基于LTE環(huán)境模擬平臺(tái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)

南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院 江蘇南京 211167

通信系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)是通信工程專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)實(shí)踐性教學(xué)必修課。其目的在于通過(guò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，使學(xué)生熟練掌握通信系統(tǒng)的理論、設(shè)計(jì)方法，提高其運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力[1]。通信系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)是南京工程學(xué)院通信工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革中的一門(mén)重要課程，該實(shí)訓(xùn)分為3個(gè)模塊：移動(dòng)通信系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)仿真、衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真。各模塊依據(jù)CDIO(C：Conceive—構(gòu)思，D：Design—設(shè)計(jì)，I：Implement—實(shí)現(xiàn)，O：Operate—運(yùn)作)工程教育模式[2]，融入現(xiàn)代通信行業(yè)所需的工程實(shí)踐能力、崗位技能素養(yǎng)與系統(tǒng)工程分析能力，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜系統(tǒng)工程問(wèn)題的能力[3]。

本文以移動(dòng)通信系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)為例進(jìn)行分析。移動(dòng)通信是通信工程專(zhuān)業(yè)的核心課程。移動(dòng)通信具有發(fā)展迅速、工程性強(qiáng)等特征。目前第四代移動(dòng)通信(4G)已在全球大規(guī)模商用，第五代移動(dòng)通信(5G)的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作也已接近尾聲[4,5]。移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備的認(rèn)知和實(shí)訓(xùn)是通信工程專(zhuān)業(yè)重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難使學(xué)生對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備有很好地理解和認(rèn)知。結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作，能促使學(xué)生從實(shí)踐中理解理論知識(shí)，積累實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，以適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展。

1 移動(dòng)通信系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

通信工程專(zhuān)業(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)采用華為L(zhǎng)TE環(huán)境模擬軟件LTEStar，該軟件結(jié)合了華為物理設(shè)備eNodeB 6.0(LTE無(wú)線基站)操作平臺(tái)和虛擬仿真技術(shù)。軟件可模擬實(shí)現(xiàn)主體設(shè)備eNodeB 6.0的全部功能，還內(nèi)置了EPC(4G核心網(wǎng))以及UE(移動(dòng)終端)的必要功能模塊。

軟件采用3D圖像仿真技術(shù)模擬出機(jī)框、單板、天饋和線纜等設(shè)備鏈接場(chǎng)景，通過(guò)人機(jī)交互，使學(xué)員能夠在模擬環(huán)境下完成基站硬件安裝、VoLTE通話、短消息收發(fā)、在線視頻、文件下載、UE終端測(cè)試、小區(qū)覆蓋檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，彌補(bǔ)學(xué)生遠(yuǎn)離設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的缺憾；另外，軟件可產(chǎn)生仿真業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)虛擬業(yè)務(wù)場(chǎng)景，使學(xué)生能夠更加真實(shí)地了解到網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的本質(zhì)。軟件繼承了真實(shí)設(shè)備的操作維護(hù)平臺(tái)，登錄平臺(tái)后，學(xué)生可以像操作真實(shí)設(shè)備一樣對(duì)模擬基站進(jìn)行數(shù)據(jù)配置、狀態(tài)查詢、告警檢測(cè)、信令跟蹤、業(yè)務(wù)查詢等操作。

2 移動(dòng)通信系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)訓(xùn)目標(biāo)

移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生了解4G相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和原理，掌握4G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，掌握中小型區(qū)域移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)流程，熟悉現(xiàn)網(wǎng)中實(shí)際運(yùn)行的設(shè)備，完成移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)基站的配置以及故障排除。通過(guò)實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生能對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)有宏觀的認(rèn)識(shí)，并能激發(fā)學(xué)生對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)采用華為L(zhǎng)TE 4G環(huán)境模擬系統(tǒng)，主要分為5個(gè)實(shí)訓(xùn)模塊，各模塊與實(shí)訓(xùn)目標(biāo)緊密結(jié)合，具體如圖1所示。

圖1 移動(dòng)通信實(shí)訓(xùn)目標(biāo)與模塊設(shè)計(jì)

2.2 實(shí)訓(xùn)組織方式

移動(dòng)通信實(shí)訓(xùn)的每個(gè)項(xiàng)目由學(xué)生組團(tuán)完成，學(xué)生組團(tuán)后有充分的任務(wù)分工和細(xì)化自由[6,7]。每個(gè)團(tuán)隊(duì)由3～4名學(xué)生組成，成員包括：團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工程師、設(shè)備配置及測(cè)試工程師。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人召集小組成員開(kāi)展需求分析、規(guī)劃與設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)配置與測(cè)試，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的總體方案設(shè)計(jì)，方案的成本核算、優(yōu)缺點(diǎn)，安排成員撰寫(xiě)技術(shù)方案相關(guān)文檔。

2.3 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

為了保證實(shí)訓(xùn)的工作量和效果，針對(duì)每個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)不同的項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目的組網(wǎng)需求不同。下面以其中一個(gè)項(xiàng)目的組網(wǎng)需求為例說(shuō)明。

硬件安裝需求：某運(yùn)營(yíng)商需要新建LTETDD基站2個(gè)，每個(gè)基站內(nèi)含一個(gè)BBU及一個(gè)RRU，每個(gè)RRU下對(duì)應(yīng)一個(gè)小區(qū)，進(jìn)行BBU硬件設(shè)備單板及天饋安裝工作，天饋中需要安裝RRU、板狀天線、GPS、饋線、避雷器。

數(shù)據(jù)配置需求：需要對(duì)安裝好的基站進(jìn)行數(shù)據(jù)配置，數(shù)據(jù)配置按照全局?jǐn)?shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、無(wú)線數(shù)據(jù)依次配置。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、線路連接設(shè)計(jì)、IP地址規(guī)劃。

通信需求：最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)小區(qū)間互相通信。

3 移動(dòng)通信系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)結(jié)果

根據(jù)項(xiàng)目的組網(wǎng)需求，設(shè)計(jì)出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。4G LTE移動(dòng)通信網(wǎng)構(gòu)架中，MME(Mobility Management Entity，移動(dòng)管理實(shí)體)負(fù)責(zé)非接入層信令的加密和完整性保護(hù)、接入層安全性控制、空閑狀態(tài)移動(dòng)性控制、切換、漫游等。SGW(Serving GateWay，服務(wù)網(wǎng)關(guān))負(fù)責(zé)分組數(shù)據(jù)路由及轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性及切換支持。PGW(PDN GateWay，PDN網(wǎng)關(guān))負(fù)責(zé)分組數(shù)據(jù)過(guò)濾、UE的IP地址分配、上下行計(jì)費(fèi)及限速。HSS(Home Subscriber Server，歸屬簽約用戶服務(wù)器)用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)、鑒權(quán)數(shù)據(jù)等。PCRF(Policy and Charging Rules Function，策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能單元)是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流和IP承載資源的策略與計(jì)費(fèi)控制策略決策點(diǎn)[8,9]。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

設(shè)備線路連接與天饋線連接分別如圖3和圖4所示。

圖3 設(shè)備線路連接示意圖

圖4 天饋連接示意圖

核心網(wǎng)IP參數(shù)設(shè)置如圖5所示，具體參數(shù)為eNodeB-0：172.28.4.4，端口號(hào)：16448；MME：172.28.4.5，端口號(hào)：16705；eNodeB-1：172.28.4.7，端口號(hào)：16448；MME：172.28.4.8，端口號(hào)：16750，S-GW：172.28.4.6。

圖5 核心網(wǎng)參數(shù)示意圖

測(cè)試模塊包括通話測(cè)試、網(wǎng)頁(yè)測(cè)試、視頻測(cè)試、下載測(cè)試和小區(qū)信號(hào)覆蓋驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如圖6～10所示。

圖6 通話業(yè)務(wù)測(cè)試結(jié)果

圖7 上網(wǎng)業(yè)務(wù)測(cè)試結(jié)果

圖8 下載業(yè)務(wù)測(cè)試結(jié)果

圖9 視頻業(yè)務(wù)測(cè)試結(jié)果

圖10 小區(qū)信號(hào)覆蓋測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

在移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商及其上、下游企業(yè)對(duì)精通4G甚至5G的通信技術(shù)人才的需求也不斷增加。采用LTE環(huán)境模擬系統(tǒng)開(kāi)展移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，一方面節(jié)約了高校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，另一方面為每名學(xué)生打造了更加獨(dú)立、靈活的實(shí)驗(yàn)空間。通過(guò)基于移動(dòng)通信仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目訓(xùn)練，能夠促使學(xué)生深入理解移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的布局與關(guān)鍵技術(shù)，為其畢業(yè)后從事移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備的研制、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)和工程項(xiàng)目打下扎實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。