基于軟件無(wú)線電的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

郭曉菲 李世寶

摘要：針對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的滯后，本文指出目前高校移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題。在充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)基于軟件無(wú)線電的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將真實(shí)的空口信號(hào)引入實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電；移動(dòng)通信；空口信號(hào)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）45-0277-02

移動(dòng)通信課程是電子通信類專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)課，從某種意義上來(lái)說(shuō)它是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，而移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)是移動(dòng)通信教學(xué)的重要組成部分。目前雖然各大高校的通信專業(yè)都開(kāi)設(shè)了移動(dòng)通信課程，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織實(shí)施一直都存在問(wèn)題[1]。傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)只能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解認(rèn)知能力，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。因此，如何利用有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到具體的系統(tǒng)中解決實(shí)際問(wèn)題，是移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重要的研究立足點(diǎn)。

一、移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

目前，各高校移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)主要有虛擬仿真、實(shí)驗(yàn)箱、大型設(shè)備三種方式，虛擬仿真主要采用Matlab、System View等軟件仿真，這種方法可以對(duì)理論知識(shí)有一個(gè)透徹的理解，但缺乏真實(shí)性，較少涉及應(yīng)用的環(huán)境和對(duì)象，和產(chǎn)業(yè)界的要求相去較遠(yuǎn)。個(gè)別高校采用真實(shí)的移動(dòng)通信的大型商業(yè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)等真實(shí)信號(hào)的隨意接入，實(shí)驗(yàn)效果較好，但費(fèi)用很高[2，3]。而大部分高校目前的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)還是采用實(shí)驗(yàn)箱的方式，這種實(shí)驗(yàn)方式存在以下問(wèn)題：（1）信號(hào)源缺乏真實(shí)性：由于實(shí)驗(yàn)采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為信源，這種信號(hào)源是非常理想的，沒(méi)有任何噪聲，這和真實(shí)的空口信號(hào)差別非常大，用這種信號(hào)源來(lái)做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)感覺(jué)信號(hào)源不夠直觀，缺乏真實(shí)性，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容枯燥、脫離實(shí)際：目前移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)局限于模塊化的實(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成，一般都是一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，比如：數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)、直接序列擴(kuò)頻通信實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)中很多信號(hào)處理過(guò)程都被集成在模塊中，學(xué)生無(wú)法觀察移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)的傳輸和處理過(guò)程，做完實(shí)驗(yàn)后學(xué)生對(duì)于實(shí)際的移動(dòng)通信系統(tǒng)還是缺乏感性認(rèn)識(shí)，沒(méi)有形成系統(tǒng)的概念[3]。

二、移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

本文提出將軟件無(wú)線電開(kāi)發(fā)平臺(tái)GNU Radio和通用軟件無(wú)線電外設(shè)USRP（Universal Software Radio Peripheral）組成的軟件無(wú)線電系統(tǒng)作為移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生在電腦終端上就可以進(jìn)行無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這種軟硬件結(jié)合的新方法能夠快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原型，將特性復(fù)雜、仿真困難的實(shí)際無(wú)線信道納入系統(tǒng)仿真模型中。

一個(gè)典型的移動(dòng)通信系統(tǒng)是由固網(wǎng)設(shè)備、交換網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線基站和移動(dòng)終端四部分組成的，通常把無(wú)線基站和移動(dòng)終端之間的接口稱之為空中接口。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就是要利用USRP的射頻前端把空口信號(hào)引入實(shí)驗(yàn)中，這樣學(xué)生通過(guò)GNU Radio和USRP組成的軟件無(wú)線電平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)空口信號(hào)的收發(fā)和信號(hào)的協(xié)議解析，完成真實(shí)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的測(cè)試分析，并進(jìn)行無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)建通信“系統(tǒng)”的概念。

在GNU Radio和USRP組成的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，GNU Radio負(fù)責(zé)基帶信號(hào)的處理，USRP的結(jié)構(gòu)中主要包括負(fù)責(zé)數(shù)字中頻處理的FPGA（Field Programmable Gate Array）、負(fù)責(zé)模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換的ADC與DAC器件和負(fù)責(zé)射頻信號(hào)處理的射頻子板，它能夠兼容當(dāng)前無(wú)線通信的多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可支持自定義協(xié)議和多標(biāo)準(zhǔn)融合的系統(tǒng)建模和測(cè)試。移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先在電腦終端上搭建GNU Radio軟件平臺(tái)，將天線、射頻子板、基帶子板、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器有機(jī)結(jié)合成一個(gè)可配置的整體，完成整個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建，然后利用基于USRP的外設(shè)，完成信號(hào)發(fā)送端和接收端的初始化配置，實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)接口的PC端和USRP的正常通信。

三、優(yōu)化并調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較單一、枯燥，學(xué)生缺乏興趣，加入真實(shí)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)后，必然要對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，豐富傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革的要求，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)課時(shí)的具體情況，在GNU Radio和USRP組成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上，將《移動(dòng)通信》的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)等四類。（1）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分主要是讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)熟悉系統(tǒng)的環(huán)境配置及使用方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本功能，對(duì)基礎(chǔ)理論加以理解鞏固。例如：數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生了解移動(dòng)通信系統(tǒng)中MSK、GMSK調(diào)制、解調(diào)原理及特性，實(shí)驗(yàn)中利用USRP獲取真實(shí)的手機(jī)信號(hào)作為信源，就有了噪聲的干擾，學(xué)生能體會(huì)到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)性。（2）研究性實(shí)驗(yàn)：研究性實(shí)驗(yàn)主要是在基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以學(xué)生自主設(shè)計(jì)、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)較為單一明確，保證在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)完成，在了解系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，教師只起到輔助性的指導(dǎo)作用。例如：噪聲信道模擬實(shí)驗(yàn)、多徑衰落信道模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中利用USRP獲取真實(shí)的手機(jī)信號(hào)作為信源，將基帶信號(hào)進(jìn)行一定的處理，觀察噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。（3）綜合性實(shí)驗(yàn)：綜合性實(shí)驗(yàn)是以基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)為主線，由若干簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)組成。通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠獲得全面的訓(xùn)練，提高學(xué)生對(duì)所學(xué)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，進(jìn)一步提高學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力。例如：GSM通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)利用兩臺(tái)USRP設(shè)備完成GSM信號(hào)的收發(fā)，學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，搭建GSM數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，這樣可以讓學(xué)生建立一個(gè)GSM通信系統(tǒng)的概念，并觀察GSM系統(tǒng)各部分信號(hào)波形。（4）開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)：開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中可加入一些移動(dòng)通信的前沿知識(shí)，例如：學(xué)生可基于軟件無(wú)線電平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)協(xié)作式的MIMO系統(tǒng)，或者毫米波蜂窩通信系統(tǒng)，這樣就可以進(jìn)行下一代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。由于開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)難度高、工作量大，不必局限在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，可以作為通信專業(yè)的課程設(shè)計(jì)來(lái)要求，也可作為學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃及各種科技競(jìng)賽的題目，這類實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和探索創(chuàng)新的能力。

四、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出將開(kāi)源軟件無(wú)線電開(kāi)發(fā)工具GNU Radio和通用軟件無(wú)線電外設(shè)USRP組成的軟件無(wú)線電系統(tǒng)作為移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這種軟硬件結(jié)合的新方法能夠?qū)⒄鎸?shí)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)引入實(shí)驗(yàn)中，這樣能夠提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，并能快速實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信系統(tǒng)的原型驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)與真實(shí)移動(dòng)信號(hào)的交互，讓學(xué)生構(gòu)建通信“系統(tǒng)”的概念，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題。

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