高校4G移动通信创新实验平台的建设与应用

彭 宏， 应颂翔， 徐志江， 孟利民

(浙江工业大学 信息工程学院， 浙江省通信网应用技术研究重点实验室, 浙江 杭州 310023)



高校4G移动通信创新实验平台的建设与应用

彭 宏， 应颂翔， 徐志江， 孟利民

(浙江工业大学 信息工程学院， 浙江省通信网应用技术研究重点实验室, 浙江 杭州 310023)

针对现代通信技术发展趋势及社会对通信工程人才的需求，培养掌握专业领域前沿技术的高素质技能人才，深化专业内涵建设，建设符合技术发展趋势并有一定前瞻性，融合实践和创新为一体的专业能力与创新实践平台势在必行。本文围绕CDIO工程教育模式理念和视频监控强省的行业特设，提出了一个开放型、可升级、可扩展的移动通信创新实验平台，充分体现现代移动通信技术在行业中的应用，支持创新实验平台的可持续发展。结合浙江工业大学通信工程专业创新实验平台的建设实践，阐述了实验平台的建设思路和建设方案。该实验平台着眼于培养学生的创新能力和综合实践能力，对国内高校通信类专业的实践教学平台建设起参考和示范作用。

4G移动通信； 创新实验平台； CDIO； 实践教学体系

0 引 言

全球4G网络从2009～2010年开始进入全面部署和运营时期，并保持了非常快速的发展态势。从用户的规模来看，4G用户数在2014年一季度已经达到了2.5亿；从收入来看，2014年，4G网络服务的收入预计可以超过1 000亿美元，到2020年，将达到7 755亿美元，期间将保持每年40%的年均增长率[1]。

随着通信技术的迅猛发展以及我国4G牌照的发放，通信行业对工程技术人才的需求标准越来越高，需求数量越来越大，未来几年将会持续增长。除了作为个人通信外，智能移动终端作为消费电子中应用最为广泛的终端产品，在行业应用上同样具有广阔的空间，如视频监控、平安城市、警务通、智能电网、智能农业、智能家居、现场报道等。移动通信技术的飞速发展，要求实验设备必须与先进技术同行。电子通信类专业是理论性和实践性都很强的学科，对学生的学习能力、动手能力和创新能力要求很高，同时新技术的发展对教师的专业能力也提出了更高的要求。构思、设计、实施和运作(Conceive、Design、Implement、Operate，CDIO)以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程[2-4]。为了培养能够适应现代通信技术发展要求的工程人才，为了适应通信工程专业的教师科研需求及学生工程实践能力培养的需要，本文围绕CDIO国际工程教育模式理念和视频监控强省的行业特设，以提升教研室的科研创新水平、加强学生创新能力和工程实践能力的培养、打造专业特色、并为企业培养高素质应用型工程技术人才，提出并开发了一个开放型、可升级、可扩展的移动通信创新实验平台。

1 基于CDIO理念的创新实验平台建设方案

4G将促进未来移动互联网的多层次、全方位的融合；4G的普及与发展，必将带来移动互联网新一轮的发展高峰，激发移动互联网的开放式创新。与时俱进地进行通信专业教学改革，将理论教学与实践教学的有机融合[5-6]，参考以往的现代通信技术综合实训[7-8]、物联网建设[9]、电工电子实训[4, 10]等成功的教学模式，以及结合浙江省视频监控行业强省和地方高校服务于地方经济建设的宗旨，提出了平台的建设目标、思路和方案。

1.1 平台建设的目标与思路

培养的目标是：培养具有扎实的通信工程理论基础和较强的实践与应用能力，知识面宽，学习和适应能力强；具备通信技术、通信系统和网络等方面的知识，能在通信领域从事科研、设计、制造、运营、开发、维护等各项工作；具有创新精神、创业意识和广阔视野的高素质复合型人才。移动通信行业的迅速发展，第四代移动通信实现商用，4G市场正在蓬勃发展，移动互联网时代已经到来。为紧跟科技步伐，培养掌握专业领域前沿技术的高素质技能人才，深化专业内涵建设，建设符合技术发展趋势并有一定前瞻性，融合实践和创新为一体的专业能力与创新实践基地势在必行。

建设方案的思路是：针对现有实训内容缺乏行业应用背景、教学模式单一落后、对新技术引入不够的问题，提出了基于4G移动通信网络和面向公共安全、智能家居、智能交通等行业应用背景的创新实验平台。为了满足现代通信技术的快速发展对人才的大量需求，建设一个覆盖面广、与行业应用紧密结合、技术先进，符合高素质综合型人才培养目标的通信专业创新实验平台，提出了主要的建设思路：

(1) 结合CDIO国际工程教育理念，提升实验室水平。以通信重点学科为依托[11]，使专业建设、学科建设与实验室建设相协调。按照CDIO国际工程教育理念的模式建设创新工程实践实验室，继续坚持以“工程应用型”作为现代通信人才培养目标，以学生为本，完善以知识传授、能力培养、素质提高为核心，以大通信的视野，在实验内容、实验方法、实验设备和实验技术等方面紧密跟踪学科发展前沿，并不断创新、提高和完善。将CDIO的教育理念运用于实训教学中,以实训项目的构思、 设计、实现和运作的过程培养学生。

(2) 推进教学研究与改革。配合课程改革，在学生中全面推进创新实践教育活动，再结合电子设计竞赛、挑战杯等全国性大学生学科竞赛指导教学工作，以此为教学研究与改革的素材，结合多年来已取得的教学成果有望获得培养创新实践人才的新思路、新方法。

(3) 促进师资培育和学科建设。该实验平台不但是教师实施教学的场所，而且更是教师进行科研的场所。利用平台提供的软硬件条件，教师带领学生研究前沿课题，既可发展教师教学和科研水平，又可带动学生创新实践整体水平的提高，同时也能推进学科在全国范围内的地位，一举多得。

(4) 扩大创新实践人才培养规模。利用该实验室环境建设一个多功能的校内实验实习基地；重点满足通信工程、电子信息工程等专业的实验与实习实训任务。并逐步将实验室建设为开放实验室，可保障更多的学生参与到创新实践教育活动中来，使扩大创新人才培养规模成为可能。当创新实践人才培养形成规模后，不但有利于提升整体的学生创新实践能力，而且更利于卓越人才的发现和选拔。

1.2 平台建设方案

提出的基于4G(TD-LTE)移动通信网络的开放式工程实践平台，系统构架如图1所示。建设方案主要由三部分组成：4G(TD-LTE)移动通信网络、面向应用的智能移动终端和CDIO创新与工程实践软件。

(1) 4G(TD-LTE)移动通信网络。包括核心网和接入网。包括基带模块、射频收发模块、天线模块、4G核心网网关等。该网络中，多个移动终端在脱离公网的情况下，实现网内语音通信、短信收发、视频通话、高速数据上传、高速数据下载、在线视频等业务。建设一个开放型、可升级、可扩展的移动通信实验室。

(2) 面向应用的智能移动终端开发平台。基于移动通信行业应用，建设3种基于不同应用的终端开发平台，包括4G智能移动终端开发平台、4G移动视频创新和物联网创新开发平台，充分体现现代移动通信技术在行业中的应用，支持创新实验的可持续发展。

(3) CDIO创新与工程实践软件。CDIO模式培养的不仅仅是技术专家，而且是能在现代组织管理模式和市场运行机制下从事产品系统开发的工程师，具有强烈社会责任感的工程人才。CDIO教育模式以产业需求为导向，教学内容和方法与产业发展同步，理论和实践相结合，以培养适应产业发展的合格的工程人才为目标[12]。CDIO模式要求学生具备通过构思、设计、实施、运行这4个环节进行产品系统开发的能力，以项目为导向，把学科知识与真实的产品研发实践结合起来。同时CDIO模式要求教师具有较好的工程实践能力，能够根据技术创新的步伐不断更新工程能力。

图1 4G移动通信创新实验与工程实践平台总体框图

2 创新实验平台的内容与实现

移动通信行业的迅速发展，第四代移动通信实现商用，4G市场正在蓬勃发展，移动互联网时代已经到来。为紧跟科技步伐，培养掌握专业领域前沿技术的高素质技能人才，深化专业内涵建设，建设符合技术发展趋势并有一定前瞻性，融合实践和创新为一体的专业能力与创新实践基地势在必行。如图2所示的是基于4G(TD-LTE)移动通信网络的开放式工程实践平台的系统构架图，主要包括了下面几个部分。

2.1 4G移动通信网络

4G(TD-LTE)移动通信网络包括核心网(EPC)和接入网(EUTRAN)。核心网(EPC)部分包括ME(移动性管理实体)、S-GW(服务网关)、P-GW(分组数据网网关)、ESS(归属用户服务器)及PCRF等功能实体。和UMTS相比，NodeB和RNC融合为eNodeB。在接口上，eNodeB和EPC之间通过S1口连接，eNodeB之间通过X2口连接，eNodeB和UE之间通过Uu口连接。这部分的设备和软件，从华为公司提供。

2.2 面向应用的智能移动终端开发平台

基于移动通信行业应用，开发了3种基于不同应用的终端开发平台，包括4G终端开发平台、4G移动视频创新开发平台和物联网创新开发平台，充分体现现代移动通信技术在行业中的应用，支持创新实验的可持续发展。

图2 平台系统架构图

2.2.1 4G智能移动终端开发平台

支持GSM/GPRS制式的打电话、发短信终端模式、支持TDD-LTE制式的数据终端模式、支持GSM/TD的智能手机性能指标测试。

结合嵌入式、移动通信和智能终端开发的最新技术，可进行物联网嵌入式网关、Java语言手机应用程序开发、手机移动应用开发、手机游戏软件开发[13]以及基于手机远程控制的智能安防、智能农业、智能医疗、智能交通、智能物流等物联网领域开发。

采用E4412四核处理器，建立超强处理能力的智能终端处理器。采用E4412嵌入式系统，实验箱提供丰富接口资源，可扩展不同制式的通信模块，支持更新的2G、3G、4G智能通信终端提供开发平台。

采用关键通信芯片，自主开发系统应用如GPS移动定位系统、智能抄表等物联网系统应用。实验箱提供扩展区，可扩展各种传感器、通信模块等，通过开发平台进行二次开发和创新开发，如扩展SDIO WIFI可无线上网，扩展SDIO CAMERA视频监控。

2.2.2 4G移动视频创新开发平台

随着4G移动通信的广泛应用，各种基于互联网业务的功能都会延伸到4G移动平台上，传统的语音通信将会被高速数据业务取代，最典型的应用就是移动视频业务。由于4G移动网络提供了足够高清视频应用的带宽速率，各类视频应用层出不穷，最典型的就是IPTV、移动电视、广域视频监控等需要高速带宽的应用业务。由于视频传输涉及高速流式传输技术，与传统的视频通信有很大的差异，因此，培养具有4G移动视频技术的高层次人才变的尤为重要。

4G移动视频创新开发平台基于主流的TI DaVinci系列多媒体处理器TMS320DM365，将视频采集、视频压缩编码、视频移动网络传输、视频无线和有线网络接收、视频解码、视频存储、视频回放等一系列移动视频技术知识进行开发和应用，培养学生移动视频系统构建的工程实践和创新能力[14]。

4G移动视频创新开发平台包含的主要实验项目有：4G模块驱动实验、SD卡驱动实验、视频采集实验、视频编码实验、视频流媒体发送实验、视频流媒体接收实验、视频解码实验、视频回放实验、视频字符叠加实验、视频存储实验、音频采集实验、音频编码实验、音频流发送实验、音频流接收实验、音频解码实验等。

2.2.3 物联网创新开发平台

在3G/4G 网络下，几乎所有可以在互联网平台上实现的业务都可以在3G/4G 网络上运行。4G 时代，移动增值业务朝多元化趋势发展，除了原有的2.5G/3G业务(如短信、彩信、彩铃、下载、游戏、WAP 和IVR等)之外，各种新的增值业务(视频点播、高速上网、在线游戏和行业应用)也会相继推出，移动通信网将成为物联网的最佳承载平台。

物联网创新开发平台突出了物联网与移动通信的应用，将移动通信系统和物联网技术及应用系统进行融合，针对物联网的感知层、传输层和应用层概念，在培养学生通信和物联网基础知识应用的同时，培养学生大系统构建的工程实践和创新能力[15]。

物联网创新开发平台包含的主要实验项目有：

感知层实验：温度传感器实验、GPS传感器实验、摄像头传感器实验、语音传感器实验、继电器模块实验、报警控制器模块实验等。传输层实验：蓝牙通信实验、WiFi通信实验、4G传输实验、以太网传输实验等。应用层实验：GPS定位实验、视频监控实验、语音对讲实验、远程控制实验等。

2.3 CDIO创新与工程实践软件系统

由开放式实验教学管理软件和CDIO创新实践软件组成。教学管理软件主要实现实验管理、实验辅助、信息管理等功能；围绕CDIO工程教育模式理念，CDIO创新实践软件通过完整的再现工业现场实际的产品的构思、设计、实现、运作的全流程，配置了知识库、流程指导、实践项目管理，实践项目进度追踪、实践报告评审、教师辅导、学生考勤和成绩管理等实用模块，帮助教师和学生在更加自由开放的环境下进行创新实践、提高学生工程应用能力、自我学习能力和团队合作能力等。

2.4 实验平台的特色

4G移动通信创新实验与工程实践平台的建设改变单纯实验箱的实验方式，结合理工科专业特色，引入现代通信网络中实际应用系统级设备，达到实验项目可持续发展和共享目的。

解决了通信与电子类专业创新实验教学条件的不足。同时，改善了高校人才培养和通信行业应用脱节的状况，为高校和用人单位的平滑接轨创造条件，为人才培养质量提供了保证。实验室可为电子类专业学生开设诸多课程的专业实验以及企业急需技术领域的创新实验，并为学生的课外科技创新、课程设计、专业大型实验和毕业设计提供实验条件。

该实验平台有利于培养通信与自动化、计算机等学科交叉的复合型人才。三个学科的教师和研究生可以在各自熟悉的层面展开研究合作，提高教师的科研能力与水平，提升教师队伍整体素质，加速科研成果的产生。本实验平台的建立也将为相关学科的研究生的培养提供实验科研基地。通过实训，指导学生完成创造性活动，具有规律性的启发和指导作用，符合由兴趣到应用的全脑创新历程[16]。

高校在拥有大量的高新技术人才的同时，又具备一流的实验设施，可以为社会上各行业提供实验、培训等增值服务，也可以向当地社会提供技术交流、课题研究支撑，成为区域信息化研究中心，更好地为地方经济建设服务。具体到本实验平台而言，移动通信、公共安全、智能家居、智能交通等行业的技术人员，只要获得授权，就可以进行技术培训、远程终端设备故障诊断维护以及实时异地多点联合研发调试，这些附加功能可以极大压缩企业的研发和维护成本，使之具有更高的市场竞争力。

3 结 语

移动互联网是行业发展的趋势和方向，随着4G牌照的发放以及智能移动终端的快速发展，国家、行业企业对工程技术人才培养的号召和迫切需求。本文按照工程教育理念和视频监控行业强省的地方特色，培养学生对产品或项目的构思、设计、实现、运作的全过程，使学生能够按照企业流程深入到商用产品的开发中，提高学生的工程技术转化能力、提高学生职业素养和职业岗位认知等。

[1] 刘 越. “4G+”引领移动互联网创新趋势[J].电信世界，2014(9): 62-65, 69.

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[3] 林艺真. CDIO高等工程教育模式探析[J]. 哈尔滨学院学报，2008, 29(4): 137-140.

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[5] 王金红，唐万伟. 基于培养应用型人才的“移动通信”教学改革与实践[J]. 电子世界，2014(15)：190.

[6] 蒲秀娟，韩庆文. 移动通信实验课程探索[J]. 实验室研究与探索，2005，24(5): 77-79.

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[11] 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[EB/OL]，教育部门户网站http://www.moe.gov.cn.

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[16] 张武升. 关于创新规律与创新人才培养的探讨[J]. 教育学报，2006, 2(4): 3-12.

(上接“封面故事”)

料到尚不足以引发不稳定性的密度，接着使用更高强度的整形皮秒激光脉冲与预先压缩后的靶丸相互作用，产生合适能量的高能电子束流，将能量快速传输并沉积在预压后的靶丸内部，使得靶丸的局部快速升温，实现中子产额的明显增加和自持燃烧，通过这样的方式提高点火的效率。

如果用汽车发动机的工作原理来比喻，中心点火方案相当于柴油发动机，在压缩汽化燃料的同时实现升温至自燃，这需要极大的能量输入。而快点火方案则与汽油发动机原理类似，将燃料压缩到一定程度后，由火花塞点火。在快点火方案中，超强加热激光脉冲产生的大量高能超热电子，给预先压缩至临界点的氘氚燃料快速加热到聚变温度，实现自持燃烧。

所以，在快点火物理方案的研究中，高能超热电子的定向产生和可控传输是快点火激光聚变成功的关键。张杰与上海交大盛政明教授带领的研究团队，经过6年多时间深入细致地对超强激光的偏振态、不同等离子体密度、不同强度下激光吸收机制转化关系以及超热电子发射方向对超强激光入射角度的依赖关系等重要规律性的研究，发现了靶表面电场与磁场对超热电子发射和传输方向约束调制的自组织现象，实现了超热电子沿靶面方向的定向发射，从物理上证实了快点火激光聚变的锥形靶方案中，锥形靶对超热电子的聚焦作用，解决了长期困扰激光聚变研究界的锥靶实验中的中子增强之谜，为深入理解和控制快点火激光核聚变过程作出了重要贡献。这一研究成果也获得了国家自然科学二等奖。

如今，张杰院士的研究团队已经发展成为在国际上有重要影响的协同创新中心，继续在激光聚变和高能量密度物理研究领域探索着。

(摘编自 交大网、《文汇报》)

Construction and Application of Innovation Experiment Platform for 4G Mobile Communications in Universities

PENGHong,YINGSong-xiang,XUZhi-jiang,MENGLi-min

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Zhejiang Provincial Key Laboratory of Communication Networks and Applications, Hangzhou 310023, China)

According to the development of modern communication technology and the social demand for talent of communication engineering, an innovative practice platform is necessary to cultivate high-quality skilled personnel who master advanced technology in the field of professional training, to deepen the professional connotation construction which confirms the technology development trend, and to have certain forward-looking, integration of practice and innovation as one of the professional ability. By the CDIO engineering education model and the local features of the video surveillance industry, we propose an open, upgradable, scalable mobile innovation experimental platform. It fully embodies the application of modern mobile communication technology, and supports the sustainable development of the proposed innovation experiment platform. Combined with the practice of communication engineering specialty innovation experiment platform in Zhejiang University of Technology，the construction ideas and implementation plan are elaborated．The experiment platform emphasizes cultivating the students’ innovation and comprehensive practice ability, and has a helpful contribution and demonstration effect on communication specialty in the higher education.

4G mobile communication; innovation experiment platform; CDIO; experimental teaching system

2015-02-28

国家自然科学基金项目(61471322);浙江工业大学校教改项目(JG1313)

彭 宏(1970-)，女，湖北武汉人，硕士，副教授，主要研究方向为无线通信与网络多媒体数字通信。

Tel.：0571-85290373; E-mail: ph@zjut.edu.cn

N 33

A

1006-7167(2015)12-0105-05