鄭 云, 吳 怡

(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院, 福建 福州 350117)

在線網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)是一種非常重要的學(xué)習(xí)方式[1],其應(yīng)用之一即為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段,實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)字化和虛擬化[2-4]。從2013年教育部啟動虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作到2016年4月,全國已建設(shè)完成300個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受場地、器件等因素的影響,安全、經(jīng)濟(jì)、直觀、形象,學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)亦有臨場感和沉浸感[5-8]。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更加靈活、易更新、易擴(kuò)展,與慕課、微課、移動學(xué)習(xí)等在線學(xué)習(xí)方式的有效結(jié)合,可開展混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)[9-12]。

在傳統(tǒng)的移動通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴,實(shí)驗(yàn)中設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)工作過程抽象、封閉、不可及,并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備很難支持多人同時(shí)實(shí)驗(yàn),而學(xué)生也不可能去安裝、調(diào)試、維護(hù)運(yùn)營商正在運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)。為了促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化,實(shí)施以學(xué)生為主體的教學(xué)模式,為學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)提供條件,福建省移動通信系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心與大唐移動通信設(shè)備有限公司、中國電信福建分公司以及中郵科通信技術(shù)股份有限公司等企業(yè)密切合作,發(fā)揮通信與網(wǎng)絡(luò)工程系專業(yè)教師的科研優(yōu)勢,開發(fā)了具有鮮明行業(yè)特色的移動通信TD-LTE系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。

1 TD-LTE系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容

移動通信TD-LTE系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程包含一系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,主要有移動通信TD-LTE系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、基站建設(shè)、基站開通、系統(tǒng)路測和系統(tǒng)優(yōu)化,通過在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),使學(xué)生掌握移動通信系統(tǒng)從規(guī)劃、建設(shè)到優(yōu)化的全過程。

移動通信TD-LTE虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程主要面向通信工程、信息工程、電子信息工程、網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)的大三或大四學(xué)生,其中移動通信TD-LTE基站建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)長為3學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括認(rèn)識通信設(shè)備及器材、學(xué)習(xí)基站設(shè)備安裝規(guī)范和基站設(shè)備安裝操作。移動通信TD-LTE基站建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的是通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練,使學(xué)生了解移動通信TD-LTE的基站的建設(shè)過程,掌握企業(yè)級商用機(jī)房的布局,掌握基站設(shè)備的安裝方法、安裝步驟和安裝注意事項(xiàng),為從事通信系統(tǒng)工程技術(shù)、系統(tǒng)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)管理等實(shí)際工作建立基礎(chǔ),培養(yǎng)實(shí)際工作能力。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用引導(dǎo)式、互動式、探究式以及虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法。首先,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室認(rèn)識通信設(shè)備實(shí)物,學(xué)習(xí)通信設(shè)備基本工作原理；然后,通過虛擬仿真方式構(gòu)造出一套逼真的移動現(xiàn)網(wǎng)商用級通信機(jī)房,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握企業(yè)商用機(jī)房的建設(shè)要求、設(shè)備布局；最后,通過互動教學(xué)方式,采用虛擬設(shè)備的人機(jī)交互操作方法,對企業(yè)級通信設(shè)備及其安裝過程進(jìn)行仿真,以虛擬技術(shù)再現(xiàn)設(shè)備安裝過程的重要環(huán)節(jié)。

設(shè)備安裝前可通過仿真實(shí)驗(yàn)界面學(xué)習(xí)主要設(shè)備的安裝規(guī)范,然后開始交互式操作實(shí)驗(yàn)。操作中采用探究式學(xué)習(xí)方法,讓學(xué)生在進(jìn)行機(jī)房建設(shè)、設(shè)備安裝之前，根據(jù)建設(shè)規(guī)范選擇合適的設(shè)備、輔材、工具(選擇錯(cuò)誤時(shí)會得到提示),然后一步步完成主設(shè)備安裝、室外設(shè)備安裝、天線安裝、GPS天線安裝、防雷箱安裝,以及設(shè)備之間的線纜走線。通過虛擬方法,讓學(xué)生體會到真實(shí)的安裝過程。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主要內(nèi)容

移動通信TD-LTE基站安裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由課程實(shí)驗(yàn)仿真平臺和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)兩部分組成。仿真平臺采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備,提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助功能,包括實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的開課管理、實(shí)驗(yàn)庫的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)過程的指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評價(jià)考核、實(shí)驗(yàn)成績統(tǒng)計(jì)查詢等功能,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境提供服務(wù)。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)是利用虛擬仿真技術(shù)建設(shè)和安裝一個(gè)移動基站站點(diǎn),涵蓋移動通信技術(shù)、工程的知識點(diǎn),將知識點(diǎn)生動、準(zhǔn)確地傳達(dá)給學(xué)生。學(xué)生能夠進(jìn)行建設(shè)和安裝移動基站的操作。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:將移動基站站點(diǎn)建設(shè)的整個(gè)過程拆分和細(xì)化,并按照順序演示,搭配相應(yīng)的文字說明,能夠?qū)⒁苿油ㄐ偶夹g(shù)、工程的知識點(diǎn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確地傳達(dá)給學(xué)生。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):教學(xué)內(nèi)容中拆分的細(xì)節(jié)都可反復(fù)、自由操作和練習(xí),如有錯(cuò)誤會得到提示。

實(shí)踐考核:檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果,在無任何提示的情況下,在該系統(tǒng)內(nèi)完成一個(gè)移動基站站點(diǎn)的建設(shè)和開通,有操作過程記錄和考點(diǎn)操作記錄,通過對記錄和考點(diǎn)操作的統(tǒng)計(jì)給出實(shí)驗(yàn)成績。

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

(1) 設(shè)備及輔材認(rèn)知。將實(shí)驗(yàn)中涉及的設(shè)備、輔材、工具單獨(dú)建模,分別能夠進(jìn)行360°全方位的展示,并搭配文字說明。所有模型在該模塊的主界面中平鋪顯示,平鋪顯示的效果應(yīng)該是圖片加名稱,點(diǎn)擊某個(gè)圖片進(jìn)入該對應(yīng)模型的具體展示。

(2) 系統(tǒng)搭建教學(xué)演示。該模塊是演示一個(gè)通信機(jī)房從無到有的搭建過程。要求首先建立一個(gè)空置的機(jī)房內(nèi)景和機(jī)房外景模型,在空置機(jī)房內(nèi)景和外景中,依次將需要建立的設(shè)備和相關(guān)輔材模型逐個(gè)安置在機(jī)房內(nèi)外指定的區(qū)域和位置,完成一個(gè)通信機(jī)房從無到有的搭建,搭建過程伴隨文字解說。

(3) 基站安裝教學(xué)演示。要求按照《移動通信機(jī)房建設(shè)和設(shè)備安裝規(guī)范》中關(guān)于BBU、RRU、天線、GPS天線、防雷箱的安裝步驟和規(guī)范,演示基站安裝到機(jī)柜內(nèi)、基站安裝到室外以及安裝天線、安裝GPS天線、防雷箱走線等詳細(xì)步驟。演示的細(xì)節(jié)甚至包括螺釘、線纜的安裝和位置要求。完成一個(gè)通信基站從無到有的搭建,搭建過程伴隨有文字解說。

(4) 基站安裝實(shí)驗(yàn)及考核。在虛擬安裝過程中,按照安裝規(guī)范選擇合適的設(shè)備、輔材及工具。安裝錯(cuò)誤時(shí)出現(xiàn)提示,學(xué)生經(jīng)過思考、理解,正確選擇后才能進(jìn)行后續(xù)的安裝過程,完成后提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果以備考核。

3 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為3部分內(nèi)容,分別為認(rèn)識通信設(shè)備及器材、學(xué)習(xí)基站設(shè)備的安裝規(guī)范、基站設(shè)備的選擇與安裝操作。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一:認(rèn)識通信設(shè)備及器材。認(rèn)識基站安裝所需要的主要設(shè)備和輔助器材。系統(tǒng)提供了40種器件模型,學(xué)生可以在器材庫中選擇器件,了解器件的外觀與特征。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二:學(xué)習(xí)基站設(shè)備的安裝規(guī)范。在安裝實(shí)驗(yàn)前,學(xué)生先學(xué)習(xí)基站設(shè)備的安裝規(guī)范。系統(tǒng)提供基站設(shè)備的安裝規(guī)范,顯示設(shè)備的安裝信息。系統(tǒng)提供的安裝規(guī)范包括:主設(shè)備BBU安裝規(guī)范、主設(shè)備RRU安裝規(guī)范、主設(shè)備天線安裝規(guī)范、主設(shè)備GPS安裝規(guī)范和主設(shè)備防雷箱安裝規(guī)范。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三:基站設(shè)備的選擇與安裝操作。

(1) 主設(shè)備BBU的安裝。在機(jī)房內(nèi)景中,根據(jù)提示選擇設(shè)備及器件并完成主設(shè)備BBU的安裝。根據(jù)系統(tǒng)的要求,通過以下操作步驟完成安裝:打開機(jī)柜門→裝入BBU設(shè)備→將電源板卡裝入BBU插槽→將NEFF采板卡裝入BBU插槽→將單通道光傳輸板卡裝入BBU插槽→將多通道光傳輸板卡裝入BBU插槽→將散熱板裝入BBU插槽→關(guān)閉機(jī)柜門。

(2) 主設(shè)備RRU的安裝。在機(jī)房外景中,根據(jù)提示選擇相應(yīng)的設(shè)備和器件完成主設(shè)備RRU的安裝。該實(shí)驗(yàn)通過4個(gè)操作步驟完成安裝:安裝RRU掛件→安裝多通道RRU設(shè)備→擰上RRU螺釘→安裝8通道天線。

(3) GPS天線的安裝。在機(jī)房外景中,根據(jù)提示選擇相應(yīng)的設(shè)備及器件,通過7個(gè)操作步驟完成主設(shè)備GPS天線的安裝:安裝GPS掛件→安裝GPS天線→將銅軸電纜接到GPS上→用刀子將纜線剝開→裝上GPS接地套件→用膠布纏好接頭→在線纜的正確位置安裝防雷器。

(4) 主設(shè)備BBU與RRU的連接。在機(jī)房內(nèi)景中,根據(jù)提示選擇相應(yīng)的設(shè)備及器件,完成主設(shè)備BBU與RRU之間的通信連線。該實(shí)驗(yàn)通過6個(gè)操作步驟完成安裝:在機(jī)房主設(shè)備上安裝光模塊→安裝RRU光纜→安裝板狀天線上跳線→安裝網(wǎng)線→連接主設(shè)備直流電源線。

(5) 天線的安裝。用饋線將天線與主設(shè)備RRU連接,接好RRU的連接線,通過8個(gè)操作步驟完成安裝:將7/8饋線安裝到天線的相應(yīng)位置→用熱風(fēng)槍吹熱縮管使其收縮→將7/8饋線安裝到RRU相應(yīng)位置→用熱風(fēng)槍吹熱縮管使其收縮→在RRU中安裝光模塊→接上光纜→接上板狀天線上跳線→安裝RRU接地線。

(6) 防雷箱的安裝。通過3個(gè)操作步驟完成防雷箱的安裝:安裝防雷箱直流電源纜線→安裝RRU電源線→安裝RRU接地電纜。

實(shí)驗(yàn)操作中部分仿真效果圖如2和圖3所示。

圖2 天線的安裝

圖3 防雷箱的安裝

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)架構(gòu)

移動通信TD-LTE基站系統(tǒng)安裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開放運(yùn)行，依托于開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺的支撐,保證用戶能夠隨時(shí)隨地通過瀏覽器訪問該項(xiàng)目,并通過平臺提供的面向用戶的智能指導(dǎo),幫助用戶實(shí)現(xiàn)自主實(shí)驗(yàn),提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開放服務(wù)能力。

開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā),集實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動評價(jià)和教學(xué)管理于一體,具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性。

支撐項(xiàng)目運(yùn)行的平臺及項(xiàng)目運(yùn)行的架構(gòu)共分為5層(見圖4),每一層都為其上層提供服務(wù),直至完成具體模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。

圖4 系統(tǒng)總體構(gòu)架

(1) 數(shù)據(jù)層。移動通信TD-LTE基站系統(tǒng)安裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涉及多種類型虛擬實(shí)驗(yàn)組件及數(shù)據(jù),這里分別設(shè)置虛擬實(shí)驗(yàn)的規(guī)則庫、基礎(chǔ)元件庫、實(shí)驗(yàn)課程庫、典型實(shí)驗(yàn)庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用戶信息等,用來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存放和管理。

(2) 支撐層。支撐層是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與開放共享平臺的核心框架,是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正常開放運(yùn)行的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理。支撐平臺包括安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控、域管理、域間信息服務(wù)等子系統(tǒng)。

(3) 通用服務(wù)層。通用服務(wù)層即開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺軟件,提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件,以便用戶能夠快速在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通用服務(wù)包括:實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、理論知識學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)資源管理、智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動批改、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、教學(xué)效果評估、互動交流、項(xiàng)目開放與共享等,同時(shí)提供相應(yīng)集成接口工具,以便該平臺能夠方便集成第三方的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)入統(tǒng)一管理。

(4) 仿真層。仿真層主要針對該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行器材建模、實(shí)驗(yàn)場景構(gòu)建、虛擬儀器開發(fā)、通用仿真器設(shè)計(jì),為上層提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。

(5) 應(yīng)用層?；诘讓拥姆?wù),最終實(shí)現(xiàn)移動通信TD-LTE基站系統(tǒng)安裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與開放共享。應(yīng)用層具有良好的擴(kuò)展性,可根據(jù)教學(xué)需要,利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的器材模型設(shè)計(jì)各種典型實(shí)驗(yàn),開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。

5 TD-LTE基站建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理

根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展理念,遵循“虛實(shí)互補(bǔ)、能實(shí)不虛,以虛促實(shí)”的原則來建設(shè)移動通信TD-LTE基站系統(tǒng)。為了發(fā)揮在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特殊性能,將采取如下管理措施:

(1) 教學(xué)方式管理。移動通信TD-LTE基站安裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用虛實(shí)結(jié)合的方式。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備了解設(shè)備的構(gòu)造和工作原理,再通過虛擬的360°機(jī)房內(nèi)景、基站外景,學(xué)習(xí)企業(yè)級的機(jī)房建設(shè)及基站設(shè)備的安裝過程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注重學(xué)生的反饋信息,提倡學(xué)生探究式學(xué)習(xí)和自主、合作完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。線上答疑機(jī)制方便學(xué)生及時(shí)討論實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

(2) 開放運(yùn)行管理。建立穩(wěn)定、安全的開放運(yùn)行模式,充分考慮不同學(xué)生接入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的需求,搭建具有開放性、擴(kuò)展性、兼容性和前瞻性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目運(yùn)行平臺。將已開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共享給國內(nèi)其他高校使用,也可以提供給有需要的企業(yè)用于崗前培訓(xùn)?？商峁?4小時(shí)在線實(shí)驗(yàn),支持多個(gè)學(xué)生同時(shí)在線并發(fā)訪問和請求。

(3) 評價(jià)體系管理。將此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)納入相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案和教學(xué)課程,制定教學(xué)效果評價(jià)辦法并持續(xù)改進(jìn)評價(jià)機(jī)制。鼓勵探索有利于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開放共享的教學(xué)績效激勵機(jī)制,探索建立高校間相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目成績互認(rèn)、學(xué)分轉(zhuǎn)換機(jī)制。

6 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目彌補(bǔ)了移動通信課程教學(xué)無法開設(shè)基站設(shè)備安裝實(shí)驗(yàn)的缺陷,通過3D建模的企業(yè)級機(jī)房實(shí)景,使學(xué)生生動而真實(shí)地學(xué)習(xí)到企業(yè)級機(jī)房的布局情況,加深對通信設(shè)備的認(rèn)知與掌握。通過學(xué)習(xí)設(shè)備安裝規(guī)范以及進(jìn)行模擬安裝實(shí)驗(yàn),學(xué)生易于掌握建設(shè)與開通移動基站站點(diǎn)的過程。經(jīng)過虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的學(xué)生具備了更強(qiáng)的工程實(shí)踐能力,更能適應(yīng)企業(yè)的工程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)維護(hù)等工作崗位需求。此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還需要增加移動通信系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、路測、優(yōu)化等內(nèi)容,平臺也需持續(xù)更新,為國家和社會培養(yǎng)更多的專業(yè)技術(shù)型人才。