生利用互聯網通過接近真實的人機交互界面完成實訓。

4G全網虛擬仿真實訓系統采用B/S架構設計，可兼容各版本Windows系統、蘋果OSX系統，可實現所有4G-LTE全網規劃部署的學習，可實現實訓、測評等多種學習模式；多組實訓可并發進行，不限客戶端數，支持同時在線人數10 000人以上。

4G全網虛擬仿真實訓系統是基于目前通信網絡中主流的“基站—PTN—核心網”設備架構建設的虛擬實訓系統，實訓內容包括基站、PTN、核心網中涉及的相關網絡設備。實訓模塊包括LTE仿真基站、仿真核心網、仿真PTN和全網業務驗證四個部分，包括LTE仿真基站BBU、RRU及終端部分等，仿真核心網MME、HSS、SGW、PGW等，仿真PTN設備PTN950、PTN960、PTN1900等。各模塊涵蓋設備介紹、硬件選配、硬件安裝、數據配置、網絡調測和操作維護。

4G全網虛擬仿真實訓系統采用個性化定制服務，針對學生端（包括對網絡基站基于各種場景模式下的相關規劃，以及在該規劃下相關設備型號的選取方案和基本信息配置，以拓撲結構的形式模擬出當前方案下各個設備間線纜連接形式和全網下設備搭配的設計與展現，以及對應的參數配置，配置的形式包括圖形界面操作和配置MML命令）和教師端（包括各種個性化定制實訓任務分發、對實訓過程的監控、針對實訓輸出的評分管理，在此流程上提供系統用戶信息以及實訓內容的相關資源的統一化管理）提供不同的系統管理服務。

整個系統設計根據具體工程項目的實施流程結合教學需求，從設備介紹、網絡規劃、硬件選配、硬件安裝、數據配置、網絡調測、操作維護和概預算這八大模塊進行規劃設計。這八個模塊也對應現實中通行行業相關崗位，如網規網優工程師、硬件安裝工程師、軟件調測工程師、運維工程師、概預算工程師等職位，為學生成功就業打下堅實基礎。

4G虛擬仿真實訓平臺教師端 利用教師端，教師可以通過后臺同步當前教務的基本信息，包括班級、學生、教師的相關基礎信息，達到教務基礎信息的無縫對接；可以管理4G網絡各模塊實訓資源的相關信息，在個性化定制實訓任務的時候可以根據實訓資源庫去分發實訓，包括實訓的指導書、實訓對應的模塊資源；可以根據任務需要，定制化分發學生需要配置的4G網絡模塊（包括基站、PTN、核心網），最終可對任務進行評分，任務可支持單人、分組進行，具體配置在任務分配時選擇。

教師端支持對4G全網任務分成多個小組，每個小組負責不同的仿真模塊的任務，進行對應模塊的設備數據配置和場景下的拓撲連線，最終根據任務搭配，選擇對應的任務數據源做4G全網的業務驗證，根據驗證結果對該任務作結果評判。

教師端支持以下三大模式化管理：

1）軟件支持在線團隊合作模式，共同完成各種各樣以及定制化的實訓任務，包括組建網絡、規劃網絡、部署網絡、配置網絡及調試網絡等單元；

2）支持對任務生命周期化的管理，支持對實訓任務設置生命周期，周期開始之前，用戶可按需更改周期，以確保實訓正常準時完成；

3）支持實訓實時監控管理，可監控當前在線的學生的基本信息（包括學號、姓名、終端IP以及登錄時間），提供對在線學生下發文件的操作。

4G虛擬仿真實訓平臺學生端 4G虛擬仿真實訓平臺學生端，學生可根據任務描述進行網絡拓撲規劃。通過網元部署及連線完成核心網及承載網網絡規劃拓撲設計，并且能夠結合拓撲完成IP規劃、對接參數等相關規劃，方便指導網絡部署階段的設備配置及數據配置。

1）單站規劃。LTE基站單站規劃配置，規劃好之后可進行基站的配置，即對硬件安裝的設備和MML進行配置，以實現整個LTE基站的運行效果。

2）覆蓋規劃。覆蓋規劃中可以針對不同場景進行選擇，規劃不同場景下無線基站站點的位置，進而選擇配置扇區，使之滿足不同場景的限制，及進行基本的下傾角等基礎信息的配置等。

市區網絡規劃是根據市區人員密集、建筑密集的特點來進行無線基站的布站；道路網絡規劃是根據道路人員稀少、建筑稀少的特點來規劃覆蓋場景，沿著道路進行無線基站的布站；農郊規劃則是根據農郊人員稀少、建筑稀少的特點來規劃覆蓋場景；近海、山區的規劃是根據近海、山區人員稀少、建筑稀少、山地眾多的特點來進行無線基站的布站；室內網絡規劃是根據室內阻擋物多、信號易反射的特點進行無線基站的布站。各種覆蓋場景下均可進行基站基礎參數的設定。

3）組網規劃。學生還可進行組網規劃，組網規劃包含基站組網、傳輸網絡組網、IP網絡組網、核心網組網、網管組網和綜合組網。

基站組網是選擇基站之間的組網方式，選用普通的鏈式連接或星型鏈接等組網方式；傳輸網絡組網是傳輸網絡之間的組網方式，包括PTN、光傳輸等組網方式；核心網組網是核心網之間的組網方式，包括集群網組網；網管組網是網管的組網方式，包括網管級聯方式等；綜合組網是將綜合網絡進行組網的組網方式。

4）硬件選配。硬件選配部分包括對基站、終端、PTN、

核心網及線材的選型。基站選型是針對基站的主要部件根據組網規劃中選擇的場景進行基站的BBU選型、天線選型、RRU選型及所需線材的選型，被選中的設備及材料會進入選型池中，為后續硬件安裝做好準備；終端選型包含TDD和FDD兩種，為后續的網絡調測做好終端調測的準備；PTN的選型包括PTN型號的選擇，可供備選的主要包括PTN950、PTN960和PTN1900等型號；核心網選型包括兩種核心網的選型，即ATCA機架式服務器的選型和服務器版本的核心網設備的選型。

5）全網調測。網絡調測是對學生在實訓過程中設置的配置及參數進行檢驗，也就是驗證前期的數據配置和選型是否正確的一個過程。網絡調測部分可進行Ping調測、SIM卡調測、UE入網調測、Service流程調測、VOLTE流程調測、關機流程調測。在此部分可以驗證兩個相鄰設備之間的網絡連接是否正常，形成整個網絡的拓撲圖；也可以對SIM卡數據配置的燒卡信息進行驗證，以及對鑒權數據配置一致性進行驗證，在驗證的主界面會顯示該SIM卡燒卡信息；還可以對學生設定的終端數據配置進行驗證，以及對信令建立過程中重要參數進行驗證和對Service業務流程信令的重要參數進行驗證。

整個4G全網虛擬仿真實訓系統包括仿真基站、仿真PTN、模擬核心網，這三個實訓可以單獨驗證，也可以整合一體驗證。

4 結語

虛擬仿真實訓教學是高等教育信息化建設和實訓教學示范中心建設的重要內容，以共享優質實訓教學資源為核心，以建設信息化實訓教學資源為重點，是學科專業與信息技術深度融合的產物。4G全網虛擬仿真實訓平臺對通信專業學科教學中學生實踐能力的培養發揮著重要作用。

參考文獻

[1]李欣.虛擬現實及其教育應用[M].北京：科學出版社，2008.

[2]徐輝，馬秀峰.虛擬現實教育應用探析[J].山西師范大學學報：自然科學版，2010（S1）：95-97.