虛擬仿真實驗在“移動通信”課程組網(wǎng)技術教學中的應用

衛(wèi)萌菡 魏明露 左億

摘 ? 要：在“移動通信”課程的教學過程中，因為實驗硬件條件受限，所以面向學生開設組網(wǎng)實驗非常困難。文章根據(jù)實驗室現(xiàn)有的通信設備，結合虛擬仿真實驗平臺進行組網(wǎng)教學設計，并以LTE單站組網(wǎng)實驗為例進行了分析。結果表明：該教學方法將理論和實踐有機結合，使學生不僅理解了抽象的概念和復雜的網(wǎng)絡結構，而且熟悉了通信設備的配置方法。能夠提高學生的學習熱情，鍛煉動手能力，從而極大地提高了實驗課程的教學效果。

關鍵詞：實驗教學;虛擬仿真;移動通信組網(wǎng)

近年來，移動通信網(wǎng)絡技術蓬勃發(fā)展，急需大量的通信人才。如何讓學生在掌握移動通信基礎理論的基礎上，緊跟通信技術的發(fā)展步伐，熟悉實際網(wǎng)絡設備及其使用方法，能夠更好地理論聯(lián)系實際，是亟待解決的難題。四川師范大學物理與電子工程學院面向通信工程和電子信息工程專業(yè)學生開設了“移動通信”課程，其中，移動網(wǎng)絡組網(wǎng)是該課程的重要內容之一。由于“移動通信”的基本理論抽象，組網(wǎng)設計較為復雜，單靠教師課堂講授來指導學生，效果不直觀。傳統(tǒng)的實驗教學大多采用實驗箱的方式進行[1]，學生通過實驗能夠熟悉調制解調等技術，卻很難建立網(wǎng)絡組網(wǎng)的概念。因此，四川師范大學物理與電子工程學院購置商用設備，面向學生開設組網(wǎng)實驗，并逐步開設虛擬組網(wǎng)的內容，采用虛實結合的方法培養(yǎng)學生的動手操作能力和設計分析能力。

1 ? ?移動通信實驗教學現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的移動通信實驗采用實驗箱進行教學，優(yōu)點是設備價格較低，學生通過觀察波形可以較好地理解移動通信原理和網(wǎng)絡結構[2]，缺點是缺乏對通信實體的認識。采用實物組網(wǎng)克服了傳統(tǒng)移動通信實驗過程中采用實驗箱導致學生無法建立通信網(wǎng)絡整體觀的缺陷。然而，實物組網(wǎng)需要涉及大量設備，通信設備價格高昂，盡管實驗室購置了華為LTE基站、核心網(wǎng)以及其他交換傳輸?shù)仍O備，但是因為是商用設備，數(shù)量無法滿足同時多人次的組網(wǎng)實驗，學生只能排隊等待，逐一上傳數(shù)據(jù)，進行設備配置。因為連線復雜，完成從硬件架設和連接，配置設備數(shù)據(jù)，進而完成組網(wǎng)的實驗流程較長[3-4]。

采用仿真軟件，學生在前期掌握了網(wǎng)絡結構以及各部分設備的基礎知識之后，可以較快地進行組網(wǎng)和設備配置練習，加深了對通信網(wǎng)絡的認識。采用仿真軟件進行虛擬組網(wǎng)，不會受到設備高昂的約束，學生可以選用各種通信設備進行自由組網(wǎng)練習[5-7]。通過在“移動通信”課程中開展網(wǎng)絡虛擬仿真教學，仿真實驗與實際操作虛實結合、相互補充、優(yōu)化配置，全面提升了學生的自主學習能力、解決復雜問題的能力和協(xié)同合作能力。

2 ? ?虛擬組網(wǎng)實驗平臺介紹

目前采用的實驗平臺是由深圳訊方技術股份有限公司開發(fā)的軟件系統(tǒng)，采用客戶端/服務端模式（Client/Server，C/S）架構，架構如圖1所示。所有客戶端（學生端）必須登錄服務端（教師端）才能進入系統(tǒng)，且在服務端控制學生終端連接數(shù)量。實驗流程大致如下：（1）進行設備組網(wǎng)搭建仿真環(huán)境。（2）進行使用人機對話語言（Man-Machine Language，MML）語言仿真業(yè)務配置。（3）故障告警和仿真驗證，具體實驗流程如圖2所示。

仿真軟件系統(tǒng)模擬了真實設備的結構，在進行設備組網(wǎng)時，學生面對真實的操作維護臺、設備和建站環(huán)境。MML業(yè)務配置界面完全模擬真實業(yè)務數(shù)據(jù)配置場景，且配置內容和真實配置內容保持一致，學生可以很方便地查看和處理告警，保證業(yè)務互通。

3 ? ?LTE單站組網(wǎng)實驗教學實例分析

長期演進（Long-Term Evolution，LTE）系統(tǒng)以OFDMA多址接入和多天線為主要技術基礎，提供更低時延、更高用戶傳輸速率、增加容量和網(wǎng)絡覆蓋、優(yōu)化網(wǎng)絡結構。整個LTE網(wǎng)絡由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成，核心網(wǎng)由許多邏輯節(jié)點組成，包括分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關（PDN GateWay，PGW）、服務網(wǎng)關（Serving GateWay，SGW）、移動管理實體（Mobile Management，MME）等。在無線接入網(wǎng)結構層面，為了降低用戶面延遲，LTE取消了無線網(wǎng)絡控制器（Radio Network Controller，RNC）只含有eNodeB。

該次實驗的授課對象是四川師范大學物理與電子工程學院2015級電子信息工程專業(yè)的學生，通過前期的學習，學生對通信原理、移動通信原理與系統(tǒng)相關專業(yè)知識有了一定的了解。

3.1 ?實物講解

實驗的第一步，老師會根據(jù)實驗室現(xiàn)有的華為XCN9000L核心網(wǎng)以及DBS3900eNodeB基站進行實物講解，熟悉通信實體的組成和連接方式。教師對設備的機柜、機框、單板等部分進行實物介紹，并伴隨多媒體的直觀演示對它們在網(wǎng)絡中的位置以及其硬件邏輯結構進行簡單分析。例如，學生可以通過現(xiàn)場觀察實物獲知eNodeB的基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU）的主要單板主控傳輸板（Universal Main Processing &Transmission unit，UMPT）、基帶處理板（LTE BaseBand Processing unit，LBBP）的外觀、功能、規(guī)格以及接口信息。講解過程中，教師和學生之間可以良好地互動，老師引導學生將抽象邏輯圖中顯示的各個部件位置和其在實物中的位置進行一一對照，并通過提問的方式了解學生的掌握情況，進行補救教學，確保絕大部分學生理解設備的構成、連接方式以及配置方法。實際網(wǎng)絡的網(wǎng)絡連接和設備如圖3所示。

3.2 ?虛擬組網(wǎng)練習

學生在熟悉實驗室通信網(wǎng)絡設備的性能和配置方法基礎上，使用虛擬仿真軟件進行組網(wǎng)練習，這里的實例為單站模式下網(wǎng)絡的連接配置。通過此次實驗，讓學生熟悉通信網(wǎng)組網(wǎng)方法，硬件邏輯結構、物理板位和網(wǎng)絡參數(shù)。組網(wǎng)過程如下。

3.2.1 ?參數(shù)設置

進行網(wǎng)絡規(guī)劃和基站概預算。需要根據(jù)不同的通信環(huán)境和場景，設置名稱、IP、掩碼以及S1端口號等數(shù)據(jù)，完成正式組網(wǎng)前的設計分析。

3.2.2 ?設備組網(wǎng)

學生啟動軟件，進入單站配置場景，并根據(jù)組網(wǎng)要求進行硬件配置和網(wǎng)絡設置。進行設備組網(wǎng)的具體流程如下：首先，學生直接從庫里拖選需要的設備圖標到配置場景中;其次，選中該模塊進行相關屬性設置;再次，將設備連接組網(wǎng);最后，完成設備組網(wǎng)，界面如圖4所示。

3.2.3 ?數(shù)據(jù)配置

在軟件系統(tǒng)中切換到MML界面進行數(shù)據(jù)配置，配置的方法和過程與進行實物組網(wǎng)時完全一致，包括修改基站參數(shù)、添加運營商、運營商跟蹤區(qū)域信息、按照基站場景中配置進行相應單板配置、增加RRUCHAIN鏈環(huán)、修改RRUCHAIN環(huán)鏈、增加RRU、增加ETHport、設置ETHPORT端口屬性、增加DEVIP、增加IPRT、增加VLANMAP、增加S1SIGIP、增加MME、增加S1SERVIP、增加SGW、增加OMCH網(wǎng)管通道、增加扇區(qū)、創(chuàng)建小區(qū)營運商信息、激活小區(qū)、修改PDSCH配置、增加GPS等23項功能。數(shù)據(jù)配置界面如圖5所示，學生操作情況如圖6所示。

3.3 ?教學總結

本實驗將實驗設備和虛擬仿真平臺相結合，面向大三學生開設LTE虛擬組網(wǎng)實驗，教學過程包括結合實物對照講解、多媒體演示以及采用LTE虛擬組網(wǎng)仿真軟件進行組網(wǎng)練習。

在學生的技能操作過程中，教師對學生進行巡回指導，解答學生的問題，規(guī)范學生的操作，鼓勵學生在實驗過程中查閱書本資料并上網(wǎng)搜索相關文獻進行學習，同時，通過仿真軟件的幫助進行軟件學習。

整個實驗過程分為3個步驟：（1）課前預習相關理論完成預習報告。（2）實驗過程中認真聽講仔細實驗。（3）課后完善報告并進行總結。要求學生盡量獨立思考，培養(yǎng)其解決問題的能力。同時，在確實遇到困難的時候，引導學生進行小組合作學習討論，培養(yǎng)學生協(xié)作能力。

通過實驗報告和課后調查發(fā)現(xiàn)，學生普遍反映這樣的教學方式，將理論和實踐有機結合，便于他們去理解抽象的概念和復雜的網(wǎng)絡結構。通過實驗，學生熟悉了通信設備的配置方法，鍛煉了動手能力。

4 ? ?結語

本文探討了在移動通信組網(wǎng)教學過程中引入虛擬仿真軟件進行教學輔助的可行性和有效性，通過LTE網(wǎng)絡的組網(wǎng)實驗實例展示可以看到，這一改進克服了通信設備價格昂貴，無法大規(guī)模開展實驗的困難。同時，通過開展組網(wǎng)實驗幫助學生理解理論知識，熟悉了實際通信網(wǎng)絡的連接方式和設備配置方法，鍛煉了工程實踐能力，提高了分析解決問題的能力，為日后從事相關工作打下基礎。

[參考文獻]

[1]啜鋼.移動通信原理與系統(tǒng)[M].3版.北京：北京郵電大學出版社，2005.

[2]周曉紅.移動通信虛擬仿真實驗在教學中的應用[J].無線互聯(lián)科技，2017（17）：3-4.

[3]鄭云，吳怡.移動通信虛擬仿真實驗教學中心的建設與管理[J].實驗室研究與探索，2019（3）：127-131.

[4]武一，周亞同，張雯，等.通信工程虛擬仿真實驗教學中心構建及管理[J].實驗技術與管理，2017（5）：218-222.

[5]陳英，王路露，張竹嫻，等.應用型本科院校通信工程專業(yè)虛擬仿真實驗室的建設[J].長沙大學學報，2018（5）：113-115.

[6]劉光燦，萬家波，陳威兵，等.基于現(xiàn)網(wǎng)設備的TD-LTE 4G移動通信實驗教學系統(tǒng)構建[J].實驗技術與管理，2015（10）：74-79.

[7]劉亞豐，蘇莉，吳元喜，等.虛擬仿真實驗教案設計及實踐[J].實驗室研究與探索，2017（3）：185-188.