5G業(yè)務(wù)融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡圣波 雷濤 貢慶 王永容 施燕峰

摘? 要? 5G業(yè)務(wù)融合是通信工程專業(yè)移動(dòng)通信與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化課程的重要內(nèi)容。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)5G業(yè)務(wù)融合實(shí)驗(yàn)課程可降低實(shí)驗(yàn)成本，易于運(yùn)行維護(hù)。課程引入高清視頻切片、手機(jī)切片、海量物聯(lián)網(wǎng)切片和任務(wù)關(guān)鍵性物聯(lián)網(wǎng)切片等要素，搭建無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)等多元應(yīng)用場(chǎng)景，以5G基站、核心網(wǎng)云、AAU、GPS等5G移動(dòng)通信系統(tǒng)為主要內(nèi)容，接入OTN、EPON和NGN軟交換等設(shè)備，學(xué)生既能學(xué)習(xí)以5G為核心的移動(dòng)通信技術(shù)，又能加深對(duì)移動(dòng)通信應(yīng)用場(chǎng)景的理解，熟悉多業(yè)務(wù)接入的5G移動(dòng)通信融合背景，從而有助于學(xué)習(xí)移動(dòng)通信與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化課程，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)發(fā)展的認(rèn)識(shí)，提升工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)能力。

關(guān)鍵詞? 5G;移動(dòng)通信與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化;虛擬現(xiàn)實(shí);虛擬仿真

實(shí)驗(yàn);5G業(yè)務(wù)融合

中圖分類號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）06-0142-04

0? 引言

移動(dòng)通信與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化課程是通信工程專業(yè)重要核心課程之一。與電路、信號(hào)系統(tǒng)、電子電路等電工電子基礎(chǔ)課程相對(duì)穩(wěn)定不一樣，移動(dòng)通信與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化課程必須反映移動(dòng)通信技術(shù)的最新發(fā)展，必須不斷更新知識(shí)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)手段。特別地，在5G時(shí)代的今天和新工科背景下，如何低成本、低消耗、無(wú)安全隱患地讓學(xué)生掌握以5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為核心的移動(dòng)通信承載網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、優(yōu)化、應(yīng)用等全過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，無(wú)疑是地方普通高校通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)必須面對(duì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）等新一代信息技術(shù)迅猛發(fā)展，而VR技術(shù)因其具有的沉浸性、交互性、多感知性、自主性等特征，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越得到重視[1-2]。其中，應(yīng)用VR技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，在解決因成本、消耗、安全隱患等問(wèn)題而無(wú)法開(kāi)展的課程實(shí)驗(yàn)方面發(fā)揮了重要作用，同樣受到國(guó)內(nèi)高校的普遍關(guān)注。如針對(duì)化工實(shí)驗(yàn)本身潛在較大安全隱患，陶弈芹等[3]認(rèn)為：借助虛擬仿真技術(shù)將化工生產(chǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)移到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，成為不少高校解決教學(xué)中“看多動(dòng)少”難題的優(yōu)先選擇。劉煥衛(wèi)等[4]采用虛擬仿真技術(shù)開(kāi)展制冷壓縮機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)課程改革，有效地解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足問(wèn)題，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。而針對(duì)采用物理實(shí)物設(shè)備開(kāi)展移動(dòng)通信與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化課程實(shí)驗(yàn)成本高、難以維護(hù)等的問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)同樣引起重視。如李婷等[5]設(shè)計(jì)了5G基站工程實(shí)施仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鄭云等[6]則提出移動(dòng)通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)與管理思路。

綜上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)現(xiàn)低成本、低消耗、無(wú)安全隱患課程實(shí)驗(yàn)方面作用越發(fā)明顯，也越發(fā)重要。本文從5G的eMBB、mMTC、uRLLC三個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)[7]，采用Unity 3D和Visual Studio等工具，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程。課程采用虛擬仿真的方式，引入高清視頻切片、手機(jī)切片、海量物聯(lián)網(wǎng)切片和任務(wù)關(guān)鍵性物聯(lián)網(wǎng)切片等要素，搭建無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)等多元應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)課程綜合設(shè)計(jì)，以5G基站、核心網(wǎng)云、AAU、GPS等5G移動(dòng)通信系統(tǒng)為主要內(nèi)容，接入OTN、EPON和NGN軟交換等設(shè)備，讓學(xué)生既能學(xué)習(xí)以5G為核心的移動(dòng)通信技術(shù)，又能加深對(duì)移動(dòng)通信應(yīng)用場(chǎng)景的理解，熟悉多業(yè)務(wù)接入的5G移動(dòng)通信融合背景，從而加強(qiáng)對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)發(fā)展的認(rèn)識(shí)，提升工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)能力。

1? 設(shè)計(jì)思想

本課程支持移動(dòng)通信場(chǎng)景選擇、數(shù)據(jù)規(guī)劃、設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)配置、測(cè)試驗(yàn)證、項(xiàng)目提交的項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程。課程內(nèi)容包含的設(shè)備模塊有5G基站設(shè)備、5G核心網(wǎng)云設(shè)備、OTN光傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、手機(jī)終端等，支持系統(tǒng)搭建完成后進(jìn)行VR查看，同時(shí)支持調(diào)試后的業(yè)務(wù)驗(yàn)證、告警處理及協(xié)議分析。課程立足于通信工程等專業(yè)教學(xué)需求，學(xué)生可完整掌握移動(dòng)通信項(xiàng)目的實(shí)施全過(guò)程，從而更加熟練地掌握移動(dòng)通信理論和方法。

課程具有將理論知識(shí)與現(xiàn)實(shí)設(shè)備融合，化抽象為具體，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解等特點(diǎn)，全面覆蓋通信網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，構(gòu)建通信大網(wǎng)，幫助學(xué)生形成通信網(wǎng)絡(luò)體系，以綜合培養(yǎng)學(xué)生在5G承載網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生掌握最新的移動(dòng)通信技術(shù)。

2? 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在Windows Server和SQL Server環(huán)境下，采用Unity 3D和Visual Studio等開(kāi)發(fā)工具，運(yùn)用C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，完成本實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)發(fā)，課程系統(tǒng)如圖1所示。

課程內(nèi)容包括5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)、光傳輸技術(shù)等知識(shí)點(diǎn)，各知識(shí)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。課程系統(tǒng)包括五個(gè)知識(shí)模塊。

2.1? Massive MIMO

Massive MIMO知識(shí)模塊由射頻收發(fā)單元陣列、射頻分配網(wǎng)絡(luò)和多天線陣列組成。其中，射頻收發(fā)單元陣列包含多個(gè)發(fā)射單元和接收單元。發(fā)射單元獲得基帶輸入并提供射頻發(fā)送輸出，射頻發(fā)送輸出將通過(guò)射頻分配網(wǎng)絡(luò)分配到天線陣列，接收單元執(zhí)行與發(fā)射單元操作相反的工作;射頻分配網(wǎng)絡(luò)則將輸出信號(hào)分配到相應(yīng)天線路徑和天線單元，并將天線的輸入信號(hào)分配到相反的方向;而多天線陣列可包括各種實(shí)現(xiàn)和配置，如極化、空間分離等。

2.2? 扇區(qū)

扇區(qū)就是這個(gè)基站有幾個(gè)方向的天線。一般有全向基站，可以理解為信號(hào)360°發(fā)射，就是一個(gè)扇區(qū)。定向基站，信號(hào)向某個(gè)方向發(fā)射，周?chē)?60°方向根據(jù)需要覆蓋，一般分為三個(gè)扇區(qū);個(gè)別情況下，會(huì)有兩個(gè)或大于三個(gè)的扇區(qū)。現(xiàn)有基站扇區(qū)劃分一般來(lái)說(shuō)正北方向?yàn)橐簧葏^(qū)，順時(shí)針120°方向?yàn)槎葏^(qū)，240°方向?yàn)槿葏^(qū)。根據(jù)實(shí)際情況也可增加扇區(qū)和調(diào)整扇區(qū)覆蓋角度。

2.3? SCTP協(xié)議

串流控制傳輸協(xié)議（Stream Control Transmi-ssion Protocol，SCTP）是一個(gè)面向連接的流傳輸協(xié)議，可以在兩個(gè)端點(diǎn)之間提供穩(wěn)定、有序的數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)。SCTP協(xié)議提供的服務(wù)包括：確認(rèn)用戶數(shù)據(jù)的無(wú)錯(cuò)誤和無(wú)復(fù)制傳輸;數(shù)據(jù)分段以符合發(fā)現(xiàn)路徑最大傳輸單元的大小;在多數(shù)據(jù)流中用戶信息的有序發(fā)送，帶有一個(gè)選項(xiàng)，用戶信息可以按到達(dá)順序發(fā)送;選擇性地將多個(gè)用戶信息綁定到單個(gè)SCTP包;通過(guò)關(guān)聯(lián)的一個(gè)終端或兩個(gè)終端多重宿主支持來(lái)為網(wǎng)絡(luò)故障規(guī)定容度。

2.4? 5G網(wǎng)絡(luò)切片

5G網(wǎng)絡(luò)切片，就是將5G網(wǎng)絡(luò)切出多張?zhí)摂M網(wǎng)絡(luò)，從而支持更多業(yè)務(wù)。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)被切成圖3所示的四片。

2.4.1? 高清視頻切片? 原來(lái)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)字單元（DU）和部分核心網(wǎng)功能被虛擬化后，加上存儲(chǔ)服務(wù)器，統(tǒng)一放入邊緣云，而部分被虛擬化的核心網(wǎng)功能放入核心云。

2.4.2? 手機(jī)切片? 原網(wǎng)絡(luò)無(wú)線接入部分的數(shù)字單元（DU）被虛擬化后，放入邊緣云，而原網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)功能，包括IMS，被虛擬化后放入核心云。

2.4.3? 海量物聯(lián)網(wǎng)切片? 由于大部分傳感器都是靜止不動(dòng)的，并不需要移動(dòng)性管理，在這一切片里，核心云的任務(wù)相對(duì)輕松簡(jiǎn)單。

2.4.4? 任務(wù)關(guān)鍵性物聯(lián)網(wǎng)切片? 由于對(duì)時(shí)延要求很高，為了最小化端到端時(shí)延，原網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)功能和相關(guān)服務(wù)器均下沉到邊緣云。

2.5? LTE FDD傳播模型

LTE FDD無(wú)線傳播模型主要有奧村模型和哈塔模型。哈塔模型主要適用在2G范圍。根據(jù)不同的使用頻率范圍，又將哈塔傳播模型分為奧村-哈塔傳播模型和Cost231-哈塔傳播模型。前者適用的頻率范圍為150～150 MHz，后者適用的頻率范圍擴(kuò)展到2 GHz。

3? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)方法

本課程依托貴州師范大學(xué)通信工程實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有軟硬件實(shí)驗(yàn)資源，采取虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)手段，采用引導(dǎo)式、互動(dòng)式、探究式教學(xué)方法，輔助學(xué)生開(kāi)展融合通信網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、部署、測(cè)試等實(shí)踐訓(xùn)練，大力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

3.1? 實(shí)驗(yàn)課程

本實(shí)驗(yàn)課時(shí)為4課時(shí)，采取1+3模式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即1課時(shí)的自主學(xué)習(xí)+3課時(shí)的實(shí)踐操作。在軟件中設(shè)置實(shí)驗(yàn)原理及相關(guān)設(shè)備簡(jiǎn)介模塊，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)前通過(guò)自主學(xué)習(xí)、教師答疑的方式開(kāi)展理論學(xué)習(xí)，并錄制部分教學(xué)視頻供學(xué)生參考以彌補(bǔ)遠(yuǎn)程教學(xué)之不足。實(shí)踐操作部分分為三個(gè)層次開(kāi)展：首先，要求學(xué)生完成指定的基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);其次，引導(dǎo)學(xué)生在基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，設(shè)計(jì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò);最后，較為優(yōu)秀的學(xué)生通過(guò)討論、探究等方式開(kāi)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)，自行設(shè)計(jì)新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能業(yè)務(wù)。同時(shí)，針對(duì)三個(gè)層次制定不同的考核標(biāo)準(zhǔn)，給予多元化的考核評(píng)價(jià)。

本課程可通過(guò)理論授課的形式或在線資源共享學(xué)習(xí)的形式，教導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行通信課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)規(guī)劃—安裝—調(diào)試—驗(yàn)證的過(guò)程，使學(xué)生了解5G業(yè)務(wù)融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的理論基礎(chǔ)，掌握通信課程的拓?fù)湫问?、組網(wǎng)構(gòu)成及業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)虛擬仿真通信課程過(guò)程中，將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際更好地結(jié)合，更好地進(jìn)行融合通信課程方面的學(xué)習(xí)。

實(shí)施過(guò)程如圖4所示，描述如下：

1）學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、教師授課、教師答疑等方式學(xué)習(xí)基礎(chǔ)原理知識(shí)，包括5G移動(dòng)通信技術(shù)、傳輸技術(shù)、軟交換技術(shù)等;

2）指導(dǎo)學(xué)生搭建綜合通信網(wǎng)絡(luò)，分析工程建設(shè)需求與設(shè)計(jì)規(guī)劃;

3）學(xué)生按照實(shí)際課程進(jìn)程，按照數(shù)據(jù)規(guī)劃—場(chǎng)景選擇—設(shè)備安裝—設(shè)備調(diào)試—驗(yàn)證告警—課程提交，可以在仿真過(guò)程中了解課程實(shí)施的整體過(guò)程。

3.2? 實(shí)驗(yàn)方法

5G業(yè)務(wù)融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是從課程的角度出發(fā)，學(xué)生可以通過(guò)軟件模擬課程實(shí)施的整個(gè)過(guò)程，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)實(shí)施的整體流程是：數(shù)據(jù)規(guī)劃—場(chǎng)景選擇—設(shè)備安裝—單板安裝—設(shè)備連線—集中網(wǎng)管—參數(shù)配置—設(shè)備告警—結(jié)果驗(yàn)證—系統(tǒng)協(xié)議—實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生在虛擬仿真通信課程的整個(gè)過(guò)程中，對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)知識(shí)（包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、數(shù)據(jù)配置、系統(tǒng)優(yōu)化）可以有進(jìn)一步的深刻理解。

其中，場(chǎng)景規(guī)劃提供學(xué)校所造大學(xué)城、城市中心、城市小區(qū)、郊區(qū)野外、鄉(xiāng)村野外等五個(gè)實(shí)驗(yàn)主場(chǎng)景;設(shè)備安裝的設(shè)備則包括5G核心網(wǎng)云、5G基站、OTN、手機(jī)等，其中5G核心網(wǎng)云、OTN安裝在大學(xué)城的中心機(jī)房，5G基站、手機(jī)安裝在城市中心的樓頂機(jī)房，無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)則安裝在城市中心的場(chǎng)景中等。

4? 結(jié)語(yǔ)

自2019年開(kāi)始建設(shè)5G業(yè)務(wù)融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以來(lái)，通過(guò)引入虛擬仿真技術(shù)，貴州師范大學(xué)全面推動(dòng)新工科背景下利用信息化條件開(kāi)展學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等移動(dòng)通信與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。通過(guò)5G業(yè)務(wù)融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，通信工程專業(yè)大部分學(xué)生能較好地掌握以5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為核心的移動(dòng)通信承載網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、優(yōu)化、應(yīng)用等全過(guò)程，學(xué)習(xí)專業(yè)興趣更濃，考研率、各類科技競(jìng)賽獲獎(jiǎng)率明顯提升，不少學(xué)生先后到中興通訊、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信等知名電信設(shè)備提供商、運(yùn)營(yíng)商就業(yè)?？梢?jiàn)，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，應(yīng)是地方普通高校通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)、提高學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的重要選擇。■

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*項(xiàng)目來(lái)源：教育部新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“面向新一代信息技術(shù)的跨類專業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)改革實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：0919001）。

作者：胡圣波，貴州師范大學(xué)，教授，研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控通信、無(wú)線電通信與組網(wǎng)、天基物聯(lián)網(wǎng);雷濤，貴州師范大學(xué)，副教授，研究方向?yàn)槲⒉ㄅc通信、新型電磁材料;貢慶，貴州師范大學(xué)，講師，研究方向?yàn)樘旎仫w行雷達(dá);王永容，貴州師范大學(xué)，講師，研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控通信;施燕峰，貴州師范大學(xué)，講師，研究方式為微波與通信（550025）。