移動通信虛擬仿真實驗教學中心的建設與管理

鄭 云， 吳 怡

(福建師范大學光電與信息工程學院，福州350117)

0 引言

隨著現代移動通信技術飛速發展，無線傳感器網絡(WSN)、物聯網(IoT)、軟件定義無線電(SDR)、軟件定義網絡(SDCN)等新技術不斷涌現，太赫茲、毫米波通信、可見光通信和量子通信等成為未來通信學科的發展方向，因此面向通信類專業實踐教學平臺建設刻不容緩。通信實踐教學作為高等學校專業人才培養的重要部分，是促進實踐教學進一步信息化、網絡化的手段之一，是培養本專業學生快速掌握進入社會工作技能的基本要求，是通信類專業教學過程中以實驗論證理論并豐富創新理論的重要環節，是激發學生探索欲望，培養學生科學思維、創新精神和實踐能力的必要途徑。隨著我國高校實驗教學示范中心建設工作的不斷深入，虛擬仿真實驗中心的建設逐漸引起高校實驗教學研究者的重視。

1 移動通信虛擬仿真實驗教學中心建設

移動通信領域是當今信息產業中的重點及熱點研究與應用領域，通信技術的發展日新月異，僅20多年時間，移動通信系統從第1代發展到第4代移動通信，未來2年第5代移動通信系統也將開始商用。如何讓高校培養的學生能夠緊跟通信技術的前沿，迅速掌握技術要點，畢業后盡快達到工作崗位要求，一直是高校在人才培養的一個難題。因此開展移動通信虛擬仿真實驗教學，具有以下建設必要性。

(1)信息通信系統對學生可及、可控和開放。信息通信系統內部信號的傳送是抽象，看不見、摸不著、封閉、瞬時，隨機的。隨著虛擬仿真實驗的技術發展，信息通信類專業實驗平臺的建設，將信號和流程開放出來，變得直觀、可及、可控。真實的信息通信運營網絡至少都是數千億元以上的投入，我校的大型設備只有單套，與大規模學生實驗教學的需求存在矛盾。借助虛擬仿真實驗教學模式，既解決了場地和時間問題，提高設備利用率，又可以同時支持更大的并發量，最終真正支撐學生實驗學習的需求。

(2)改變學生學習模式，全天候學習。利用虛擬仿真實驗平臺［1-5］，可以使學生從排隊進入實驗室做實驗的模式，轉換到利用互聯網全天候自主開展實驗的模式。傳統實驗平臺限制了實驗資源的使用，學生只能在規定的時間內開展實驗，很多綜合性拓展性的實驗項目缺少足夠的時間開展設計，一般只能整個教學班“齊步走”，難以滿足學生自主學習和個性化培養的要求。而借助虛擬仿真實驗平臺，可實現學生自主選擇學習進度、學習時間和學習內容，還可重復學習，靈活度高，實現高效率學習。

(3)緩解通信系統大型實體設備更新壓力。信息通信技術更新速度很快，實體設備的更新費用和升級周期不可避免地存在很大壓力，虛擬仿真實驗方式在更新和擴展升級方面的建設成本、實現難度、更新周期、實現手段，以及新信息通信技術的快速引入等諸多方面都具有顯著的優勢。

(4)滿足現代遠程教育實驗課程教學需要。通過采用虛擬仿真實驗的模式，開設獨立的虛擬實驗網絡課程或虛擬實驗操作環節［6-9］，解決了現代遠程教育試點中始終困擾各高校的實驗教學難題。虛擬實驗使遠程的學生不必集中到真實的實驗室進行實物實驗，通過網絡在虛擬仿真平臺上就可以進行實驗操作練習。虛擬實驗教學新模式提升了實驗教學的重要性，使遠程教育尤其是工科教學真正擁有了實驗教學環節，有力地提高了學生的實驗操作能力。

(5)應用于實習實踐。由于信息通信技術迅猛發展以及信息行業的特殊性，行業接收學生實習實訓的動力發生了根本性變化，校外實習多是參觀性的，絕大多數企業從自身利益出發，通過實習實訓來發現可招聘的畢業生，但是，多數學生畢業去向往往是難以提前確定，導致企業對接受學生實習實訓不積極，加上實習實訓客觀存在時間不長、接納能力、崗位差異、學生考研留學、交通、住宿和安全等多種因素制約，校外實習實訓效果在整體上并不盡如人意。將部分實習實訓學生放在實驗中心，反而更可能達到實踐效果，在技術和工程能力培養上，可動手條件更好(企業現場大型系統幾乎不可能讓學生隨意動手訓練操作)，深入的技術性實踐和創新性訓練在實驗中心更容易實現。

2 移動通信虛擬仿真實驗教學中心特色

虛擬仿真實驗教學中心應充分體現虛實結合、互相補充、能實不虛的原則，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能［10-16］。虛擬仿真實驗教學中心重點開展資源、平臺、隊伍和制度等方面的建設，形成持續服務實驗教學，保證優質實驗教學資源開放共享。

2.1 可及、可控、環保、開放共享的虛擬仿真實驗平臺

信息通信系統本身具有封閉性、瞬時性、隨機性、不可及、抽象等特點，實物通信設備構成的實驗系統也不能直觀反映通信設備內部的工作過程。借助虛擬仿真實驗，展示通信內部工作過程和原理，使學習內容看得見、摸得著，達到可及、可控的學習效果。同時，虛擬仿真實驗避免了通信系統中無線射頻信號的實際發送，避免了基站等設備帶來的輻射問題，可形成綠色環保的實驗環境。此外，借助虛擬仿真實驗系統與實物相關聯和映射，運用虛擬化技術、現場輔助和音視頻輔助等多種手段，將先進的LTE通信系統實驗平臺開放和遠程共享，既提高了這些資源的社會效益，適當有償使用也降低了其他院校相應的實驗教學成本。

2.2 覆蓋通信全過程的虛擬仿真實驗

經過數年的建設，移動通信虛擬仿真實驗教學中心已經具備從通信基礎到通信原理及最新通信技術應用并覆蓋通信全過程的虛擬仿真實驗平臺。虛擬仿真實驗中心在建設中，重點考慮了全程化覆蓋:從底層的信號處理到通信原理，從網絡的接入到傳輸，從業務接口到信令接口，從通信設備安裝、配置、調試、測試、優化的全程虛擬仿真實驗。從而實現了移動通信網絡的虛擬仿真全程覆蓋，虛實結合，繼續保持了實驗中心在國內高校的移動通信系統的特色優勢。

2.3 特色鮮明的行業結合機制

學校以融入信息通信產業、指導人才培養和協同創新為目標，緊緊依托電子信息產業，聯合中國電信、中興、大唐移動、福建星網銳捷、福建郵科等省內外信息通信龍頭企業以及政府機構、科研院所、學術行業組織、地方及產業園區等涵蓋信息通信產業鏈的單位組建了行業特色鮮明的產業協作聯合，不斷地為實驗中心持續發展輸入優良的外部資源。

2.4 提供了全方位的網上實驗教學過程管理

開放式網上實驗教學平臺實現了各類實驗的統籌安排，包括:實驗安排與選課、實驗前的相關知識輔助學習與測試、實驗平臺跳轉、實驗過程的智能答疑與指導、虛擬實驗結果自動批改、實驗報告在線填寫與管理、實驗教學效果評估與分析等。系統采集學生在實驗過程中的各類行為數據，為實驗者提供個性化、針對性更強的知識學習指導和評估報告，并通過數據分析更豐富、詳實、客觀地展示學生在實驗教學各環節的參與情況，從而為科學地開展實驗教學評估及教學改革提供了數據支持，并大大減輕實驗管理員負擔。

3 移動通信虛擬仿真實驗中心架構

移動通信虛擬仿真實驗中心主要包括兩大平臺:實驗運行管理平臺和移動通信虛擬仿真實驗平臺。

(1)實驗運行管理平臺。實驗運行管理平臺主要包括:實驗教務、實驗教學、實驗前理論知識學習、實驗過程智能指導、實驗結果自動批改、虛擬實驗仿真教學資源管理、師生互動交流、實驗教學效果評估等部分。

(2)移動通信虛擬仿真實驗平臺。該實驗平臺涉及通信學科的多門課程、多個通信知識模塊。目前正在逐步建設移動通信系統虛擬仿真平臺，其包含移動通信系統從通信設備安裝調試、通信系統設備配置及基站開通、至通信系統網絡優化等各個環節，通過該仿真平臺的訓練，可以讓學生很好地掌握移動通信系統從設備安裝、配置、基站開通、優化、測試等全過程。后續將在此虛擬仿真實驗平臺的基礎上，配合“通信原理”“數字通信原理”“通信電子線路”等相關課程，建立通信系統原理虛擬仿真平臺以及通信原理基礎虛擬仿真平臺等，從通信的基礎課程到原理課程至實踐性操作性課程，貫穿整個移動通信系統的基礎、原理、應用全過程，可極好地訓練學生的實踐動手能力。

4 LTE移動通信虛擬仿真系統平臺

LTE通信設備昂貴且復雜，電信級商業設備一般不支持學員的多用戶操作，而且設備的使用成本和維護成本都較高。LTE虛擬仿真實驗系統，通過虛擬仿真的純軟件方式，解決了該問題，使得學生能夠更好掌握通信基本原理，熟悉LTE設備的工作原理，增強學生對LTE傳輸設備的數據配置和通信操作，解決實際LTE設備不支持教學班規模的多用戶同時操作和實踐帶來的教學問題。

(1)系統實驗體系。系統通過軟件仿真，實現了對LTE移動通信系統的關鍵網元設備的仿真，以及業務環境模擬。學生可通過本系統，創建虛擬的網元設備，并進行必要的配置，實現對設備開通、業務驗證、設備排障等過程學習，更直觀地學習到LTE設備的工作原理和相關應用知識。流程結構如圖1所示。

圖1 LTE虛擬仿真實驗體系

(2)實驗目標。實驗主要通過LTE移動通信虛擬仿真實驗系統，搭建LTE網絡，進行基本的網元連接，數據配置以及設備開通，可在不同的覆蓋和應用場景下，進行4G業務的驗證，使學生掌握LTE的網絡結構、主要網元、重要接口功能，建立移動4G系統概念，提升工程應用能力。通過本實驗，學生可掌握LTE的網絡拓撲結構，e-NodeB的數據配置和LTE設備開通的關鍵過程，并學會分析和排查LTE網絡故障。

此實驗所支撐的課程有“移動通信綜合實訓”“專業綜合實訓”以及“畢業實習”等。

(3)實驗內容。此實驗一共有12個實驗項目，具體如表1所示。

實驗項目1-5作為實驗基礎，介紹了整個系統設計的網元和關鍵部件，學員通過實驗掌握其特性、功能以及操作方式;

實驗6-9分步驟進行基站開通的數據準備。先進行網元規劃，數據配置;

實驗10執行小區激活，并通過啟動流程圖觀察和分析基站啟動過程;

小區激活后，通常意味著基站成功開通，可以對外提供服務，通過實驗11-12進行必要的業務驗證，以及告警分析，得出最終的實驗結論。

(4)仿真實驗與效果。如圖2所示，連接傳輸設備、室內基帶處理單元BBU、射頻拉遠單元RRU以及GPS天線等設備，建造一個LTE基站的雛形。通過LTE移動通信虛擬仿真實驗系統，搭建 LTE網絡，進行基本的網元連接，數據配置以及設備開通，在虛擬仿真實驗過程中，讓學生體驗LTE基站開通的基本流程，從實驗中對LTE基本原理以及設備類型等有大致的了解，對以后的專業領域進一步學習打下堅實基礎，更有益于將來從事專業領域工作。

表1 實驗項目列表

圖2 設備連接

如圖3所示，對室內基帶主設備BBU進行板卡設置，根據實際設備中的型號進行相應的仿真板卡選擇。如實際板卡配置為BPOG，則在仿真的時候就不能選擇BPOH。此外，板卡放置的位置實際設備與仿真過程中也應一致。

如圖4所示，在進行板卡配置結束后，需要進行網元布配，設置每個小區的連接方式和接口號。當一切準備完畢后，開始連接基站，進行復位操作，通過解決過程中出現的故障，保證基站的順利開通。后期需繼續進行系統更新和檢查等。

圖3 板卡配置

圖4 網元布配

5 移動通信管理模式與后續設想

中心依靠校園網絡及教學信息化平臺、信息化設備和有效的管理體系等，有序地開展實驗研究。

5.1 校園網絡及教學信息化平臺管理

中心自主開發的虛擬實驗平臺主要包括虛擬實驗中心門戶網站、實驗前的理論學習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的智能指導、實驗結果的自動批改、實驗成績統計查詢、數字化資源管理、師生互動交流和系統管理等子系統。平臺用戶角色包括學生、教師、教務員、實驗室管理員、校領導、系統管理員等角色。

此外，平臺將自動收集實驗前輔助學習、實驗過程指導、答疑、實驗成績的相關數據;通過調查問卷收集學生對實驗系統、實驗設計、學習效果等方面的評價與反饋信息，進行統計與分析，用圖表直觀展示分析結果，以便于進一步改善虛擬實驗平臺的功能，提高虛擬實驗的教學質量。

5.2 加強信息化設備設施

中心擁有支撐虛擬現實領域高水平研究的實驗設備和軟件系統，包括高性能計算機，多通道立體投影顯示系統，沉浸式三維立體虛擬仿真實驗室系統，萬兆網絡系統，各種虛擬現實人機交互設備，數據采集與建模設施、有線和無線自組織網絡。

5.3 完善管理體系

校、學院和中心實行3級管理制，實驗示范中心實行中心主任負責制，設光、機和電、通信實驗室專管人員;學院依據學科專業建設規劃、人才培養方案、實踐教學大綱等要求，具體實施基地的建設與管理工作。

建立完整的課程教學、管理檔案和各項管理制度包括:“中心工作人員崗位責任規范”“固定資產的管理辦法”“儀器設備出借和丟失賠償管理辦法”“元器件領用管理辦法”“學生實驗守則”“實驗室安全規則”“開放實驗項目管理制度”“大型貴重儀器設備管理辦法”等儀器設備管理制度。

面向全院所有本科專業和院外校內的部分理工科專業;實驗室對學生開放的實驗項目，對學生課外活動提供設備和場所支持。建立和完善儀器設備維修室，設立專職維修技術人員，學校每年下撥專項經費作為實驗材料費和維修費。

5.4 改進優化

雖然很多教學資源在中心已經做到全網覆蓋共享，但還將進一步提高技術和服務水平，做到更好的資源共享。

(1)優化平臺?，F有教學平臺功能已經非常強大，但隨著科學技術的不斷發展難免會有和技術發展相不匹配的地方，在使用的過程中，將不斷根據需求優化平臺使之更好為教師、學生及社會服務。

(2)豐富資源。中心雖然已有較豐富的虛擬仿真實驗教學資源，但知識是無限的。我們應本著服務行業、服務教育事業的態度，將更多的實驗和教學內容虛擬化，豐富相關的虛擬仿真實驗資源。

(3)共享技術。不同的專業往往知識是不同的，但將實驗進行虛擬化的方向和方法是相同的。中心應發揮技術優勢，幫助校內外兄弟單位乃至全社會有虛擬化需求的行業和領域，產學研相結合為服務社會發揮應有的貢獻。

6 結語

移動通信虛擬仿真實驗教學中心的建設彌補了實驗實踐教學的缺陷，使各類實驗得以統籌安排，有效地促進了實驗教學的信息化、共享化和現代化。作為理論教學的補充手段之一，可幫助學生加深理論知識，培養其科學思維、創新精神和實踐能力，有利于提升相關專業的實驗教學質量。移動通信虛擬仿真實驗教學中心正在不斷壯大，2018年移動通信TD-LTE基站建設虛擬仿真實驗項目［17］已獲批成為首批國家級虛擬仿真實驗教學項目。為更好地服務于學生，為國家和社會培養更多專業技術型人才，目前中心還需不斷優化已有的虛擬仿真實驗項目，豐富中心的虛擬實驗教學資源，持續完善整個中心平臺的建設。