衛(wèi)萌菡 魏明露 左億

摘 ? 要：在“移動(dòng)通信”課程的教學(xué)過(guò)程中，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)硬件條件受限，所以面向?qū)W生開(kāi)設(shè)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)非常困難。文章根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的通信設(shè)備，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行組網(wǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)，并以LTE單站組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該教學(xué)方法將理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生不僅理解了抽象的概念和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且熟悉了通信設(shè)備的配置方法。能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，鍛煉動(dòng)手能力，從而極大地提高了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真;移動(dòng)通信組網(wǎng)

近年來(lái)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)蓬勃發(fā)展，急需大量的通信人才。如何讓學(xué)生在掌握移動(dòng)通信基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，緊跟通信技術(shù)的發(fā)展步伐，熟悉實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其使用方法，能夠更好地理論聯(lián)系實(shí)際，是亟待解決的難題。四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院面向通信工程和電子信息工程專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)了“移動(dòng)通信”課程，其中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)是該課程的重要內(nèi)容之一。由于“移動(dòng)通信”的基本理論抽象，組網(wǎng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，單靠教師課堂講授來(lái)指導(dǎo)學(xué)生，效果不直觀。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多采用實(shí)驗(yàn)箱的方式進(jìn)行[1]，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴煜ふ{(diào)制解調(diào)等技術(shù)，卻很難建立網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的概念。因此，四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院購(gòu)置商用設(shè)備，面向?qū)W生開(kāi)設(shè)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，并逐步開(kāi)設(shè)虛擬組網(wǎng)的內(nèi)容，采用虛實(shí)結(jié)合的方法培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和設(shè)計(jì)分析能力。

1 ? ?移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行教學(xué)，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格較低，學(xué)生通過(guò)觀察波形可以較好地理解移動(dòng)通信原理和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]，缺點(diǎn)是缺乏對(duì)通信實(shí)體的認(rèn)識(shí)。采用實(shí)物組網(wǎng)克服了傳統(tǒng)移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用實(shí)驗(yàn)箱導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法建立通信網(wǎng)絡(luò)整體觀的缺陷。然而，實(shí)物組網(wǎng)需要涉及大量設(shè)備，通信設(shè)備價(jià)格高昂，盡管實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置了華為L(zhǎng)TE基站、核心網(wǎng)以及其他交換傳輸?shù)仍O(shè)備，但是因?yàn)槭巧逃迷O(shè)備，數(shù)量無(wú)法滿足同時(shí)多人次的組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能排隊(duì)等待，逐一上傳數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備配置。因?yàn)檫B線復(fù)雜，完成從硬件架設(shè)和連接，配置設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成組網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)流程較長(zhǎng)[3-4]。

采用仿真軟件，學(xué)生在前期掌握了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及各部分設(shè)備的基礎(chǔ)知識(shí)之后，可以較快地進(jìn)行組網(wǎng)和設(shè)備配置練習(xí)，加深了對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)。采用仿真軟件進(jìn)行虛擬組網(wǎng)，不會(huì)受到設(shè)備高昂的約束，學(xué)生可以選用各種通信設(shè)備進(jìn)行自由組網(wǎng)練習(xí)[5-7]。通過(guò)在“移動(dòng)通信”課程中開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真教學(xué)，仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、優(yōu)化配置，全面提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、解決復(fù)雜問(wèn)題的能力和協(xié)同合作能力。

2 ? ?虛擬組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

目前采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由深圳訊方技術(shù)股份有限公司開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)，采用客戶端/服務(wù)端模式（Client/Server，C/S）架構(gòu)，架構(gòu)如圖1所示。所有客戶端（學(xué)生端）必須登錄服務(wù)端（教師端）才能進(jìn)入系統(tǒng)，且在服務(wù)端控制學(xué)生終端連接數(shù)量。實(shí)驗(yàn)流程大致如下：（1）進(jìn)行設(shè)備組網(wǎng)搭建仿真環(huán)境。（2）進(jìn)行使用人機(jī)對(duì)話語(yǔ)言（Man-Machine Language，MML）語(yǔ)言仿真業(yè)務(wù)配置。（3）故障告警和仿真驗(yàn)證，具體實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

仿真軟件系統(tǒng)模擬了真實(shí)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行設(shè)備組網(wǎng)時(shí)，學(xué)生面對(duì)真實(shí)的操作維護(hù)臺(tái)、設(shè)備和建站環(huán)境。MML業(yè)務(wù)配置界面完全模擬真實(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)配置場(chǎng)景，且配置內(nèi)容和真實(shí)配置內(nèi)容保持一致，學(xué)生可以很方便地查看和處理告警，保證業(yè)務(wù)互通。

3 ? ?LTE單站組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例分析

長(zhǎng)期演進(jìn)（Long-Term Evolution，LTE）系統(tǒng)以O(shè)FDMA多址接入和多天線為主要技術(shù)基礎(chǔ)，提供更低時(shí)延、更高用戶傳輸速率、增加容量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。整個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成，核心網(wǎng)由許多邏輯節(jié)點(diǎn)組成，包括分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（PDN GateWay，PGW）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving GateWay，SGW）、移動(dòng)管理實(shí)體（Mobile Management，MME）等。在無(wú)線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)層面，為了降低用戶面延遲，LTE取消了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（Radio Network Controller，RNC）只含有eNodeB。

該次實(shí)驗(yàn)的授課對(duì)象是四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院2015級(jí)電子信息工程專業(yè)的學(xué)生，通過(guò)前期的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)通信原理、移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)知識(shí)有了一定的了解。

3.1 ?實(shí)物講解

實(shí)驗(yàn)的第一步，老師會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的華為XCN9000L核心網(wǎng)以及DBS3900eNodeB基站進(jìn)行實(shí)物講解，熟悉通信實(shí)體的組成和連接方式。教師對(duì)設(shè)備的機(jī)柜、機(jī)框、單板等部分進(jìn)行實(shí)物介紹，并伴隨多媒體的直觀演示對(duì)它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中的位置以及其硬件邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。例如，學(xué)生可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察實(shí)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(guò)程中，教師和學(xué)生之間可以良好地互動(dòng)，老師引導(dǎo)學(xué)生將抽象邏輯圖中顯示的各個(gè)部件位置和其在實(shí)物中的位置進(jìn)行一一對(duì)照，并通過(guò)提問(wèn)的方式了解學(xué)生的掌握情況，進(jìn)行補(bǔ)救教學(xué)，確保絕大部分學(xué)生理解設(shè)備的構(gòu)成、連接方式以及配置方法。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接和設(shè)備如圖3所示。

3.2 ?虛擬組網(wǎng)練習(xí)

學(xué)生在熟悉實(shí)驗(yàn)室通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能和配置方法基礎(chǔ)上，使用虛擬仿真軟件進(jìn)行組網(wǎng)練習(xí)，這里的實(shí)例為單站模式下網(wǎng)絡(luò)的連接配置。通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生熟悉通信網(wǎng)組網(wǎng)方法，硬件邏輯結(jié)構(gòu)、物理板位和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。組網(wǎng)過(guò)程如下。

3.2.1 ?參數(shù)設(shè)置

進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和基站概預(yù)算。需要根據(jù)不同的通信環(huán)境和場(chǎng)景，設(shè)置名稱、IP、掩碼以及S1端口號(hào)等數(shù)據(jù)，完成正式組網(wǎng)前的設(shè)計(jì)分析。

3.2.2 ?設(shè)備組網(wǎng)

學(xué)生啟動(dòng)軟件，進(jìn)入單站配置場(chǎng)景，并根據(jù)組網(wǎng)要求進(jìn)行硬件配置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。進(jìn)行設(shè)備組網(wǎng)的具體流程如下：首先，學(xué)生直接從庫(kù)里拖選需要的設(shè)備圖標(biāo)到配置場(chǎng)景中;其次，選中該模塊進(jìn)行相關(guān)屬性設(shè)置;再次，將設(shè)備連接組網(wǎng);最后，完成設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)配置，配置的方法和過(guò)程與進(jìn)行實(shí)物組網(wǎng)時(shí)完全一致，包括修改基站參數(shù)、添加運(yùn)營(yíng)商、運(yùn)營(yíng)商跟蹤區(qū)域信息、按照基站場(chǎng)景中配置進(jìn)行相應(yīng)單板配置、增加RRUCHAIN鏈環(huán)、修改RRUCHAIN環(huán)鏈、增加RRU、增加ETHport、設(shè)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(yíng)運(yùn)商信息、激活小區(qū)、修改PDSCH配置、增加GPS等23項(xiàng)功能。數(shù)據(jù)配置界面如圖5所示，學(xué)生操作情況如圖6所示。

3.3 ?教學(xué)總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬仿真平臺(tái)相結(jié)合，面向大三學(xué)生開(kāi)設(shè)LTE虛擬組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)過(guò)程包括結(jié)合實(shí)物對(duì)照講解、多媒體演示以及采用LTE虛擬組網(wǎng)仿真軟件進(jìn)行組網(wǎng)練習(xí)。

在學(xué)生的技能操作過(guò)程中，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行巡回指導(dǎo)，解答學(xué)生的問(wèn)題，規(guī)范學(xué)生的操作，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中查閱書(shū)本資料并上網(wǎng)搜索相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時(shí)，通過(guò)仿真軟件的幫助進(jìn)行軟件學(xué)習(xí)。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為3個(gè)步驟：（1）課前預(yù)習(xí)相關(guān)理論完成預(yù)習(xí)報(bào)告。（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中認(rèn)真聽(tīng)講仔細(xì)實(shí)驗(yàn)。（3）課后完善報(bào)告并進(jìn)行總結(jié)。要求學(xué)生盡量獨(dú)立思考，培養(yǎng)其解決問(wèn)題的能力。同時(shí)，在確實(shí)遇到困難的時(shí)候，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)討論，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作能力。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍反映這樣的教學(xué)方式，將理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，便于他們?nèi)ダ斫獬橄蟮母拍詈蛷?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生熟悉了通信設(shè)備的配置方法，鍛煉了動(dòng)手能力。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文探討了在移動(dòng)通信組網(wǎng)教學(xué)過(guò)程中引入虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué)輔助的可行性和有效性，通過(guò)LTE網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)例展示可以看到，這一改進(jìn)克服了通信設(shè)備價(jià)格昂貴，無(wú)法大規(guī)模開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的困難。同時(shí)，通過(guò)開(kāi)展組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解理論知識(shí)，熟悉了實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)的連接方式和設(shè)備配置方法，鍛煉了工程實(shí)踐能力，提高了分析解決問(wèn)題的能力，為日后從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

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