4G全网虚拟仿真实训平台在通信专业教学中的应用

林晓燕

摘 要 近年来，通信领域人才需求缺口越来越大，尤其移动互联技术、终端接入侧技术及其相关领域的综合型人才的缺口还会进一步增大。通信工程教学改革最重要的方面是加强实践环节的设置以及注重实训效果。实训平台一直是通信类学校学生培养工作中不可缺少的重要教学工具，完善的平台功能能培养出学生的工程操作能力和工程创造能力。目前，通信领域实训基地投入巨大而效果甚微是最主要的问题。

关键词 4G全网虚拟仿真实训平台；实训；教学改革；通信

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）12-0036-03

1 引言

4G全网虚拟仿真实训平台的建设工作坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以全面提高在校学生创新精神和實践能力为宗旨，推动中、高等学校实训教学改革与创新。

2 4G全网虚拟仿真教学实训平台的技术基础

4G对3G的网络架构进行了优化，采用扁平化的网络结构，取消RNC节点，接入网侧仅包含eNode B一种实体。这简化了网络设计，降低了后期维护的难度，实现了全IP路由，网络结构趋近于IP宽带网络。

4G通信网络由接入网E-UTRAN、传输网PTN和核心网EPC组成，下面就这三部分的主要结构及性能进行说明。

接入网E-UTRAN LTE采用与2G/3G不同的空中接口技术，即基于OFDM技术的空中接口技术；对传统3G网络结构进行优化，采用扁平化的网络结构，即接入网E-UTRAN不再包含BSC/RNC，仅包含eNode B，提供E-UTRAN用户面PDCP/RLC/MAC/物理层协议的功能和控制面RRC协议的功能。eNode B之间由X2接口互连，每个eNode B又和演进型分组核心网EPC通过S1接口相连。

传输网PTN PTN是一种光传输网络技术：在IP业务和物理层传输介质之间设置一个层面，它以分组业务为核心，针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，支持多业务提供。

PTN具有完善的OAM机制，精确故障定位和严格的业务隔离功能，最大限度地管理和利用光纤资源。PTN具有适合各种粗细颗粒业务、端到端的组网能力，提供了更加适合于IP业务特性的“柔性”传输管道；同时，它保证了业务安全性，可实现资源的自动配置及网状网的高生存性。

1）PTN950设备。OptiX PTN 950主要应用于传送网络的接入层，采用各种类型的链路接口接入终端用户设备的业务，并进行转换处理。

2）PTN960设备。OptiX PTN 960可以放在基站侧做基站业务接入，支持多种业务类型，并提供丰富的功能特性；也可以放置在汇聚节点做业务汇聚设备，将其他盒式设备接入的业务经过整合后传送到更高层次的设备中。

核心网EPC 核心网位于网络子系统内，主要作用是把A接口上的呼叫请求或数据请求接续到不同的网络上，主要涉及呼叫的接续、计费，移动性管理，补充业务实现。

为支持LTE接入，3GPP定义了新的EPC网络，平台将包括MME、SGW、PGW和HSS四个网络节点。

3 4G全网虚拟仿真实训系统在教学中应用的方案概述

为了最大限度模拟现网运行，该虚拟仿真实训系统结合现网中三大运营商使用的主流产品，如基站、PTN、核心网中涉及的相关网络设备，通过一种基于Web技术构建的开放式网络化的虚拟实训教学系统，为开设各种虚拟实训课程提供全新的教学环境，可供学生利用互联网通过接近真实的人机交互界面完成实训。

4G全网虚拟仿真实训系统采用B/S架构设计，可兼容各版本Windows系统、苹果OSX系统，可实现所有4G-LTE全网规划部署的学习，可实现实训、测评等多种学习模式；多组实训可并发进行，不限客户端数，支持同时在线人数10 000人以上。

4G全网虚拟仿真实训系统是基于目前通信网络中主流的“基站—PTN—核心网”设备架构建设的虚拟实训系统，实训内容包括基站、PTN、核心网中涉及的相关网络设备。实训模块包括LTE仿真基站、仿真核心网、仿真PTN和全网业务验证四个部分，包括LTE仿真基站BBU、RRU及终端部分等，仿真核心网MME、HSS、SGW、PGW等，仿真PTN设备PTN950、PTN960、PTN1900等。各模块涵盖设备介绍、硬件选配、硬件安装、数据配置、网络调测和操作维护。

4G全网虚拟仿真实训系统采用个性化定制服务，针对学生端（包括对网络基站基于各种场景模式下的相关规划，以及在该规划下相关设备型号的选取方案和基本信息配置，以拓扑结构的形式模拟出当前方案下各个设备间线缆连接形式和全网下设备搭配的设计与展现，以及对应的参数配置，配置的形式包括图形界面操作和配置MML命令）和教师端（包括各种个性化定制实训任务分发、对实训过程的监控、针对实训输出的评分管理，在此流程上提供系统用户信息以及实训内容的相关资源的统一化管理）提供不同的系统管理服务。

整个系统设计根据具体工程项目的实施流程结合教学需求，从设备介绍、网络规划、硬件选配、硬件安装、数据配置、网络调测、操作维护和概预算这八大模块进行规划设计。这八个模块也对应现实中通行行业相关岗位，如网规网优工程师、硬件安装工程师、软件调测工程师、运维工程师、概预算工程师等职位，为学生成功就业打下坚实基础。

4G虚拟仿真实训平台教师端 利用教师端，教师可以通过后台同步当前教务的基本信息，包括班级、学生、教师的相关基础信息，达到教务基础信息的无缝对接；可以管理4G网络各模块实训资源的相关信息，在个性化定制实训任务的时候可以根据实训资源库去分发实训，包括实训的指导书、实训对应的模块资源；可以根据任务需要，定制化分发学生需要配置的4G网络模块（包括基站、PTN、核心网），最终可对任务进行评分，任务可支持单人、分组进行，具体配置在任务分配时选择。

教师端支持对4G全网任务分成多个小组，每个小组负责不同的仿真模块的任务，进行对应模块的设备数据配置和场景下的拓扑连线，最终根据任务搭配，选择对应的任务数据源做4G全网的业务验证，根据验证结果对该任务作结果评判。

教师端支持以下三大模式化管理：

1）软件支持在线团队合作模式，共同完成各种各样以及定制化的实训任务，包括组建网络、规划网络、部署网络、配置网络及调试网络等单元；

2）支持对任务生命周期化的管理，支持对实训任务设置生命周期，周期开始之前，用户可按需更改周期，以确保实训正常准时完成；

3）支持实訓实时监控管理，可监控当前在线的学生的基本信息（包括学号、姓名、终端IP以及登录时间），提供对在线学生下发文件的操作。

4G虚拟仿真实训平台学生端 4G虚拟仿真实训平台学生端，学生可根据任务描述进行网络拓扑规划。通过网元部署及连线完成核心网及承载网网络规划拓扑设计，并且能够结合拓扑完成IP规划、对接参数等相关规划，方便指导网络部署阶段的设备配置及数据配置。

1）单站规划。LTE基站单站规划配置，规划好之后可进行基站的配置，即对硬件安装的设备和MML进行配置，以实现整个LTE基站的运行效果。

2）覆盖规划。覆盖规划中可以针对不同场景进行选择，规划不同场景下无线基站站点的位置，进而选择配置扇区，使之满足不同场景的限制，及进行基本的下倾角等基础信息的配置等。

市区网络规划是根据市区人员密集、建筑密集的特点来进行无线基站的布站；道路网络规划是根据道路人员稀少、建筑稀少的特点来规划覆盖场景，沿着道路进行无线基站的布站；农郊规划则是根据农郊人员稀少、建筑稀少的特点来规划覆盖场景；近海、山区的规划是根据近海、山区人员稀少、建筑稀少、山地众多的特点来进行无线基站的布站；室内网络规划是根据室内阻挡物多、信号易反射的特点进行无线基站的布站。各种覆盖场景下均可进行基站基础参数的设定。

3）组网规划。学生还可进行组网规划，组网规划包含基站组网、传输网络组网、IP网络组网、核心网组网、网管组网和综合组网。

基站组网是选择基站之间的组网方式，选用普通的链式连接或星型链接等组网方式；传输网络组网是传输网络之间的组网方式，包括PTN、光传输等组网方式；核心网组网是核心网之间的组网方式，包括集群网组网；网管组网是网管的组网方式，包括网管级联方式等；综合组网是将综合网络进行组网的组网方式。

4）硬件选配。硬件选配部分包括对基站、终端、PTN、

核心网及线材的选型。基站选型是针对基站的主要部件根据组网规划中选择的场景进行基站的BBU选型、天线选型、RRU选型及所需线材的选型，被选中的设备及材料会进入选型池中，为后续硬件安装做好准备；终端选型包含TDD和FDD两种，为后续的网络调测做好终端调测的准备；PTN的选型包括PTN型号的选择，可供备选的主要包括PTN950、PTN960和PTN1900等型号；核心网选型包括两种核心网的选型，即ATCA机架式服务器的选型和服务器版本的核心网设备的选型。

5）全网调测。网络调测是对学生在实训过程中设置的配置及参数进行检验，也就是验证前期的数据配置和选型是否正确的一个过程。网络调测部分可进行Ping调测、SIM卡调测、UE入网调测、Service流程调测、VOLTE流程调测、关机流程调测。在此部分可以验证两个相邻设备之间的网络连接是否正常，形成整个网络的拓扑图；也可以对SIM卡数据配置的烧卡信息进行验证，以及对鉴权数据配置一致性进行验证，在验证的主界面会显示该SIM卡烧卡信息；还可以对学生设定的终端数据配置进行验证，以及对信令建立过程中重要参数进行验证和对Service业务流程信令的重要参数进行验证。

整个4G全网虚拟仿真实训系统包括仿真基站、仿真PTN、模拟核心网，这三个实训可以单独验证，也可以整合一体验证。

4 结语

虚拟仿真实训教学是高等教育信息化建设和实训教学示范中心建设的重要内容，以共享优质实训教学资源为核心，以建设信息化实训教学资源为重点，是学科专业与信息技术深度融合的产物。4G全网虚拟仿真实训平台对通信专业学科教学中学生实践能力的培养发挥着重要作用。

参考文献

[1]李欣.虚拟现实及其教育应用[M].北京：科学出版社，2008.

[2]徐辉，马秀峰.虚拟现实教育应用探析[J].山西师范大学学报：自然科学版，2010（S1）：95-97.