實(shí)況-虛擬-構(gòu)造聯(lián)合仿真的光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

戴精科， 趙 鵬， 楊文可， 郭文普

（火箭軍工程大學(xué)作戰(zhàn)保障學(xué)院，西安 710025）

0 引言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G 移動(dòng)通信和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的廣泛應(yīng)用，具有大容量、遠(yuǎn)距離傳輸優(yōu)勢(shì)的光纖通信技術(shù)在各類民用和軍用通信網(wǎng)中的作用越來(lái)越大，對(duì)人才培養(yǎng)和課程教學(xué)質(zhì)量提出了更高要求。光纖通信是一門理論與實(shí)踐結(jié)合十分緊密的專業(yè)課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生掌握主要原理和基本概念、培養(yǎng)儀器儀表和設(shè)備裝備操作技能、提升系統(tǒng)分析和運(yùn)用能力起到了不可替代的作用，因此各高校都非常重視光纖通信課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)［1-3］。

目前光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法大體可分為3 種基本類型：實(shí)驗(yàn)箱或儀器設(shè)備等基于硬件的實(shí)驗(yàn)、專用或通用軟件仿真實(shí)驗(yàn)以及軟硬件結(jié)合實(shí)驗(yàn)。許海峰等［1-2］利用光纖通信實(shí)驗(yàn)箱開展了光器件性能測(cè)試、光纖熔接和光信號(hào)傳輸?shù)葘?shí)驗(yàn)；李永倩等［3］利用斬波器等硬件設(shè)計(jì)了光纖損耗譜測(cè)量系統(tǒng)，開展光纖損耗特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)；黃艷華等［4］構(gòu)建全真式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開展項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。畢美華等［5-8］將OptiSystem 軟件應(yīng)用于光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)；劉林等［9-11］基于LabView 軟件開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)；李茜等［12］利用Matlab的可視化用戶界面，由教師輔導(dǎo)學(xué)生共同完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)。耿濤等［13］設(shè)計(jì)了基于開放式的視頻光纖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從產(chǎn)品開發(fā)角度訓(xùn)練學(xué)生硬件和軟件設(shè)計(jì)研發(fā)能力；呂菲等［14］利用多門專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)器件進(jìn)行硬件模塊組合和程序編寫調(diào)試，設(shè)計(jì)了波分復(fù)用光纖傳輸實(shí)驗(yàn)方案。

上述純硬件實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)是學(xué)生直接接觸真實(shí)光纖通信器件與設(shè)備，提高了動(dòng)手操作能力，不足是硬件封裝性強(qiáng)、擴(kuò)展性差，多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，綜合性和創(chuàng)新性相對(duì)較缺乏［6］。純軟件實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)是學(xué)生對(duì)原理的理解更加透徹，同時(shí)增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈活性和綜合性，但不足是與真實(shí)設(shè)備仍然存在差距，缺乏實(shí)體硬件的客觀感受，降低了處理突發(fā)故障的能力［4］。混合型實(shí)驗(yàn)發(fā)揮硬軟平臺(tái)各自優(yōu)勢(shì)，鍛煉了學(xué)生多方面的能力，但這類實(shí)驗(yàn)難度較大，往往需要很多學(xué)時(shí)才能保證教學(xué)質(zhì)量。如何在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和建設(shè)經(jīng)費(fèi)有限的條件下，探索教學(xué)效果好且難度適中的教學(xué)模式是當(dāng)前光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)值得研究的問(wèn)題。本文提出一種基于實(shí)況-虛擬-構(gòu)造（Live-Virtual-Construction，LVC）聯(lián)合仿真的光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1 LVC聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

LVC是近年來(lái)軍事訓(xùn)練領(lǐng)域一項(xiàng)重點(diǎn)發(fā)展的聯(lián)合仿真技術(shù)［15-17］，其中L（Live simulation）指實(shí)裝演練，是真實(shí)的人員操作真實(shí)裝備開展的演練行動(dòng)；V（Virtual simulation）指虛擬仿真，是真實(shí)的人員操作模擬裝備進(jìn)行的訓(xùn)練活動(dòng)，C（Construction simulation）指構(gòu)造仿真，是計(jì)算機(jī)模擬人員操作虛擬裝備的純數(shù)字仿真。LVC通過(guò)三域深度融合形成體系閉環(huán)，能夠提高訓(xùn)練質(zhì)量、增強(qiáng)科目多樣性、降低裝備損耗和維護(hù)成本，是實(shí)戰(zhàn)化條件下裝備體系對(duì)抗訓(xùn)練的一種有效手段［18］。受該技術(shù)思想啟發(fā)，光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)嘗試引入LVC聯(lián)合仿真方法，以期達(dá)到以戰(zhàn)領(lǐng)教、為戰(zhàn)抓教的目的。

新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式分為4 個(gè)主要步驟，如圖1 所示。①通過(guò)理論學(xué)習(xí)掌握光纖通信系統(tǒng)的基本原理和重要概念，構(gòu)建完整知識(shí)體系，為L(zhǎng)VC 聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)；②根據(jù)各個(gè)知識(shí)模塊特點(diǎn)和現(xiàn)有軟硬件條件，選擇合適方式進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)裝演練（L）主要采用實(shí)驗(yàn)箱、測(cè)量?jī)x器儀表、光端機(jī)和光纜線路等硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)；虛擬仿真（V）采用模擬器或虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）系統(tǒng)進(jìn)行裝備模擬操作；構(gòu)造仿真（C）主要采用各類軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字仿真，這樣既能驗(yàn)證理論學(xué)習(xí)中的重要結(jié)論，又能加深學(xué)生對(duì)重要概念和方法的理解掌握；③在LVC領(lǐng)域設(shè)計(jì)相同或類似的實(shí)驗(yàn)科目，設(shè)置相同（相仿）條件（參數(shù)），進(jìn)行雙域或三域聯(lián)合仿真，多角度觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析錯(cuò)誤（故障）原因，幫助學(xué)生從不同維度掌握知識(shí)點(diǎn)；④對(duì)實(shí)驗(yàn)科目進(jìn)行考核，在傳統(tǒng)的分項(xiàng)實(shí)驗(yàn)考核基礎(chǔ)上增加聯(lián)合仿真項(xiàng)目考核，對(duì)學(xué)生在LVC各域的系統(tǒng)構(gòu)造、參數(shù)選擇、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、結(jié)果分析等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖1 LVC聯(lián)合仿真教學(xué)模式主要步驟

2 LVC聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

理論學(xué)習(xí)期間，教師有意識(shí)地將前后知識(shí)點(diǎn)相互聯(lián)系，幫助學(xué)生建立完整的光纖通信知識(shí)體系架構(gòu)，因?yàn)橐淮螌?shí)驗(yàn)往往要用到多個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)。LVC 聯(lián)合仿真涉及大量原理和參數(shù)，需要用到多個(gè)章節(jié)的理論知識(shí)，只有將各知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通才能更好地開展實(shí)驗(yàn)。另外，還應(yīng)重點(diǎn)講解LVC聯(lián)合仿真中用到的重要參數(shù)和方法，加深學(xué)生理解，在仿真中能準(zhǔn)確設(shè)置和使用。例如，光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需要使用光源平均發(fā)射功率、接收機(jī)靈敏度、光纖損耗系數(shù)和色散系數(shù)等知識(shí)點(diǎn)，還需要根據(jù)理論公式計(jì)算損耗受限和色散受限中繼距離等。

基于我校現(xiàn)有軟硬件實(shí)驗(yàn)條件，LVC 分項(xiàng)仿真中的實(shí)裝演練（L）包括“JH-5002C”型光纖實(shí)驗(yàn)箱、野戰(zhàn)光纜、光纖熔接機(jī)、光時(shí)域反射儀、光功率計(jì)等儀器儀表以及“準(zhǔn)同步數(shù)字體系”（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）光端機(jī)、“同步數(shù)字體系”（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）光端機(jī)和無(wú)線光傳輸收發(fā)信機(jī)等設(shè)備，如圖2 所示，開設(shè)光器件與設(shè)備性能測(cè)試、光纜接續(xù)、PDH 光端機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)業(yè)務(wù)傳輸、SDH光傳輸組網(wǎng)配置、無(wú)線光傳輸?shù)榷囗?xiàng)實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真（V）采用基于VR 技術(shù)的虛擬光網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，開設(shè)“軟件定義分組傳送網(wǎng)（Software Defined Packet Transport Network，SPTN）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與規(guī)劃”“SDH網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與規(guī)劃”“PTN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與規(guī)劃”等交互式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如圖3 所示，學(xué)生可在VR系統(tǒng)中完成SDH、PTN和SPTN設(shè)備的組件認(rèn)知、拆分組裝、拓?fù)湟?guī)劃、部署連線、網(wǎng)管配置和故障修復(fù)等工作。構(gòu)造仿真（C）采用OptiSystem軟件實(shí)現(xiàn)，目前已設(shè)計(jì)“光纖傳輸特性仿真”“激光器性能仿真”“光接收機(jī)設(shè)計(jì)仿真”“光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)仿真”“光波分復(fù)用系統(tǒng)仿真”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生選用元件庫(kù)中各類光器件、光纖以及觀測(cè)儀器搭建部分或完整的光纖通信系統(tǒng)，根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)并仿真得到時(shí)域波形、眼圖、頻譜波形等信號(hào)特征和P-I曲線、Q值、誤碼率等系統(tǒng)性能。

圖3 基于VR的虛擬光網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)

在LVC 聯(lián)合仿真階段，根據(jù)必要性和可行性在LVC的兩域或三域中設(shè)計(jì)聯(lián)合仿真項(xiàng)目，如表1 所示。以表中第1 項(xiàng)“LC”聯(lián)合仿真為例，首先利用萬(wàn)用表和光功率計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱中1 550 nm 激光器在不同偏置電流下的輸出光功率并記錄，如表2 所示；然后在OptiSystem軟件中搭建如圖4 所示的激光器測(cè)量電路，設(shè)置與實(shí)際測(cè)量范圍相近的偏置電流參數(shù)，仿真得到P-I曲線如圖5 所示。可以看出，仿真與測(cè)量結(jié)果基本吻合，說(shuō)明軟件仿真設(shè)計(jì)和操作測(cè)量都比較準(zhǔn)確。在“LVC”三域仿真中，學(xué)生基于虛擬光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模擬SDH設(shè)備的分解拆裝、系統(tǒng)配置和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，熟練掌握后再操作對(duì)應(yīng)的真實(shí)設(shè)備（華為OSN1500），同時(shí)還可在OptiSystem上搭建光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的SDH傳輸速率，觀察2.5、10 和40 Gb／s下的光脈沖波形。當(dāng)然，由于現(xiàn)有軟硬件平臺(tái)是過(guò)去傳統(tǒng)教學(xué)模式下逐步建設(shè)完成的，目前還不能達(dá)到所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的LVC聯(lián)合仿真，但隨著后續(xù)教學(xué)和科研項(xiàng)目的推進(jìn)，聯(lián)合仿真將得到進(jìn)一步拓展和深入。

表1 LVC聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)

表2 萬(wàn)用表和光功率計(jì)測(cè)得的激光器輸入輸出信號(hào)

課程考核由形成性考核和終結(jié)性考核（閉卷考試）組成，其中形成性考核成績(jī)主要通過(guò)分項(xiàng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出，不僅考察學(xué)生對(duì)知識(shí)、技能的掌握程度，還對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析能力進(jìn)行評(píng)判。另外，為使學(xué)生更好綜合運(yùn)用知識(shí)分析和設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)，形成性考核還包括一次大作業(yè)：預(yù)先設(shè)置數(shù)個(gè)實(shí)際場(chǎng)景并確定系統(tǒng)主要需求，如通信容量和通信距離等；學(xué)生組成學(xué)習(xí)小組，通過(guò)分工協(xié)作方式查找各類實(shí)際光器件和光纖產(chǎn)品的參數(shù)，選擇合適設(shè)備和光纜組成系統(tǒng)；每組撰寫自己的設(shè)計(jì)方案并通過(guò)LVC聯(lián)合仿真的方式迭代驗(yàn)證和修正，最后在課堂上進(jìn)行匯報(bào)并回答問(wèn)題；教師和其他組學(xué)生共同對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)方案進(jìn)行討論并提問(wèn)，達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短、共同提高的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于LVC 聯(lián)合仿真的光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)裝、虛擬和構(gòu)造三域的聯(lián)合仿真，幫助學(xué)生在理論空間、真實(shí)物理空間和虛擬空間3 個(gè)層面理解知識(shí)和培養(yǎng)能力。經(jīng)過(guò)兩個(gè)進(jìn)度的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生在新教學(xué)模式下知識(shí)理解更為透徹，設(shè)備操作更為熟練，軟件掌握更為合理，達(dá)到了從概念中理解仿真和實(shí)裝，從仿真和實(shí)裝中發(fā)掘概念的預(yù)期效果。從考核結(jié)果來(lái)看，實(shí)驗(yàn)報(bào)告和大作業(yè)質(zhì)量明顯提升，筆試平均成績(jī)相較于過(guò)去提高了4.8 分以上，充分說(shuō)明該教學(xué)模式在提升教學(xué)質(zhì)量上的有效性。但學(xué)生也反映，目前聯(lián)合仿真項(xiàng)目有些參數(shù)和環(huán)境設(shè)置還不能做到完全一致，仿真結(jié)果也有一定差異，這是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)計(jì)能力不足導(dǎo)致的，在后續(xù)教學(xué)和科研工作中將加大聯(lián)合仿真項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建設(shè)力度，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目范圍，進(jìn)一步提升教學(xué)水平層次。另外，該教學(xué)模式經(jīng)過(guò)適當(dāng)修改也可應(yīng)用于其他崗位任職類專業(yè)課程，如衛(wèi)星通信系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)等。