通信網(wǎng)絡(luò)類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)踐

李曉艷　雷斌　華翔　陳蕾

摘 要 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下具體實(shí)現(xiàn)各種通信網(wǎng)絡(luò)，并定量評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能是各高校通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教改的重要方向。針對(duì)當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)類課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，梳理通信網(wǎng)絡(luò)類課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)應(yīng)用性和工程性很強(qiáng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生掌握通信網(wǎng)絡(luò)的建模方法和仿真技能，理解網(wǎng)絡(luò)中各層的設(shè)計(jì)機(jī)制、算法和協(xié)議。

關(guān)鍵詞 通信網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)性能分析 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 虛擬仿真

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.09.016

Abstract To realize various communication networks and evaluate network performance under the laboratory environment is an important reformation aspect of communication engineering major. According to the problems existed in courses of current communication & network experiments， hackle the related knowledge points of communication & network courses and design virtual experiment projects with great practicality and engineering. Through the experiment teaching， students can master the modeling and simulation method of communication network； comprehend the network protocols， algorithm.

Keywords communication network； experimental teaching； network performance analysis； virtual simulation

0 引言

目前通信工程專業(yè)開(kāi)展的相關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)課程主要有：通信原理、無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)技術(shù)、信息論等。[1-3]目前的教學(xué)中，各門(mén)課程獨(dú)立講授，并依賴課程所設(shè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證所學(xué)課程知識(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不系統(tǒng)，學(xué)生普遍存在理論與實(shí)踐聯(lián)系不起來(lái)的現(xiàn)象。

由于缺乏相關(guān)課程之間內(nèi)在聯(lián)系的梳理，使得學(xué)生在應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析等綜合性問(wèn)題時(shí)，往往不能將所學(xué)的多門(mén)課程的知識(shí)聯(lián)系起來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。針對(duì)這種情況，將通信網(wǎng)絡(luò)類課程相關(guān)聯(lián)的知識(shí)進(jìn)行梳理融合，設(shè)計(jì)相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行建模分析，使學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的搭建和性能分析有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

1 通信網(wǎng)絡(luò)類課程的教學(xué)現(xiàn)狀

目前通信工程專業(yè)在相關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)類課程設(shè)置上存在如下一些問(wèn)題：

（1）移動(dòng)通信技術(shù)的知識(shí)難于理論教學(xué)。移動(dòng)通信作為通信領(lǐng)域發(fā)展最為快速的技術(shù)，LTE已經(jīng)進(jìn)行商用，各種高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)也正在進(jìn)行如火如荼的建設(shè)，5G技術(shù)也已經(jīng)提出。[4]而目前的培養(yǎng)大綱中沒(méi)有設(shè)置相應(yīng)的課程或?qū)嶒?yàn)課程與之對(duì)應(yīng)，學(xué)生對(duì)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)并未進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，然而作為通信領(lǐng)域最重要的發(fā)展方向之一，如何將其進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)已經(jīng)對(duì)當(dāng)前的理論教學(xué)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

（2）缺少定量評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)驗(yàn)課程。目前通信工程專業(yè)開(kāi)展的相關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)課程主要有：通信原理、無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息論等。在當(dāng)前的授課模式中，各門(mén)課程獨(dú)立進(jìn)行理論授課，并配以一定學(xué)時(shí)的實(shí)踐教學(xué)對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證；而相關(guān)課程之間的內(nèi)在聯(lián)系卻未有得到很好的展示，這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)這類課程認(rèn)知和理解不到位。如果在網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的環(huán)節(jié)中開(kāi)設(shè)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)課程，在實(shí)驗(yàn)中搭建各種虛擬網(wǎng)絡(luò)并對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能（如網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、時(shí)延等）進(jìn)行定量評(píng)估。以虛擬技術(shù)搭建仿真平臺(tái)，將通信網(wǎng)絡(luò)類課程的知識(shí)融合于一體，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加深學(xué)生對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的體系和網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議的理解，以此提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

（3）通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真知識(shí)難于理論教學(xué)。通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真的教學(xué)內(nèi)容覆蓋面較廣，在原理性課程中，有大量的概念定義和公式；在網(wǎng)絡(luò)課程中，系統(tǒng)的體系架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議較為繁瑣。在移動(dòng)通信的理論中，也涉及到了大量復(fù)雜的公式和定義，例如同頻干擾、信令接口等。這些理論性特別強(qiáng)的知識(shí)以及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式如果采用傳統(tǒng)的板書(shū)式教學(xué)，不僅會(huì)耗費(fèi)大量教學(xué)課時(shí)，教師講授也比較困難，學(xué)生學(xué)起來(lái)很費(fèi)力。若采用實(shí)驗(yàn)手段，將理論融入到實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，并通過(guò)學(xué)生自己測(cè)試所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)性能，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，達(dá)到較好的授課效果。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性

（1）完備的基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)定量分析的基礎(chǔ)。目前已開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)課程體系保證了通信基礎(chǔ)知識(shí)的完整性。通信原理的核心是通過(guò)信號(hào)波形設(shè)計(jì)和信道糾錯(cuò)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)信息有效而可靠傳輸。數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程主要介紹計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層次的協(xié)議及其工作原理。通信網(wǎng)技術(shù)課程介紹通信網(wǎng)絡(luò)的基本原理，圖論/隨機(jī)過(guò)程/排隊(duì)論等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、拓?fù)湓O(shè)計(jì)等內(nèi)容。通過(guò)以上課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握關(guān)于通信網(wǎng)絡(luò)完備的基礎(chǔ)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定量分析打下堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)。

（2）搭建虛擬通信系統(tǒng)能應(yīng)對(duì)不斷更新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)大型的復(fù)雜系統(tǒng)，且其技術(shù)更新快速，搭建實(shí)際的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行教學(xué)，雖然學(xué)生可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有直觀的認(rèn)知，但是通信設(shè)備通常造價(jià)昂貴，搭建實(shí)物平臺(tái)的成本很高，而且移動(dòng)通信理論更新速度快，普通高校無(wú)法從資金層面對(duì)搭建新型通信系統(tǒng)提供持續(xù)性的支持。引入虛擬仿真技術(shù)手段可以靈活地進(jìn)行各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和協(xié)議的模擬，以較少的教學(xué)投入情況下，獲得對(duì)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議等技術(shù)的深刻認(rèn)知。endprint

（3）優(yōu)秀的仿真軟件為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施奠定了軟件基礎(chǔ)。NS-2是一個(gè)面向?qū)ο蟮拈_(kāi)源網(wǎng)絡(luò)仿真工具，可以利用已有的模塊對(duì)各類網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景（有線網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)）仿真。[5-6]如果已有模塊并不能完整地搭建所需網(wǎng)絡(luò)，可利用已有模塊提供的編程接口，開(kāi)發(fā)所學(xué)模塊。例如可對(duì)系統(tǒng)本身提供的協(xié)議模塊進(jìn)行改進(jìn)，以便于測(cè)試新協(xié)議的性能。在仿真完成之后，NS2可以直接對(duì)仿真中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析數(shù)據(jù)曲線，能夠判定所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)是否正確或是否達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)框架設(shè)計(jì)與規(guī)劃

3.1 梳理通信網(wǎng)絡(luò)類課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)分類的仿真實(shí)驗(yàn)

通信網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)則是在梳理通信網(wǎng)絡(luò)類課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)基礎(chǔ)上構(gòu)建的仿真實(shí)驗(yàn)，旨在以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為載體，對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的搭建和性能有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。[7]圖1反映了本課題所設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與課程之間的相互支撐關(guān)系。

（1）網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)類實(shí)驗(yàn)。任一復(fù)雜無(wú)線網(wǎng)絡(luò)均可等效為若干簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)的集合，均需要用到以上兩門(mén)課程的基本知識(shí)。利用通信原理和無(wú)線通信技術(shù)課程這兩門(mén)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展，梳理整合教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)類實(shí)驗(yàn)；即在仿真軟件中靈活搭建目前主流的移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G、4G）或區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（無(wú)線個(gè)域網(wǎng) WPAN、無(wú)線局域網(wǎng) WLAN）。

（2）研究類實(shí)驗(yàn)。通信網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程討論的是具體網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)結(jié)構(gòu)層面的機(jī)制、算法和協(xié)議。利用以上課程的知識(shí)，設(shè)計(jì)研究類實(shí)驗(yàn)，在研究網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議的基礎(chǔ)上，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)類實(shí)驗(yàn)中搭建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各種性能：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相關(guān)（節(jié)點(diǎn)連通度、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率、平均擁塞時(shí)間等），傳輸路徑相關(guān)（傳輸帶寬、上行鏈路誤碼率、傳輸時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)等），整體網(wǎng)絡(luò)相關(guān)（誤幀率、信道誤碼率、吞吐量等）。

（3）設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)。在前兩類實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行第三類實(shí)驗(yàn)——設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)。該類實(shí)驗(yàn)由任課教師指定專題或由學(xué)生自己擬定題目，通過(guò)發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，自主設(shè)計(jì)新的通信網(wǎng)絡(luò)、通信協(xié)議，或是對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，并在仿真平臺(tái)上驗(yàn)證創(chuàng)新設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議效果，并利用所學(xué)知識(shí)，分析所得結(jié)果的正確性。

3.2 仿真基本模塊的構(gòu)建

雖然NS2可以模擬大部分的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，但是其提供的可用模型并不能被直接用于本課題所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)，因此需要構(gòu)建一些基本的模塊。[8-9]學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)選擇基本模塊并在模塊上改進(jìn)后再采用。圖2展示了所設(shè)計(jì)的模塊與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的關(guān)系。

（1）信道傳輸模型建模。信道模型（主要是無(wú)線信道模型）是對(duì)整個(gè)通信信道的數(shù)學(xué)描述，按照研究對(duì)象的不同，信道可分為調(diào)制信道和編碼信道。其中調(diào)制信道可用于描述各種調(diào)制制度不同的抗干擾能力，是最為常用的信道模型之一，在建模時(shí)常分為路徑損耗模型和信道衰落模型。

路徑損耗模型建模的信道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)千米以內(nèi)。由于多徑效應(yīng)的影響，研究對(duì)象關(guān)注的是預(yù)測(cè)在不同天氣狀況、不同地理位置條件下的無(wú)線信號(hào)衰減情況，建立的信道模型稱為傳播型預(yù)測(cè)模型。

信道衰落模型影響的范圍較小，輻射半徑在幾個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)，描述為瑞利分布（Rayleigh）或萊斯（Ricean）分布。

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋龅膶?duì)象是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和網(wǎng)絡(luò)連通度。根據(jù)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性與否，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛣?dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬煞N。網(wǎng)絡(luò)模型及其參數(shù)的設(shè)置對(duì)所獲得的仿真結(jié)果具有非常重要的影響，不同的網(wǎng)絡(luò)模型具有不同的數(shù)據(jù)傳遞率，平均端到端時(shí)延，吞吐量、路由開(kāi)銷等，因?yàn)椴煌W(wǎng)絡(luò)建模的研究角度不同。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)均固定或節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)非常緩慢時(shí)，此時(shí)可認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｔ诖藯l件下建模工作將集中于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲笜?biāo)，如節(jié)點(diǎn)度分布、網(wǎng)絡(luò)直徑和介數(shù)等。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多、移動(dòng)速度較快時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)轉(zhuǎn)而分析節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型。移動(dòng)模型可分為兩類：軌跡跟蹤模型和人工合成模型。

（3）通信業(yè)務(wù)建模。LTE標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP根據(jù)對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量要求的不同定義了4種基本的業(yè)務(wù)類型，包括：會(huì)話類業(yè)務(wù)、流媒體業(yè)務(wù)、交互類業(yè)務(wù)和背景類業(yè)務(wù)。

會(huì)話類業(yè)務(wù)來(lái)自電路域的實(shí)時(shí)呼叫，由于實(shí)時(shí)通話業(yè)務(wù)的特殊性要求，系統(tǒng)對(duì)待呼叫不需要采取排隊(duì)處理，立即處理呼叫業(yè)務(wù)。由于呼叫業(yè)務(wù)具有獨(dú)立性，因?yàn)楫?dāng)前的呼叫到達(dá)并不會(huì)對(duì)之后的呼叫到達(dá)情況產(chǎn)生影響，因而采用（下轉(zhuǎn)第92頁(yè)）（上接第33頁(yè)）短相關(guān)（SDR）模型來(lái)描述其流量。

由于流媒體業(yè)務(wù)、交互類業(yè)務(wù)和背景類業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求不強(qiáng)，因而采用分組傳輸?shù)姆绞?，并在傳輸?shù)倪^(guò)程中加以ARQ重傳機(jī)制、擁塞控制機(jī)制等。這類業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)流量采用長(zhǎng)相關(guān)（LRD）模型來(lái)描述。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展日新月異，為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，緊跟技術(shù)發(fā)展的前沿，通過(guò)精心設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，力爭(zhēng)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上反映通信網(wǎng)絡(luò)及仿真領(lǐng)域的最新技術(shù)成果，保證在教學(xué)內(nèi)容上緊跟先進(jìn)技術(shù)。其次，仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均以靈活的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生自主選擇模塊并搭建不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教改的實(shí)施，將通信網(wǎng)絡(luò)類課程的原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生分析問(wèn)題和綜合設(shè)計(jì)的能力，最終培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的無(wú)線通信技術(shù)綜合型人才。

參考文獻(xiàn)

[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理（7版）.[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[2] 楊槐.無(wú)線通信技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2015.

[3] 李建東，盛敏.通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4] 彭宏，應(yīng)頌翔，徐志江，孟利民.高校4G移動(dòng)通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015.34（12）：105-109.

[5] 方路平，劉世華.NS2網(wǎng)絡(luò)模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[6] 李海雁.基于NS2的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012.20（11）：108-111.

[7] 李莉，趙蓉，項(xiàng)東.信原理綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015.32（8）：179-181.

[8] 姜斌，包建榮，許曉榮.無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)類課程創(chuàng)新模式探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014.33（4）：250-254.

[9] 傅韜，黃本雄.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建模綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2010.37（8）：40-55.endprint