虛擬仿真實驗在“移動通信”課程組網(wǎng)技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

衛(wèi)萌菡 魏明露 左億

摘 ? 要：在“移動通信”課程的教學(xué)過程中，因為實驗硬件條件受限，所以面向?qū)W生開設(shè)組網(wǎng)實驗非常困難。文章根據(jù)實驗室現(xiàn)有的通信設(shè)備，結(jié)合虛擬仿真實驗平臺進行組網(wǎng)教學(xué)設(shè)計，并以LTE單站組網(wǎng)實驗為例進行了分析。結(jié)果表明：該教學(xué)方法將理論和實踐有機結(jié)合，使學(xué)生不僅理解了抽象的概念和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且熟悉了通信設(shè)備的配置方法。能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，鍛煉動手能力，從而極大地提高了實驗課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué);虛擬仿真;移動通信組網(wǎng)

近年來，移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)蓬勃發(fā)展，急需大量的通信人才。如何讓學(xué)生在掌握移動通信基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，緊跟通信技術(shù)的發(fā)展步伐，熟悉實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其使用方法，能夠更好地理論聯(lián)系實際，是亟待解決的難題。四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院面向通信工程和電子信息工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)了“移動通信”課程，其中，移動網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)是該課程的重要內(nèi)容之一。由于“移動通信”的基本理論抽象，組網(wǎng)設(shè)計較為復(fù)雜，單靠教師課堂講授來指導(dǎo)學(xué)生，效果不直觀。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)大多采用實驗箱的方式進行[1]，學(xué)生通過實驗?zāi)軌蚴煜ふ{(diào)制解調(diào)等技術(shù)，卻很難建立網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的概念。因此，四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院購置商用設(shè)備，面向?qū)W生開設(shè)組網(wǎng)實驗，并逐步開設(shè)虛擬組網(wǎng)的內(nèi)容，采用虛實結(jié)合的方法培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力和設(shè)計分析能力。

1 ? ?移動通信實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的移動通信實驗采用實驗箱進行教學(xué)，優(yōu)點是設(shè)備價格較低，學(xué)生通過觀察波形可以較好地理解移動通信原理和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]，缺點是缺乏對通信實體的認識。采用實物組網(wǎng)克服了傳統(tǒng)移動通信實驗過程中采用實驗箱導(dǎo)致學(xué)生無法建立通信網(wǎng)絡(luò)整體觀的缺陷。然而，實物組網(wǎng)需要涉及大量設(shè)備，通信設(shè)備價格高昂，盡管實驗室購置了華為LTE基站、核心網(wǎng)以及其他交換傳輸?shù)仍O(shè)備，但是因為是商用設(shè)備，數(shù)量無法滿足同時多人次的組網(wǎng)實驗，學(xué)生只能排隊等待，逐一上傳數(shù)據(jù)，進行設(shè)備配置。因為連線復(fù)雜，完成從硬件架設(shè)和連接，配置設(shè)備數(shù)據(jù)，進而完成組網(wǎng)的實驗流程較長[3-4]。

采用仿真軟件，學(xué)生在前期掌握了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及各部分設(shè)備的基礎(chǔ)知識之后，可以較快地進行組網(wǎng)和設(shè)備配置練習(xí)，加深了對通信網(wǎng)絡(luò)的認識。采用仿真軟件進行虛擬組網(wǎng)，不會受到設(shè)備高昂的約束，學(xué)生可以選用各種通信設(shè)備進行自由組網(wǎng)練習(xí)[5-7]。通過在“移動通信”課程中開展網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真教學(xué)，仿真實驗與實際操作虛實結(jié)合、相互補充、優(yōu)化配置，全面提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、解決復(fù)雜問題的能力和協(xié)同合作能力。

2 ? ?虛擬組網(wǎng)實驗平臺介紹

目前采用的實驗平臺是由深圳訊方技術(shù)股份有限公司開發(fā)的軟件系統(tǒng)，采用客戶端/服務(wù)端模式（Client/Server，C/S）架構(gòu)，架構(gòu)如圖1所示。所有客戶端（學(xué)生端）必須登錄服務(wù)端（教師端）才能進入系統(tǒng)，且在服務(wù)端控制學(xué)生終端連接數(shù)量。實驗流程大致如下：（1）進行設(shè)備組網(wǎng)搭建仿真環(huán)境。（2）進行使用人機對話語言（Man-Machine Language，MML）語言仿真業(yè)務(wù)配置。（3）故障告警和仿真驗證，具體實驗流程如圖2所示。

仿真軟件系統(tǒng)模擬了真實設(shè)備的結(jié)構(gòu)，在進行設(shè)備組網(wǎng)時，學(xué)生面對真實的操作維護臺、設(shè)備和建站環(huán)境。MML業(yè)務(wù)配置界面完全模擬真實業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)配置場景，且配置內(nèi)容和真實配置內(nèi)容保持一致，學(xué)生可以很方便地查看和處理告警，保證業(yè)務(wù)互通。

3 ? ?LTE單站組網(wǎng)實驗教學(xué)實例分析

長期演進（Long-Term Evolution，LTE）系統(tǒng)以O(shè)FDMA多址接入和多天線為主要技術(shù)基礎(chǔ)，提供更低時延、更高用戶傳輸速率、增加容量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。整個LTE網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成，核心網(wǎng)由許多邏輯節(jié)點組成，包括分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（PDN GateWay，PGW）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving GateWay，SGW）、移動管理實體（Mobile Management，MME）等。在無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)層面，為了降低用戶面延遲，LTE取消了無線網(wǎng)絡(luò)控制器（Radio Network Controller，RNC）只含有eNodeB。

該次實驗的授課對象是四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院2015級電子信息工程專業(yè)的學(xué)生，通過前期的學(xué)習(xí)，學(xué)生對通信原理、移動通信原理與系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)知識有了一定的了解。

3.1 ?實物講解

實驗的第一步，老師會根據(jù)實驗室現(xiàn)有的華為XCN9000L核心網(wǎng)以及DBS3900eNodeB基站進行實物講解，熟悉通信實體的組成和連接方式。教師對設(shè)備的機柜、機框、單板等部分進行實物介紹，并伴隨多媒體的直觀演示對它們在網(wǎng)絡(luò)中的位置以及其硬件邏輯結(jié)構(gòu)進行簡單分析。例如，學(xué)生可以通過現(xiàn)場觀察實物獲知eNodeB的基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU）的主要單板主控傳輸板（Universal Main Processing &Transmission unit，UMPT）、基帶處理板（LTE BaseBand Processing unit，LBBP）的外觀、功能、規(guī)格以及接口信息。講解過程中，教師和學(xué)生之間可以良好地互動，老師引導(dǎo)學(xué)生將抽象邏輯圖中顯示的各個部件位置和其在實物中的位置進行一一對照，并通過提問的方式了解學(xué)生的掌握情況，進行補救教學(xué)，確保絕大部分學(xué)生理解設(shè)備的構(gòu)成、連接方式以及配置方法。實際網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接和設(shè)備如圖3所示。

3.2 ?虛擬組網(wǎng)練習(xí)

學(xué)生在熟悉實驗室通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能和配置方法基礎(chǔ)上，使用虛擬仿真軟件進行組網(wǎng)練習(xí)，這里的實例為單站模式下網(wǎng)絡(luò)的連接配置。通過此次實驗，讓學(xué)生熟悉通信網(wǎng)組網(wǎng)方法，硬件邏輯結(jié)構(gòu)、物理板位和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。組網(wǎng)過程如下。

3.2.1 ?參數(shù)設(shè)置

進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和基站概預(yù)算。需要根據(jù)不同的通信環(huán)境和場景，設(shè)置名稱、IP、掩碼以及S1端口號等數(shù)據(jù)，完成正式組網(wǎng)前的設(shè)計分析。

3.2.2 ?設(shè)備組網(wǎng)

學(xué)生啟動軟件，進入單站配置場景，并根據(jù)組網(wǎng)要求進行硬件配置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。進行設(shè)備組網(wǎng)的具體流程如下：首先，學(xué)生直接從庫里拖選需要的設(shè)備圖標到配置場景中;其次，選中該模塊進行相關(guān)屬性設(shè)置;再次，將設(shè)備連接組網(wǎng);最后，完成設(shè)備組網(wǎng)，界面如圖4所示。

3.2.3 ?數(shù)據(jù)配置

在軟件系統(tǒng)中切換到MML界面進行數(shù)據(jù)配置，配置的方法和過程與進行實物組網(wǎng)時完全一致，包括修改基站參數(shù)、添加運營商、運營商跟蹤區(qū)域信息、按照基站場景中配置進行相應(yīng)單板配置、增加RRUCHAIN鏈環(huán)、修改RRUCHAIN環(huán)鏈、增加RRU、增加ETHport、設(shè)置ETHPORT端口屬性、增加DEVIP、增加IPRT、增加VLANMAP、增加S1SIGIP、增加MME、增加S1SERVIP、增加SGW、增加OMCH網(wǎng)管通道、增加扇區(qū)、創(chuàng)建小區(qū)營運商信息、激活小區(qū)、修改PDSCH配置、增加GPS等23項功能。數(shù)據(jù)配置界面如圖5所示，學(xué)生操作情況如圖6所示。

3.3 ?教學(xué)總結(jié)

本實驗將實驗設(shè)備和虛擬仿真平臺相結(jié)合，面向大三學(xué)生開設(shè)LTE虛擬組網(wǎng)實驗，教學(xué)過程包括結(jié)合實物對照講解、多媒體演示以及采用LTE虛擬組網(wǎng)仿真軟件進行組網(wǎng)練習(xí)。

在學(xué)生的技能操作過程中，教師對學(xué)生進行巡回指導(dǎo)，解答學(xué)生的問題，規(guī)范學(xué)生的操作，鼓勵學(xué)生在實驗過程中查閱書本資料并上網(wǎng)搜索相關(guān)文獻進行學(xué)習(xí)，同時，通過仿真軟件的幫助進行軟件學(xué)習(xí)。

整個實驗過程分為3個步驟：（1）課前預(yù)習(xí)相關(guān)理論完成預(yù)習(xí)報告。（2）實驗過程中認真聽講仔細實驗。（3）課后完善報告并進行總結(jié)。要求學(xué)生盡量獨立思考，培養(yǎng)其解決問題的能力。同時，在確實遇到困難的時候，引導(dǎo)學(xué)生進行小組合作學(xué)習(xí)討論，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作能力。

通過實驗報告和課后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍反映這樣的教學(xué)方式，將理論和實踐有機結(jié)合，便于他們?nèi)ダ斫獬橄蟮母拍詈蛷?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過實驗，學(xué)生熟悉了通信設(shè)備的配置方法，鍛煉了動手能力。

4 ? ?結(jié)語

本文探討了在移動通信組網(wǎng)教學(xué)過程中引入虛擬仿真軟件進行教學(xué)輔助的可行性和有效性，通過LTE網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)實驗實例展示可以看到，這一改進克服了通信設(shè)備價格昂貴，無法大規(guī)模開展實驗的困難。同時，通過開展組網(wǎng)實驗幫助學(xué)生理解理論知識，熟悉了實際通信網(wǎng)絡(luò)的連接方式和設(shè)備配置方法，鍛煉了工程實踐能力，提高了分析解決問題的能力，為日后從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

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