TD-LTE基站安裝虛擬仿真實驗設計與管理

鄭 云, 吳 怡

(福建師范大學 光電與信息工程學院, 福建 福州 350117)

在線網絡學習是一種非常重要的學習方式[1],其應用之一即為虛擬仿真實驗。虛擬仿真實驗是基于虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術構建的開放式網絡化實驗教學手段,實現了教學實驗室的實驗設備和實驗項目的數字化和虛擬化[2-4]。從2013年教育部啟動虛擬仿真實驗教學中心的建設工作到2016年4月,全國已建設完成300個國家級虛擬仿真實驗教學中心。

相比于傳統的實驗教學,虛擬仿真實驗不受場地、器件等因素的影響,安全、經濟、直觀、形象,學生實驗時亦有臨場感和沉浸感[5-8]。在實驗內容的設計上,虛擬仿真實驗更加靈活、易更新、易擴展,與慕課、微課、移動學習等在線學習方式的有效結合,可開展混合實驗教學[9-12]。

在傳統的移動通信實驗教學中,實驗設備價格昂貴,實驗中設備及網絡工作過程抽象、封閉、不可及,并且實驗設備很難支持多人同時實驗,而學生也不可能去安裝、調試、維護運營商正在運行的網絡。為了促進實驗教學的信息化和網絡化,實施以學生為主體的教學模式,為學生的個性化學習提供條件,福建省移動通信系統虛擬仿真實驗教學中心與大唐移動通信設備有限公司、中國電信福建分公司以及中郵科通信技術股份有限公司等企業密切合作,發揮通信與網絡工程系專業教師的科研優勢,開發了具有鮮明行業特色的移動通信TD-LTE系統虛擬仿真實驗教學課程。

1 TD-LTE系統虛擬仿真實驗的內容

移動通信TD-LTE系統虛擬仿真實驗教學課程包含一系列虛擬仿真實驗教學項目,主要有移動通信TD-LTE系統的規劃設計、基站建設、基站開通、系統路測和系統優化,通過在線虛擬仿真實驗教學,使學生掌握移動通信系統從規劃、建設到優化的全過程。

移動通信TD-LTE虛擬仿真系統實驗課程主要面向通信工程、信息工程、電子信息工程、網絡工程等專業的大三或大四學生,其中移動通信TD-LTE基站建設虛擬仿真實驗教學時長為3學時,實驗內容包括認識通信設備及器材、學習基站設備安裝規范和基站設備安裝操作。移動通信TD-LTE基站建設虛擬仿真實驗的目的是通過實驗項目的訓練,使學生了解移動通信TD-LTE的基站的建設過程,掌握企業級商用機房的布局,掌握基站設備的安裝方法、安裝步驟和安裝注意事項,為從事通信系統工程技術、系統維護、網絡管理等實際工作建立基礎,培養實際工作能力。

該實驗項目采用引導式、互動式、探究式以及虛實結合的教學方法。首先,學生在實驗室認識通信設備實物,學習通信設備基本工作原理；然后,通過虛擬仿真方式構造出一套逼真的移動現網商用級通信機房,引導學生學習掌握企業商用機房的建設要求、設備布局；最后,通過互動教學方式,采用虛擬設備的人機交互操作方法,對企業級通信設備及其安裝過程進行仿真,以虛擬技術再現設備安裝過程的重要環節。

設備安裝前可通過仿真實驗界面學習主要設備的安裝規范,然后開始交互式操作實驗。操作中采用探究式學習方法,讓學生在進行機房建設、設備安裝之前，根據建設規范選擇合適的設備、輔材、工具(選擇錯誤時會得到提示),然后一步步完成主設備安裝、室外設備安裝、天線安裝、GPS天線安裝、防雷箱安裝,以及設備之間的線纜走線。通過虛擬方法,讓學生體會到真實的安裝過程。

2 實驗項目設計

2.1 實驗項目的主要內容

移動通信TD-LTE基站安裝虛擬仿真實驗項目由課程實驗仿真平臺和虛擬實驗教學管理系統兩部分組成。仿真平臺采用虛擬仿真實驗中用到的器材和設備,提供與真實實驗相似的實驗環境；虛擬實驗教學管理系統提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能,包括實驗前的預習、實驗的開課管理、實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的指導、實驗結果的評價考核、實驗成績統計查詢等功能,為實驗教學環境提供服務。

該實驗項目的設計目標是利用虛擬仿真技術建設和安裝一個移動基站站點,涵蓋移動通信技術、工程的知識點,將知識點生動、準確地傳達給學生。學生能夠進行建設和安裝移動基站的操作。實驗項目內容的設計如圖1所示。

圖1 實驗項目設計

實驗準備:將移動基站站點建設的整個過程拆分和細化,并按照順序演示,搭配相應的文字說明,能夠將移動通信技術、工程的知識點和行業標準準確地傳達給學生。

實驗設計:教學內容中拆分的細節都可反復、自由操作和練習,如有錯誤會得到提示。

實踐考核:檢驗學生的學習成果,在無任何提示的情況下,在該系統內完成一個移動基站站點的建設和開通,有操作過程記錄和考點操作記錄,通過對記錄和考點操作的統計給出實驗成績。

2.2 實驗項目設計

(1) 設備及輔材認知。將實驗中涉及的設備、輔材、工具單獨建模,分別能夠進行360°全方位的展示,并搭配文字說明。所有模型在該模塊的主界面中平鋪顯示,平鋪顯示的效果應該是圖片加名稱,點擊某個圖片進入該對應模型的具體展示。

(2) 系統搭建教學演示。該模塊是演示一個通信機房從無到有的搭建過程。要求首先建立一個空置的機房內景和機房外景模型,在空置機房內景和外景中,依次將需要建立的設備和相關輔材模型逐個安置在機房內外指定的區域和位置,完成一個通信機房從無到有的搭建,搭建過程伴隨文字解說。

(3) 基站安裝教學演示。要求按照《移動通信機房建設和設備安裝規范》中關于BBU、RRU、天線、GPS天線、防雷箱的安裝步驟和規范,演示基站安裝到機柜內、基站安裝到室外以及安裝天線、安裝GPS天線、防雷箱走線等詳細步驟。演示的細節甚至包括螺釘、線纜的安裝和位置要求。完成一個通信基站從無到有的搭建,搭建過程伴隨有文字解說。

(4) 基站安裝實驗及考核。在虛擬安裝過程中,按照安裝規范選擇合適的設備、輔材及工具。安裝錯誤時出現提示,學生經過思考、理解,正確選擇后才能進行后續的安裝過程,完成后提交實驗結果以備考核。

3 實驗方法與實驗過程

本實驗項目分為3部分內容,分別為認識通信設備及器材、學習基站設備的安裝規范、基站設備的選擇與安裝操作。

實驗內容一:認識通信設備及器材。認識基站安裝所需要的主要設備和輔助器材。系統提供了40種器件模型,學生可以在器材庫中選擇器件,了解器件的外觀與特征。

實驗內容二:學習基站設備的安裝規范。在安裝實驗前,學生先學習基站設備的安裝規范。系統提供基站設備的安裝規范,顯示設備的安裝信息。系統提供的安裝規范包括:主設備BBU安裝規范、主設備RRU安裝規范、主設備天線安裝規范、主設備GPS安裝規范和主設備防雷箱安裝規范。

實驗內容三:基站設備的選擇與安裝操作。

(1) 主設備BBU的安裝。在機房內景中,根據提示選擇設備及器件并完成主設備BBU的安裝。根據系統的要求,通過以下操作步驟完成安裝:打開機柜門→裝入BBU設備→將電源板卡裝入BBU插槽→將NEFF采板卡裝入BBU插槽→將單通道光傳輸板卡裝入BBU插槽→將多通道光傳輸板卡裝入BBU插槽→將散熱板裝入BBU插槽→關閉機柜門。

(2) 主設備RRU的安裝。在機房外景中,根據提示選擇相應的設備和器件完成主設備RRU的安裝。該實驗通過4個操作步驟完成安裝:安裝RRU掛件→安裝多通道RRU設備→擰上RRU螺釘→安裝8通道天線。

(3) GPS天線的安裝。在機房外景中,根據提示選擇相應的設備及器件,通過7個操作步驟完成主設備GPS天線的安裝:安裝GPS掛件→安裝GPS天線→將銅軸電纜接到GPS上→用刀子將纜線剝開→裝上GPS接地套件→用膠布纏好接頭→在線纜的正確位置安裝防雷器。

(4) 主設備BBU與RRU的連接。在機房內景中,根據提示選擇相應的設備及器件,完成主設備BBU與RRU之間的通信連線。該實驗通過6個操作步驟完成安裝:在機房主設備上安裝光模塊→安裝RRU光纜→安裝板狀天線上跳線→安裝網線→連接主設備直流電源線。

(5) 天線的安裝。用饋線將天線與主設備RRU連接,接好RRU的連接線,通過8個操作步驟完成安裝:將7/8饋線安裝到天線的相應位置→用熱風槍吹熱縮管使其收縮→將7/8饋線安裝到RRU相應位置→用熱風槍吹熱縮管使其收縮→在RRU中安裝光模塊→接上光纜→接上板狀天線上跳線→安裝RRU接地線。

(6) 防雷箱的安裝。通過3個操作步驟完成防雷箱的安裝:安裝防雷箱直流電源纜線→安裝RRU電源線→安裝RRU接地電纜。

實驗操作中部分仿真效果圖如2和圖3所示。

圖2 天線的安裝

圖3 防雷箱的安裝

4 實驗教學項目設計架構

移動通信TD-LTE基站系統安裝虛擬仿真實驗的開放運行，依托于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺的支撐,保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該項目,并通過平臺提供的面向用戶的智能指導,幫助用戶實現自主實驗,提高實驗項目的開放服務能力。

開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺基于計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術,采用面向服務的軟件架構開發,集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動評價和教學管理于一體,具有良好自主性、交互性和可擴展性。

支撐項目運行的平臺及項目運行的架構共分為5層(見圖4),每一層都為其上層提供服務,直至完成具體模擬實驗教學環境的構建。

圖4 系統總體構架

(1) 數據層。移動通信TD-LTE基站系統安裝虛擬仿真實驗涉及多種類型虛擬實驗組件及數據,這里分別設置虛擬實驗的規則庫、基礎元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標準答案庫、實驗數據、用戶信息等,用來實現對數據的存放和管理。

(2) 支撐層。支撐層是虛擬仿真實驗教學與開放共享平臺的核心框架,是實驗項目正常開放運行的基礎,負責整個基礎系統的運行、維護和管理。支撐平臺包括安全管理、服務容器、數據管理、資源管理與監控、域管理、域間信息服務等子系統。

(3) 通用服務層。通用服務層即開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺軟件,提供虛擬實驗教學環境的一些通用支持組件,以便用戶能夠快速在虛擬實驗環境下完成虛擬仿真實驗。通用服務包括:實驗教務管理、實驗教學管理、理論知識學習、實驗資源管理、智能指導、實驗結果自動批改、實驗報告管理、教學效果評估、互動交流、項目開放與共享等,同時提供相應集成接口工具,以便該平臺能夠方便集成第三方的虛擬實驗軟件進入統一管理。

(4) 仿真層。仿真層主要針對該實驗項目進行器材建模、實驗場景構建、虛擬儀器開發、通用仿真器設計,為上層提供實驗結果數據的格式化輸出。

(5) 應用層。基于底層的服務,最終實現移動通信TD-LTE基站系統安裝虛擬仿真實驗教學與開放共享。應用層具有良好的擴展性,可根據教學需要,利用服務層提供的各種工具和仿真層提供的器材模型設計各種典型實驗,開展實驗教學應用。

5 TD-LTE基站建設虛擬仿真實驗管理

根據虛擬仿真實驗室的發展理念,遵循“虛實互補、能實不虛,以虛促實”的原則來建設移動通信TD-LTE基站系統。為了發揮在線虛擬仿真實驗的特殊性能,將采取如下管理措施:

(1) 教學方式管理。移動通信TD-LTE基站安裝虛擬仿真實驗采用虛實結合的方式。利用實驗室現有的設備了解設備的構造和工作原理,再通過虛擬的360°機房內景、基站外景,學習企業級的機房建設及基站設備的安裝過程。實驗教學中注重學生的反饋信息,提倡學生探究式學習和自主、合作完成實驗項目。線上答疑機制方便學生及時討論實驗內容。

(2) 開放運行管理。建立穩定、安全的開放運行模式,充分考慮不同學生接入實驗教學項目的需求,搭建具有開放性、擴展性、兼容性和前瞻性的虛擬仿真實驗教學項目運行平臺。將已開發的虛擬仿真實驗項目共享給國內其他高校使用,也可以提供給有需要的企業用于崗前培訓。可提供24小時在線實驗,支持多個學生同時在線并發訪問和請求。

(3) 評價體系管理。將此虛擬仿真實驗教學納入相關專業培養方案和教學課程,制定教學效果評價辦法并持續改進評價機制。鼓勵探索有利于虛擬仿真實驗教學項目開放共享的教學績效激勵機制,探索建立高校間相關實驗教學項目成績互認、學分轉換機制。

6 結語

本實驗項目彌補了移動通信課程教學無法開設基站設備安裝實驗的缺陷,通過3D建模的企業級機房實景,使學生生動而真實地學習到企業級機房的布局情況,加深對通信設備的認知與掌握。通過學習設備安裝規范以及進行模擬安裝實驗,學生易于掌握建設與開通移動基站站點的過程。經過虛擬實驗訓練的學生具備了更強的工程實踐能力,更能適應企業的工程技術、網絡管理、系統維護等工作崗位需求。此虛擬仿真實驗還需要增加移動通信系統規劃設計、路測、優化等內容,平臺也需持續更新,為國家和社會培養更多的專業技術型人才。