基于CDS的4G移動通信實驗教學系統構建

陳萬通 馮青 王續喬 吳志軍

摘要：移動通信是通信工程專業與行業緊密結合的一門專業必修課，但多數高校面臨“商用4G—學校2G”的尷尬局面。文章針對課程實驗教學與現行4G網絡結合較差的問題，基于LTE無線網絡測試軟件CDS和移動終端設計4G移動通信實驗課程。該方案易實施、投入小，有助于學生深刻掌握LTE系統信令流程，培養網絡數據采集與分析等工程能力，對高等院校實施工程教育以及4G實驗室建設具有重要參考價值。

關鍵詞：移動通信;實驗教學;網絡參數;移動終端

中圖分類號：TN929.5 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）14-0385-03

一、引言

移動通信是通信工程專業與行業結合十分緊密的一門必修課。近年來，以LTE、4G乃至5G為代表的移動通信技術高速發展，目前已經成為物聯網、云計算、大數據、人工智能、無人駕駛等前沿領域的重要支撐服務。移動通信技術在給社會帶來了巨大信息化變革的同時，也對高校通信工程專業的人才培養提出了更高要求[1]。

然而，在4G無線技術已經大規模商用，5G即將投入商用的市場環境下，學校的實驗課卻停留在2G、3G技術的觀察、驗證階段，造成“商用4G—學校2G”的尷尬局面[2]。一方面，這將造成所培養的畢業生無法迅速適應行業需求，在校期間所見所學與實際行業需求脫節，企業將額外耗資和耗時進行培訓，增加人力成本;另一方面，實驗室建設普遍依賴于實驗箱教學，存在不夠靈活、成本較高以及教學投入產出比低等問題[3]。

本文針對上述問題，探索基于LTE無線網絡測試軟件CDS和移動終端完成4G移動通信教學實驗系統的方案設計，旨在提升理論教學與現行4G網絡的緊密結合度，為實驗課程的改革和實驗室建設提供新思路。

二、移動通信實驗教學現狀與問題

1.實驗教學與現行4G網絡結合度較差。“移動通信”是高等院校通信工程專業的重要專業課程之一，課程的教學內容主要涉及無線通信的基本概念和原理、蜂窩組網技術、傳輸技術、控制和交換技術以及GSM、3/4G和LTE等典型的移動通信系統[4]。實驗環節大多基于實驗室購置的實驗箱進行，鑒于移動通信技術換代周期極短，大多數早期實驗箱仍停留在GSM和3G的層面，針對4G，現行網絡的升級和更新靈活度不高。另外，實驗箱式教學方法側重強調學生按部就班的操作和觀察，忽略了對4G網絡工作機理的深層揭示和通信步驟的細節展現，雖然學生通過指導書完成一系列操作最終實現了預期結果，但是并沒有將相關理論在實驗細節中得以展現。

2.實驗室建設的投入產出比不夠高。在移動通信實驗室建設中，購置成本較高，用于搭建仿真環境的核心網iEPC、系統網元、交換機、eNode B和移動終端市場售價均較高，且功能涵蓋有限，靈活性差，實驗內容主要針對通信過程、基本原理和系統原型進行演示與仿真，與實際現行網絡仍存在一定的差異性，導致移動實驗室建設的前期投入巨大，但實驗教學最終取得的效果并不理想，無法滿足目前移動通信相關企業對通信工程人才的需求。

三、基于CDS的4G實驗教學系統構建

1.LTE路測優化工具CDS簡介。CDS是一款創新型的無線網絡優化系列產品，專門為無線數據業務測試和優化而設計，是目前移動通信相關企業研發產品的重要工具軟件[5]。不僅跟隨網絡由2G→3G→LTE的不斷演進，具有傳統語音測試的所有功能，而且提供了多樣性的數據采集和分析手段。例如：可對TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、GSM、CDMA2000、EVDO、WCDMA等網絡下的各種語音及數據業務進行測試，可配套使用CDS后臺軟件對測試數據進行全面的分析統計，包括FTP、Ping、HTTP、WAP等數據業務測試、IP協議抓包等。

2.實驗教學環境搭建。構建基于CDS的4G實驗教學系統，除了安裝CDS軟件，還需要合理配置移動終端，開啟后臺端口，以實現用戶對底層信令的訪問。實驗室既可以采購華為E5375/E5776 LTE網優工程機或G5510測試手機作為直接可用的終端，也可以令學生對自己的手機進行開端口操作。前者需額外增加成本投入，后者不需要實驗室額外購置，但需要學生在實驗開始前完成準備工作。以中興ZTE Blade V8手機為例，簡述手機開端口的步驟：（1）在電腦上安裝手機驅動;在手機上，選擇設置—高級設置—連接PC—安裝驅動。（2）完成移動終端和電腦之間的鏈接操作，首先在手機上撥號*983*87274#，彈出界面后選擇rndis+diag+adb+modem，選擇安裝驅動;在手機設置—更多里面打開USB網絡共享。查看電腦設備管理器中“端口（COM和LPT）”一欄中是否有手機端口，如果沒有再重復上面步驟。（3）成功識別到端口后，在CDS上選擇設備—添加設備—UE-Qualcomm UE，然后選擇設備—添加設備—Navigator-NMEA GPS。（4）根據測試計劃完成CDS相關配置，數據業務可以基于LTE Demo視圖，語音業務可以基于VoLTE Demo視圖。

3.基于CDS軟件的實驗內容設計。CDS是一款用于移動通信LTE網絡路測優化的專業級軟件，功能強大，如圖1所示，在其主界面上，包含事件視圖（左上框）、信令視圖（左中框）、速率與信號強度折線圖（左下框）、系統信息及物理層視圖（中上框）、臨區信息與HARQ視圖（中框）、MCS視圖（下框）、DCI格式和CQI統計（右框）和PRB占用情況（左框）。基于CDS軟件的上述功能區，有利于學生熟悉移動通信終端產品的底層協議，掌握LTE系統信令流程，例如可以直接開展的典型實驗包括：（1）UE附著實驗，學生可以掌握用戶終端開機后附著小區建立信令承載的過程。（2）系統消息實驗，學生能夠掌握接收廣播到UE接入層和非接入層的公共信息的實現細節。（3）專用承載實驗，學生能夠掌握專用承載的建立、更新、釋放流程，以及上下行業務中各種信令和邏輯信道的使用。（4）小區切換實驗，學生能夠掌握切換發生的必要條件，熟悉各種切換類型的具體信令流程。此外，通過CDS軟件可以基于地圖模式了解基站和小區的分布情況和扇區的劃分情況，有利于學生完成實際LTE路測數據采集與統計分析以及網絡優化等更為高級的實驗。

4.實驗教學系統實施評價。上述實驗系統于2019年上半年在我校通信工程專業2016級本科生中實施，相比于往年的實驗教學情況，學生對于使用CDS軟件和手機互聯探索4G網絡參數和信令流程表現出濃厚的學習興趣;課堂上對GSM系統的邏輯信道和信令進行講授后，學生能夠通過上述實驗方案對LTE網絡和4G網絡的相關信令和流程自行掌握;學生對于行業認知加深，對網絡優化、路測手段以及現網設備的了解更為深入;對于移動通信實驗室的擴建，可以實現周期短、成本低、產出高的目標。

四、結語

本文基于CDS專業軟件和移動終端構建4G移動通信實驗教學系統，有助于學生深入理解現行4G網絡的系統信令流程、無線信號質量測量、網絡布局與優化等專業知識，解決學生在校所學與企業所需嚴重脫節的問題，同時，對于提高移動通信實驗室建設的投入產出比具有較高的參考價值。

參考文獻：

[1]胡蘇.移動通信專業課程教學設計與改革[J].教育教學論壇，2017，（16）：155-156.

[2]滕君華，金國華，何榮希，畢勝.讓LTE走進移動通信實驗課堂[J].實驗科學與技術，2016，14（3）：138-140.

[3]戴翠琴，冉海霞，鮑寧海.移動通信課程實驗教學改革與平臺建設[J].實驗技術與管理，2012，（2）：144-147.

[4]張寶華.面向崗位需求的《移動通信》教學內容和手段改革探討[J].教育教學論壇，2014，（2）：51-52.

[5]蘇晨.基于終端測試的LTE網絡設計驗證與優化分析[J].工程技術（文摘版），2016，（4）：245.

Abstract：Mobile communication is a compulsory course for communication engineering specialty，which is closely related to the industry.However，it faces the embarrassing situation of "commercial 4G-school 2G".In view of the poor combination of course experiment and current 4G network，this paper designs an experimental course of 4G mobile communication based on LTE wireless network test software CDS and actual mobile terminal.The scheme is easy to implement and has little investment.It is helpful for students to master deeply the signaling process of LTE system and to cultivate the engineering ability of network data acquisition and analysis.It is valuable for engineering education and the construction of 4G laboratories in colleges.

Key words：mobile communication;experimental teaching;network parameter;mobile terminal