基于MATLAB和VR工具的“移動通信網絡”課程的實驗教學設計

熊 磊,趙紅霞

(江西科技學院,江西 南昌 330098)

0 引言

隨著信息系統在許多領域迅速發展,這種變化的一個很好的例子就是工業4.0革命,從1G空白、2G跟隨、3G突破、4G到5G領先,隨著通信網絡的發展,將人和人連接起來[1]。不管是簡單的語音,還是后來的短信以及接下來的移動通信網絡中數據所開發出來的各種各樣的業務,給人們的生活帶來了極大的便捷。我國通信抓住移動網絡的發展機遇,在未來30年內伴隨著通信和各種技術的碰觸和創新,給世界帶來萬物萬聯的結果[1]。

基于此通信時代的背景,為使“移動通信網絡”課程實驗內容更加生動形象,運用虛擬現實(Virtual Reality, VR)工具與MATLAB仿真軟件在實驗項目環節中融合,使學生在實操中具有身臨其境的體驗感[2]。結合實驗教學,教師圍繞設計進行理論教學,促進學生從理性認識到感性認識再到理性認識的飛躍。

1 “移動通信網絡”課程實驗教學

1.1 實驗內容

“移動通信網絡”課程的目標之一為認知通信網絡的架構。基站能夠利用無線電波感知周邊的環境、物體的形狀和運動;核心網主要負責呼叫的接續、計費、移動性管理。基于此課程目標,教師在教學實驗中發布車聯網V2V仿真測試實驗項目卡。此實驗旨在通過搭建車聯網移動通信系統的實驗平臺,探索車輛網移動中技術原理和實際應用[3-4]。學生們通過調試參數,將觀察的車輛運行的方式、網絡信號的強度、數據傳輸速率等通信指標記錄下來并分析實驗結果,了解移動通信的基本原理和技術。

此實驗項目涉及車聯網諸多方面因素。其中,車聯網的無線資源分配是一個重要的原因,主要挑戰是如何在移動的不同車輛之間分配可用的無線資源,根據車輛運行的速度、通信的數據、頻譜資源的分配等信息來滿足通信需求,達到優化網絡性能。

1.2 實驗工具

“移動通信網絡”實驗基礎仿真軟件為MATLAB,可通過MATLAB仿真對車聯網絡中的通信數據,網絡的切換、移動等場景進行分析。MATLAB軟件將通信中的科學計算進行簡化,弱化不必要的證明和推導,強化如何應用知識解決問題。學生可通過MATLAB計算車輛運行中數據參數、信道的延時等信息并進行調試,從而為車聯網分配無線資源。運用MATLAB將課程的理論知識應用到生活中的場景模型中,實踐“做中學”的理念,從而提升教學效果[5]。

在實驗教學中,學生對仿真的結果通常表示為運行成功即可,不明白參數調參過程中對應的車聯網車輛運行的變化。基于此,因人工智能在新時代展現出前所未有的生命力且持續賦能教育變革,通過三維動畫VR工具結合MATLAB的參數計算,給學生在虛構的車輛網場景中施加視覺感受[6]。此二者結合讓“移動通信網絡”課程中枯燥乏味的理論知識以生動有趣的方式在實驗環節中呈現,促使學生們理解抽象通信傳輸的概念,同時培養學生思考和探究能力,激發學生對“移動通信網絡”的好奇心。

2 實驗教學案例設計方案

2.1 系統模型

由于移動性、快速部署等優勢,車聯網在移動通信中得到了廣泛的應用。在講解網絡移動切換章節時,車輛網的研究重點之一為車輛運行中道路安全,如防碰撞功能。實驗教學環節設計車聯網通信作為一個實驗項目,其系統模型如圖1所示。

圖1 車聯網移動通信實驗項目系統模型

車聯網移動通信實驗項目系統模型如圖1所示。假設在任意時間t時刻,在十字路口單車道,兩輛車的速度分別為vA和vB,為了保證交通流暢以及安全行駛,就要求車和車行駛之間要留有安全距離[1]。假設車與車之間的安全距離為Dsafe,對于防碰撞,要求后一輛車對于前一輛車的安全速度為:

(1)

其中,τ為時間間隙常量,則后一輛車的理想速度Videa為:

Videa(t)=min[Vsafe(t),Vmax,Vn(t)+Δt]

(2)

其中,Vsafe為最佳安全速度,Vmax為車輛限制的最大速度,Vn(t)+Δt為下一時刻的車速。則最佳位置為:dn(t+Δt)=dn(t)+Vn(t)·Δt。

2.2 利用MATLAB+VR工具搭建車聯網通信系統

仿真對象選擇車輛網模塊,運用MATLAB軟件的Simulink建立系統模型。結合實驗項目卡中已知的車速、車道控制、天線信號及信號燈相關條件,使用MATLAB編寫程序進行調試。在實驗環節中,理論和實踐相結合,教師邊講解網絡通信概念,邊讓學生編程,通過MATLAB仿真的圖片讓學生掌握MATLAB工具的應用,同時在V-Realm Builder 2.0中編輯虛擬環境,根據MATLAB仿真計算所得到的參數實時展示車聯網移動的3D模擬場景[7-8]。

圖2(a)為MATLAB仿真車輛網中誤報概率和檢測概率,分析車輛在運行過程中速度和安全距離。結合3種情況,將得到的參數在V-Realm Builder 2.0中進行車輛展現。車輛控制的3D界面如圖2(b)所示,根據實驗已知車輛運行的軌跡和運行速度及通信網絡傳輸數據等參數,調整參數進行安全距離判斷,根據網絡擁塞道路的情況[9-10],車輛之間在傳輸信息過程中是否能夠可靠地傳輸。教師在課堂上向學生提問并設計小組討論,結合實驗仿真結果進行校驗判斷。

圖2 車輛運行仿真

2.3 實驗教學案例分析

學生需要在虛擬通信仿真環境中判斷車輛運行結果和通信的質量,通過觀察車輛運行的軌跡和不同資源分配情況進行分析。在實踐環節中,學生能夠熟練運用理論知識對不同情況進行總結,通過評分標準在成果展評中進行量化評估。同時,教師組織小組討論,共同解決仿真環節當中出現的失敗問題來提高學生團結合作意識和溝通協調能力。結果展示,基于MATLAB和VR工具在實驗仿真設計中,兩者的結合實現了在線控制實時展示的效果,學生根據動態的展示界面加深對“移動通信網絡”的知識的理解和掌握。實操的過程既鍛煉了學生的動手實踐能力,也提升了學生的興趣,提高了教學效果。

3 結語

在實驗教學環節中,教師使用VR工具和MATLAB軟件仿真,根據課程內容和教學目標使得授課知識具有針對性和緊密性。在實驗環節中,學生根據已知的數據參數,結合系統模型,根據理論知識探討不同移動通信場景中車輛運行通信的性能。合理配置相應的參數如:車速、信號的發射功率、距離等,結合3D圖形直觀顯示車輛運行中存在的問題。在實驗環節中,教師采用引導式和啟發式的教學手段,組織學生小組討論,必要時提供理論輔導和提示,幫助學生快速分析各種場景下車輛運行的不同結果。結合學生反饋的數據和問題歸納以及課中學生參與討論、互評、成果展評中的情況,學生基本能夠深刻理解課程知識點內容,能夠對生活通信場景的一般現象進行評估。相比于純理論實驗的課程,學生互動的積極性得到了顯著的提高。在設計型實驗教學中,以實驗能力為導向的虛擬通信基礎仿真,結合生活中應用的場景,鼓勵學生對自己的實驗結果進行總結反思,鍛煉學生的設計和數據分析能力,為之后就業夯實了基礎。